细集料对沥青混合料路用性能影响研究

谢百慧

（1.黑龙江省高速公路建设局，黑龙江 哈尔滨150040；2.东北林业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

沥青路面因其优越的使用性能、经济的造价和具有多种施工作业的选择方式，在公路建设中得到广泛应用。但在自然环境和现代高速交通的重复作用下，沥青路面也不可避免地出现各种损害现象，如车辙、裂缝、拥包、坑槽和水损害等。沥青混合路面具有一定的稳定性和耐久性，是提高路面使用性能和延长使用寿命的前提，其中稳定性包括高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性。为此，许多科研和工程部门一直致力于对沥青混合料的性能和应用研究。细集料是沥青混合料的重要组分，对沥青混合料的路用性能有着重要影响。细集料主要包括天然砂、石屑和机制砂。天然砂主要含有石英颗粒，比较坚硬，天然砂作为细集料具有较好的耐久性；石屑主要是破碎石料的下脚料，多为石料中最薄弱的部分，且含有较多泥土，石屑作为细集料强度较差，质量难以控制；机制砂采用坚硬岩石反复破碎而成，具有良好的棱角性和嵌挤性能。本文对基于天然砂和机制砂的沥青混合料物理性质和稳定性能进行比较研究，为机制砂代替天然砂在沥青路面中的应用提供理论指导。

1 沥青混合料配合比设计

依据《公路沥青路面施工技术规范》中密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围要求，确定级配如表1所示。

表1 沥青混合料选用级配

可见，所选的AC－16中，关键性筛孔2.36mm的通过率为37%＜38%，所以该级配为粗型密级配，即 AC－16C。

2 沥青混合料的最佳沥青用量

在工程应用中，沥青混合料的沥青用量是控制机制砂应用的一项重要指标。本试验选择4.3%、4.6%、4.9%、5.2%、5.5%共5种油石比的沥青混合料，采用标准马歇尔击实方法，测定沥青混合料体积指标、稳定度和流值，试验结果如表2所示。

表2 不同沥青混合料马歇尔试验结果

根据沥青混合料的配合比设计技术指标及要求，结合表2中的试验结果，列出体积指标、稳定度和流值的容许油石比范围，并综合确定机制砂和天然砂沥青混合料的最佳油石比，如表3所示。

表3 沥青混合料最佳油石比

3 路用性能研究

3.1 高温稳定性

沥青路面在高温和行车荷载的反复作用下会出现车辙，影响路面的使用寿命和服务质量。本文以动稳定度DS作为评价沥青混合料高温稳定性的指标。试验依照《T0719沥青混合料车辙试验》进行，试验温度为60℃，轮压为0.7MPa，将试件和试模移置到轮辙试验机的试验台上，试验轮往返行走其上，测得行走t1（45min）的变形量d1（mm）和行走t2（45min）的变形量d2（mm），得到动稳定度为

式中:N为试验轮的往返碾压速度，42次／min；c1为试验机类型的修正系数，曲柄连杆驱动方式为1.0，链驱动方式为1.5；c2为试件系数，实验室制备宽300mm的试件为1.0，路面切割宽150mm的试件为0.8。

试验测得机制砂和天然砂两种沥青混合料的动稳定度如表4所示，试验结果显示60min时沥青混合料车辙深度及机制砂沥青混合料小于天然砂沥青混合料；机制砂沥青混合料的动稳定度是天然砂沥青混合料动稳定度的4.5倍。表明机制砂沥青混合料抗车辙变形能力远高于天然砂沥青混合料，其优越性得到充分验证。

表4 沥青混合料车辙试验结果

3.2 低温抗裂性

沥青混合料随着温度的降低，其强度和劲度会明显增大，变形能力显著下降，伴随着脆性破坏的出现，材料变脆，路面结构产生裂缝，在雨水和行车荷载的反复作用下，会使裂缝发展为网裂和龟裂，导致路面的大范围结构破坏，因此，沥青混合料低温抗裂性是沥青路面稳定性能的重要指标。本文针对机制砂和天然砂沥青混合料进行低温弯曲试验，试验依照《T0716沥青混合料劈裂试验》进行，试验温度为（－10±1）℃，加载速率为50mm／min，试验结果如表5所示。

从表5可以看出，掺机制砂的沥青混合料，其抗弯拉强度较掺天然砂的高，其低温极限应变较天然砂沥青混合料提高了17.6%，同时具有更大的弯拉应变。说明沥青混合料中掺加机制砂，可以提高沥青混合料的强度与变形能力，综合提高了沥青混合料的低温抗裂性，其性能明显优于天然砂。

表5 沥青混合料低温弯曲试验测试结果

3.3 水稳定性

水损害是高速公路的主要破坏模式之一，也是我国高速公路发展过程中早期损害的重要形式，因而细集料对沥青混合料水稳定性的影响极为重要。本研究利用冻融劈裂试验方法测试基于机制砂和天然砂的沥青混合料的水稳定性。对沥青混合料进行双面击实各50次，使其成型马歇尔试件，每种试件分为两组:一组在25℃水浴中浸泡2h，测其劈裂强度为RT1；另一组在0.09MPa浸水抽真空15 min，再放到－18℃冰箱中放置16h，然后放到60℃水浴中恒温24h，再放到25℃水中浸泡2h，测其冻融循环后的劈裂强度为RT2，计算冻融试件的劈裂强度与非冻融试件的劈裂强度，并进行比较，即将残留强度比TSR作为水稳定性的评价指标。采用研究得到的沥青混合料配合比，对机制砂与天然砂的沥青混合料分别制作10个马歇尔试件，并按物理性质相近原则分成5个对照组，测定马歇尔试件密度及孔隙率指标如表6所示，基于机制砂和天然砂沥青混合料的冻融劈裂试验结果如表7所示。

表6 马歇尔试件密度及孔隙率指标

表7 沥青混合料AC－16冻融劈裂试验结果

通过对试验数据的分析可知，机制砂沥青混合料的残留劈裂强度值为（83.2±7.6）%，而天然砂沥青混合料的残留劈裂强度为（75.5±5.6）%。机制砂沥青混合料的水稳定性较之天然砂提高了10%。结果显示机制砂沥青混合料的水稳定性优于天然砂沥青混合料。

4 结束语

按现行《公路沥青路面施工技术规范》设计的AC－16C型沥青混合料，采用机制砂作为细集料与天然砂相比较，高温动稳定度提高了350%，低温极限应变提高了18%，水稳定度提高10%。用机制砂代替天然砂作为细集料既符合国家对防汛和环保政策要求，又能有效提高沥青混合料的路用性能。

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