不同岩性粗集料在沥青路面中的应用

李广科

(中交二公局东萌工程有限公司，陕西 西安 710119)

0 引 言

随着基础设施建设的不断发展，中国对建筑材料的需求越来越大。在大规模的公路建设过程中，为了追求沥青混凝土路面的质量，大多数地区和建设单位片面地要求中下面层沥青混合料中采用石灰岩集料，而对所在区域的地材资源“视而不见”。而中国石灰岩资源的地理分布极其不均，石灰岩资源在工业领域的广泛适用性使之越来越匮乏，加之政府和民众对生态环境的保护日益重视，石灰岩矿山成了稀缺资源。很多公路工程项目为此费尽周折也采购不到优质的石灰岩集料，反而极大地增加了工程成本。一些项目所在地拥有花岗岩、砂岩等集料，但想用又不敢用，这个问题一直困扰着项目业主和施工方。本文就通过对不同岩性粗集料组成的中下面层沥青混合料进行性能指标试验，论述不同岩性集料构成的沥青混合料的性能同样能够满足使用功能要求。

1 集料的特性和沥青路面中下面层的设计功能

集料的特性分为料源特性和加工特性。料源特性由石料产地的地质形成情况决定，如岩性、强度、密度、磨光值等；加工特性由生产加工工艺决定，如颗粒组成、针片状颗粒含量、砂当量、细粉含量等。

国内公路路面，尤其是高速公路沥青路面结构作为柔性结构层，受“强基薄面”理念的影响，通常被设计得较薄。在应用最广泛的三层式沥青面层中，表面层为功能层，主要起到抗滑和磨耗的作用；中面层承受面层内部最大高温剪应力，为主抗高温、抗车辙区；下面层介于柔性与刚性或半刚性基层之间，沥青面层的最大拉应力出现在面层底部，该结构层为主抗疲劳开裂区。沥青面层是黏弹性体系，中下面层沥青混合料的抗荷载剪切能力(即稳定性能)反映了路面的抗车辙能力。另外，中下面层沥青混合料在破坏形态中与料源特性关联的还有水损坏[1]。集料性质对沥青黏附性有很大影响，不同岩性集料的化学组分(特别是SiO2含量)不一样，与沥青的化学吸附能力也有差异。

2 不同岩性粗集料在中下面层沥青混合料中的应用

2.1 材料及沥青路面结构形式选择

为了更好地体现材料差异，笔者在5个项目中选取了5种非石灰岩及石灰岩进行试验，分别为海南文昌玄武岩、海南东方花岗岩、陕西商洛闪长岩、浙江玉环凝灰岩、江西赣州砂岩及云南嵩明石灰岩。沥青混合料结构形式统一选择70#重交沥青AC-25(C)下面层及SBS改性沥青AC-20(C) 中面层。

由于细集料用量较少，在此不做专门研究。在项目的实际使用中，一般选用和粗集料同岩性的细集料，本次为了试验的可对比性，统一选用了石灰岩机制砂；填料采用了石灰岩加工的矿粉。细集料和矿粉的试验结果如表1、2所示。

表1 细集料的技术要求与检测结果

表2 矿粉的技术指标及检测结果

下面层均选用70#重交沥青，中面层均选用90#重交沥青作为基质的SBS改性沥青。沥青试验结果如表3、4所示。

表3 70#道路石油沥青技术要求及检测结果

2.2 岩性及集料性能指标

所选粗集料岩性大致为：玄武岩属于岩浆岩中的喷出岩，为基性石料；花岗岩和闪长岩属于岩浆岩中的深成岩，为酸性石料；砂岩属于沉积岩中的碎屑岩，为酸性石料；凝灰岩属于沉积岩中的火山碎屑岩，为中性石料；石灰岩属于沉积岩中的生物岩，属于超基性石料。各种粗集料的试验结果如表5所示。

2.3 针对不同岩性粗集料采取的抗剥落措施

粗集料岩性不一致，其矿料化学成分及结构也存在很大差异。集料的化学成分决定集料的酸碱性。沥青与集料的黏结过程主要是吸附过程，有物理吸附和化学吸附，其中沥青与集料表面发生化学吸附、形成化学键时产生化学键结合力，这种吸附才能使得沥青与集料黏结牢固[2-9]。和酸性石料相比，碱性石料与呈酸性的沥青更容易发生化学吸附而形成化学键结合力，且集料的碱性越强，化学键结合力就越大，沥青与集料的黏附性也就越强，混合料的 水稳性能相对越好。黏附性是石料与沥青共同作用的结果。从试验结果来看，岩性影响集料与沥青的黏附性能。为了消除岩性的影响，可以采用添加适量消石灰、用水泥替代部分填料(通常为矿粉)的方式来改善集料表面性能，提高混合料的水稳性能，改善后的结果完全可以满足黏附性要求。

表5 各区域加工生产的粗集料试验结果

针对未改性达不到规范要求的各岩性集料，采用加消石灰、水泥、某种抗剥落剂3种措施后的水稳性能试验结果(70#沥青)如表6～8所示。根据检测数据，改善不同岩性粗集料的黏附性能的最优措施见表9。

表6 AC-25C沥青混合料性能

2.4 不同岩性粗集料在AC-25(C)中的性能指标

采用马歇尔试验方法，对上述材料进行AC-25(C)从各种岩性集料的配合比列表、曲线可以看出，不同岩性集料的级配情况基本一致。

表7 AC-20C沥青混合料性能

岩性填料类型检测项目稳定度/kN流值/0.1 mm动稳定度/(次·mm-1)残留稳定度/%凝灰岩玄武岩花岗岩砂岩消石灰11.1127.322 20990.10水泥11.7426.542 12590.70抗剥落剂11.0725.782 14190.70消石灰12.3623.692 69791.32水泥12.2122.392 70190.34抗剥落剂12.5423.412 67489.21消石灰12.3624.212 63688.21水泥12.1123.692 62489.36抗剥落剂12.3523.412 67190.11消石灰11.3622.012 43890.12水泥10.9821.782 44590.31抗剥落剂11.0122.142 47890.14

配合比设计，如图1、表10所示；并对沥青混合料进行相关使用性能检验，具体结果如表11所示(表中的1#对应集料规格19～31.5 mm；2#对应集料规格9.5～19 mm；3#对应集料规格4.75～9.5 mm；4#对应集料规格2.36～4.75 mm；5#对应集料规格0～2.36 mm；矿粉中已包含改性所替代的消石灰或水泥，沥青混合料中包含了抗剥落剂)。

图1 级配合成曲线(AC-25)

表8 改善各种岩性粗集料后的黏附性检测结果

表9 改善不同岩性粗集料黏附性能的最优措施

2.5 不同岩性粗集料在AC-20(C)中的性能指标

采用马歇尔试验方法，对上述材料进行AC-20(C)配合比设计，如图2、表12所示；并对沥青混合料进行相关使用性能检验，具体结果如表13所示(表中的1#对应集料规格9.5～26 mm；2#对应集料规格4.75～9.5 mm；3#对应集料规格2.36～4.75 mm；4#对应集料规格0～2.36 mm；矿粉中已包含改性所替代的消石灰或水泥，沥青混合料中包含了抗剥落剂)。

图2 级配合成曲线(AC-20)

从各种岩性集料的配合比列表、曲线可以看出，不同岩性集料的级配情况基本一致。

2.5.1 沥青混合料抗荷载性能

不同岩性粗集料组成的沥青混合料在性能上均能满足规范要求。在动稳定度及残留稳定度方面，各种岩性的粗集料组成的沥青混合料性能与岩性并没有直接关联。由于集料固有空隙率、加工后表面粗糙度及添加消石灰、水泥、抗剥落剂等因素的影响，油石比会有所不同。集料压碎值指标反映出石灰岩集料的压碎值偏高，源于石灰岩的强度较低，这在密度指标中也有反映。2004版的《公路沥青路面施工技术规范》中对集料的各项指标均有相应的要求，但是对集料的岩性并没有相关规定。

表10 各种岩性集料的配合比汇总(AC-25)

表11 不同岩性沥青混合料AC-25(C)指标及使用性能检测结果

沥青混合料的抗剪切能力(也即抗车辙能力)与混合料的结构类型和颗粒组成有很大关联。笔者已经统一了结构类型，为了便于比较，本文假设颗粒组成也基本一致。实际施工中，对于AC-25和 AC-20来说，其设计的施工配合比曲线也是基本一致的。根据以上动稳定度试验结果分析，集料岩性与动稳定度试验结果有一定的直接关系，这里的前提是选取的各类岩性料源的物理性能满足指标要求。采用水泥或消石灰措施还有助于提高沥青混合料的高温稳定性能。同时，非石灰岩类集料通常强度、密度、压碎值优于石灰岩集料，在施工及使用过程中再次破碎，导致级配衰减的程度要弱于石灰岩类，其骨架密实型结构可以得到更好的体现，能使混合料设计性能得保持和发挥，使得路面结构更加能够抵抗荷载的剪切，其长期抗变形能力更强。因此，在沥青混合料配合比设计过程中，更应该关注的是混合料的性能指标——石料本身的强度和颗粒形状是路面能否承受荷载的重要指标，而不是强调集料的岩性。在中下面层沥青混合料中过分迷信石灰岩集料是不科学、不经济的。

表12 各种岩性集料的配合比汇总(AC-20)

表13 不同岩性沥青混合料AC-20(C)指标及使用性能检测结果

2.5.2 沥青混合料抗水损害性能

对于岩性不同的集料，施工方在选择沥青混合料材料时最大的困扰和纠结就是黏附性指标，但是该指标并不能作为沥青混合料抵抗损害评价的最终依据。集料和沥青的黏附性指标是中国特有的，国外一般没有，只要沥青混合料满足水稳定性指标即可。故黏附性仅仅是初选集料品种的参考性指标，不能看得太重，更不可迷信。集料的黏附性并不能代表沥青混合料的水稳定性。以上试验也证明改善后的各类岩性集料完全满足了沥青黏附性能要求，同时沥青混合料的综合性能完全满足水稳定性和动稳定度的要求。另外，在国内现有沥青路面结构设计中，绝大部分沥青路面的3层结构均设计为骨架密实结构，加之施工设备和施工水平的提升，沥青中下面层遭受水渗透也基本不可能。

想要提高集料与沥青的黏附性，除了用消石灰、水泥替代一部分填料外，还可以在加工环节改善集料的形状特性，使其表面粗糙、富有棱角；将刚破碎的集料储存一段时间再用于生产，降低集料的表面活性；也可以在沥青中添加某些具有极性的有机酸来改善。

对于上述的5种非石灰岩材料加工的集料，笔者都曾进行过高速公路的规模化使用，其中用陕西商洛闪长岩和江西赣州砂岩铺筑的高速公路沥青路面现在都通过了10年的路用检验，至今路面平整密实，未曾因水损害而进行修补，更不曾大中修过，路面性能良好。

3 结 语

(1)在沥青混凝土路面中下面层混合料设计中，选取料源的主要考虑因素是集料的综合指标性能，黏附性单项不能作为否决性指标。不同岩性的粗集料与沥青的黏附性存在差异，通过适当的措施可以加强其黏附性能。

(2)只要不同岩性的粗集料的性能指标在采取改善措施后满足要求，且沥青混合料的各项指标亦能满足要求，就完全可以用于相应的沥青路面结构中。