破碎河卵石在沥青路面中的应用研究

周黄胜

(湖南省炎汝高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙　410005)



破碎河卵石在沥青路面中的应用研究

周黄胜

(湖南省炎汝高速公路建设开发有限公司，湖南 长沙410005)

河卵石拥有强度高、耐腐蚀的特点，由于呈酸性，破碎后存在光滑面，与沥青的粘附性较差，在沥青面层中的运用存在一定的局限性。通过将60%的矿粉用水泥代替以提高二者的粘附性，通过浸水马歇尔试验、多次冻融劈裂试验、浸水车辙试验来研究添加水泥后破碎卵石沥青混合料的抗水损害能力，为河卵石在沥青面中下层的运用提供一个理论依据，使河卵石资源丰富的地区在道路修建上能够节约成本，缓解市场上碎石资源紧缺的问题。

；沥青路面；破碎卵石；沥青混合料；抗水损害；集料

随着我国高速公路的快速发展，碎石的用量在不停地增加和消耗，对于受到爆破物品管制且要不断通过开山炸石才能生产的碎石而言，在市场上容易造成供应紧张，对工程的工期造成影响。河卵石经河流长期搬运而成，虽然拥有强度高和耐腐蚀的特点，但是表面因经历长期的水流冲刷，表面光滑，且材质较为复杂，多为酸性，与沥青的粘附性不足，容易产生水损害，在沥青面层中的运用中存在一定的局限性，本文通过对不同颜色的河卵石进行物理性能试验及添加一定比例的水泥来代替矿粉以碱化集料提高卵石与沥青的粘附性，进行混合料的水稳定性试验，为破碎河卵石在沥青面层中的应用推广提供理论依据。

1　原材料选择

1.1沥青

本文采用的基质沥青是茂名70号A级石油沥青，试验结果如表1所示。

表1 70号A级基质沥青试验结果类别针入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)针入度指数PI软化点/℃60℃动力粘度/(Pa·s)延度(5cm·min-1)/cm10℃15℃蜡含量/%技术要求60～80-1.5～+1.0≥46≥180≥15≥100≤2.2试验结果63.7-1.1551.2217.130.4>1002闪点/℃溶解度/%密度/(g·cm-3)TFOT后残留物质量变化/%残留针入度(25℃)/%残留延度(10℃)/cm≥260≥99.5实测记录-0.8～+0.8≥61≥626899.721.034-0.262669

1.2集料

本文河卵石的破碎方式采用颚破-圆锥破-反击破，破碎前的粒径大于10 cm，破碎后卵石的破碎面符合规范要求。河卵石的颜色多彩，不同颜色的河卵石因为母材的来源、形成的环境不同，在物理性能上存在一定的差异，为了避免不同颜色的卵石因性能上的差异过大，对沥青混合料造成较大的影响，通过颜色来对破碎卵石进行划分，粒径在20～30 mm分为6种；由于黑色和杂色相对来说含量较少，将粒径在5～20 mm的破碎河卵石分为4种。试验采用的集料及矿粉等性能的试验结果如表2～表5所示。

由表2、表3、表4可知：破碎卵石虽然含有多种颜色，但各种颜色的破碎卵石的物理性能指标均符合沥青路面中、下面层的规范要求，且在性能方面较为接近，其中占有比例较多的红、黄、浅青、深青4种颜色的破碎卵石的压碎值最大相差4.3%，磨耗值相差3.5%。各性能的波动不大，颜色的不同在物理性能上总体不会对沥青混合料产生较大的影响。

表2 4种颜色破碎河卵石的压碎值与磨耗值颜色压碎值/%磨耗值/%红色14.815.4黄色18.514.3浅青色14.217.8深青色16.416.7

表3 各种破碎河卵石颜色的性能试验粒径/mm颜色相对密度表观毛体积吸水率/%针片状颗粒含量/%含泥量/%20～30红色2.652.580.775.210.30黄色2.672.600.784.450.40浅青色2.642.570.425.050.50深青色2.612.560.474.150.40杂色2.652.600.743.510.20黑色2.692.640.397.170.4010～20红色2.642.600.849.960.60黄色2.622.580.8110.420.60浅青色2.632.580.739.150.50深青色2.672.640.458.850.505～10红色2.662.571.1111.020.70黄色2.652.610.9511.310.80浅青色2.682.630.7210.840.60深青色2.692.640.5610.320.80

表4 细集料试验结果类别表观相对密度砂当量/%棱角性(流动时间)/s技术要求≥2.50≥60≥30破碎卵石试验结果2.58266.2232.7

表5 矿粉试验结果类别表观密度/(t·m-3)外观含水量/%技术要求≥2.50无团粒结块≤1试验结果2.73无团粒结块、无污染0.4不同筛孔径(mm)的通过率/%0.60.150.075亲水系数塑性指数/%10090～10075～100<1 <4 10092.879.10.583.4

1.3水泥

由于河卵石为酸性集料，与沥青的粘附性较差，且表面光滑，经过破碎后存在光滑面，与沥青的机械结合力较低，从表面构造理论这一方面可以得到破碎河卵石与沥青的粘附性效果较差。

考虑到采用水泥代替部分矿粉后能够使得混合料的填料部分能够与沥青发生更强的物理化学反应，提高集料和沥青的粘附性，提高沥青混合料的抗水损害能力，本文试验采用的水泥是来自益阳南方水泥有限公司生产的，规格型号为P.C 32.5。技术指标如表6所示。

表6 水泥性能试验类别表观密度/(t·m-3)外观含水量/%技术要求≥2.50无团粒结块≤1试验结果3.11无团粒结块、无污染0.3不同筛孔径(mm)的通过率/%0.60.150.07510090～10075～10010010097.7

2　混合料配合比设计

通过对破碎河卵石原材料进行筛分，考虑到破碎河卵石存在光滑面，集料间的嵌挤力不足，在一定程度上影响混合料的稳定度及强度，因此本文采用《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的连续密集配AC-20C进行级配设计，规范中要求空隙率在3%～6%之间，使得沥青混合料强度以沥青与集料的粘结力为主，减小混合料的空隙率。级配设计如图1所示。

根据设计级配的结果，对沥青混合料的物理指标与油石比进行分析，根据在工程中多年的施工经验以及破碎河卵石原材料的性能，通过标准马歇尔试件对混合料进行试验，确定最佳油石比为4.1%，破碎河卵石沥青混合料最佳油石比的马歇尔试验结果如表7所示。

图1　破碎河卵石的级配设计

表7 AC-20C混合料最佳油石比马歇尔试验结果油石比/%毛体积相对密度最大理论密度空隙率/%4.12.4122.5184.21矿料间隙率/%沥青饱和度/%稳定度/kN流值/mm13.3368.4110.933.2

3　破碎河卵石沥青混合料抗水损害研究

河卵石表面光滑，破碎后的纹理较差，与沥青的粘附效果不好，由此拌合成的混合料容易由于抗水损害能力较差产生破坏，破碎后河卵石是否能够用于沥青路面的关键问题是解决二者间粘附性的问题，进而改善破碎河卵石沥青混合料的水稳定性。

本文通过浸水马歇尔试验、多次冻融劈裂试验、浸水车辙试验分析用部分水泥代替矿粉后对破碎卵石沥青混合料的水稳定性的影响。

3.1水泥掺量的确定

本文采用用部分水泥代替矿粉的方法来改善二者的粘附性，通过冻融劈裂试验确定水泥的较优掺量为原矿粉用量的60%，试验结果如表8所示。

3.2浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验在国际上是用来评价沥青混合料水稳定性最常用的一种方法，根据浸水马歇尔试验的要求，制作2组试件，双面各击实50次，按照试验要求浸入温度为60 ℃的恒温水浴中，浸泡时间分别为0.5 h和48 h。通过马歇尔残留稳定度来进行评价，试验结果如表9所示。

表8 冻融劈裂试验结果水泥掺量/%劈裂抗拉强度/MPa冻融前冻融后冻融劈裂抗拉强度比/%200.6560.44467.7400.7740.58575.6600.8370.68181.4800.8630.72784.21000.9250.79485.8

表9 浸水马歇尔试验结果混合料名称马歇尔稳定度/kN浸水马歇尔稳定度/kN残留稳定度/%填料:矿粉10.98.275.2填料:40%的矿粉+60%的水泥12.110.889.3

由表8可知，将60%的矿粉用水泥代替后，浸水0.5 h和48 h的马歇尔稳定度都有一定的提高，马歇尔残留稳定度提高了18.6%，表明添加水泥后使得混合料得到一定的碱化，水稳定性更好，抗水损害能力得到提高。

3.3多次冻融劈裂试验

为了模拟实际沥青路面所承受的冻融循环，试验过程中在冻融劈裂试验的基础上进行多次循环，通过多次冻融劈裂试验来研究沥青混合料在高、低温环境中多次循环作用下混合料抵抗水损害的能力，用冻融劈裂强度比来评价沥青混合料的水稳定性能，试验结果如表10、图2所示。

由表10及图2可知：沥青混合料经过多次冻融循环后，劈裂强度有所降低，添加水泥的混合料冻融循环的劈裂强度比较高，可以看出添加水泥的混合料劈裂强度比随着冻融循环次数的增加，下降的幅度较小，表明添加水泥能够更好地提高破碎河卵石沥青混合料的抗水损害能力。

表10 多次冻融劈裂试验结果冻融循环次数劈裂强度/MPa劈裂强度比TSR/%矿粉40%的矿粉+60%的水泥矿粉40%的矿粉+60%的水泥00.6180.840——10.4420.70571.6083.9320.4100.64466.1376.6730.3830.58761.8569.8440.3690.57059.4667.8650.3500.56656.3767.32

图2　冻融劈裂强度比与冻融次数的关系

3.4浸水车辙试验

在对沥青混合料进行水稳定性的评价时，一般都是静态的条件下进行的，这与实际上沥青混合料受到水损害的情况存在一定的差异。在现实中，夏季不仅是一个高温季节同时也是一个多雨的季节，此时沥青路面的水损害在动荷载的作用下更容易产生，通过对传统的车辙试验试验条件进行一定的改变，使得车辙板在完全湿润的条件下进行高温车辙试验。根据沥青混合料的试验规程T0703-2011的方法成型试件，在进行车辙试验前将试件浸没于水温为60 ℃的条件下，饱水6 h后在不浸水的条件下进行高温车辙试验，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa。

考虑到采用动稳定度来评价沥青混合料在高温条件下的形变时，仅仅测量了45～60 min的累积变形情况，对前面45 min的变形发展情况没有进行评价，本文采用永久变形这一相对指标再次对沥青混合料在高温保水条件下抵抗变形的能力进行评价，试验结果如表11所示。

表11 浸水车辙试验得到的永久性变形及动稳定度类别各时间段(min)的永久变形/%1～1515～3030～4545～601～60动稳定度DS(次·mm-1)Cv/%矿粉6.773.411.340.6012.129287.2740%的矿粉+60%的水泥4.383.191.180.529.2714355.33

由表11可知，添加矿粉后沥青混合料的动稳定度有明显的提高，达到规范的使用要求。添加水泥的破碎卵石沥青混合料在高温保水条件下的变形相对较小，在整个试验过程中变形量减小了约2.85%。

通过对填料分别为矿粉和40%的矿粉+60%水泥的2组混合料进行浸水马歇尔、多次冻融劈裂试验、浸水车辙试验，比较了两者的试验结果，未添加水泥的破碎河卵石沥青混合料试验结果无法满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中对于中下面层的相关要求，通过将60%的矿粉用水泥代替后，能够有效地改善破碎河卵石与沥青的粘附性，提高破碎河卵石沥青混合料的抗水损害能力，达到规范的使用要求。

4　结语

通过对各种颜色的破碎河卵石进行物理性能试验，得到破碎河卵石的强度较高、耐磨性好，各种颜色的卵石在物理性能上较为接近，数值上的波动不是很大，且都符合规范上的使用要求。

破碎河卵石与沥青的粘附性较差，通过将60%的矿粉用碱性较强的水泥代替后，能够很好地改善两者间的粘附性，进而提高破碎河卵石沥青混合料抵抗水损害的能力，在路用性能上达到高等级沥青路面中下面层的使用要求。

在使用于沥青路面的碎石资源紧张或缺乏而河卵石丰富的地区，在符合建设要求的情况下，建议采取就近取材的原则，将破碎河卵石应用于道路的建设。

[1]许玲.天然砂砾材料在公路中的应用技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2010.

[2]张伟.破碎卵石在沥青路面中的应用研究[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[3]王瑞林，周维锋，刘伟.破碎砾石与沥青的黏附性能分析[J].重庆交通大学学报，2015，34(5)：49-52.

[4]李玉琨.水泥代替矿粉对沥青混合料性能的影响分析[J].科技研究，2013(8)：34-38.

[5]边秀奇，魏宏，宋秀莲.沥青胶浆对沥青混合料粘弹性的影响[J].交通科技，2014(6)：109-112.

[6]郑晓光，杨群，吕伟民.水泥填料对沥青混合料性能影响的试验分析[J].建筑材料学报，2005，8(5)：480-484.

[7]钱晓鸥.青海地区酸性石料与沥青粘附性改善技术的研究[D].西安：长安大学，2012.

2016-07-20

周黄胜(1984-)，男，工程师，主要从事高速公路建设与管理。

；1008-844X(2016)03-0023-04

；U 414.1

；B