细集料性质对沥青混合料体积特性的影响

葛逸羚

摘要：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重要影响。首先比较3种细集料（机制砂、石屑、天然砂）的棱角性及表面粗糙程度等物理性质，然后探讨不同细集料对SMA-13、AC-13两种沥青混合料体积特性的影响。

关键词：细集料;棱角性;沥青混合料;体积特性;最佳沥青用量

根据最大密实原则确定矿质混合料级配，严格控制矿料间隙率VMA、混合料空隙率VV、瀝青饱和度VFA等沥青混合料体积参数，以适宜的方法确定最佳沥青用量，是近百年来密级配沥青混合料组成设计的核心与精髓。由于控制VMA的是细集料，而不是粗集料，故而应由细集料的级配确定混合料的VMA值，而不是由粗集料的级配或粒径来确定。因此为分析细集料对沥青混合料性能的影响，首先必须明确其对混合料体积特性的影响规律，从而明确机制砂、石屑与天然砂的主要差异。

由于骨架-密实型的SMA当中细集料含量较小，因此结合AC-13这种典型的悬浮密实混合料，综合分析细集料在不同混合料结构中的作用与影响规律。同时以马歇尔试验设计方法为主，分析不同细集料对沥青混合料最佳沥青用量的影响。

1 细集料棱角性试验

3种细集料原材料、1.18mm单一粒径、合成级配（级配为表3中AC-13的级配）下的间隙率测试结果见表1。

从间隙率的试验结果来看，3种细集料棱角性大小顺序：石屑≈机制砂>天然砂，石屑与机制砂差异不明显。由于石屑中含有的扁平细长颗粒在下落后平卧，并在堆积时被架空，其下方就留有较大的空隙，使得所测的空隙率增大;机制砂棱角性好，颗粒规整，表面粗糙不易滑动，颗粒间空隙均匀，同样可以获得大的间隙率;天然砂颗粒圆润、表面光滑，棱角性很差，堆积时颗粒间易于滑动，间隙会被最大程度地填充，因此测得的间隙率较小。

2 细集料对沥青混合料体积特性的影响

试验所用各种石料都符合现行规范的要求。所使用的沥青为普通道路石油沥青，基本性能指标见表2。

2.1 沥青混合料类型选择

根据实际情况总结提出了SMA的级配范围。试验时所用级配见表3。

2.2 细集料对SMA体积特性的影响

3种细集料以相同比例加入到SMA-13中，在不同沥青用量下的各项体积指标见图1。

可以看出，在沥青用量增多之后，石屑SMA的VV迅速下降，产生这种现象是因为机制砂有良好的棱角性，良好的棱角性使得集料间的嵌锁能力更好，集料的流动能力弱，形成的骨架不会轻易地在沥青用量增大时就破坏。同时，沥青用量增大时，石屑SMA的VMA 减小、VFA增大说明石屑中组分未能有效同沥青结合而形成结构沥青，使得混合料中自由沥青迅速增多。

对于机制砂，混合料在油石比较小的时候，提高沥青用量，有效地提高了沥青的饱和度，而且此时粗骨架承受主要的压实功，所以VMA减小，同时沥青胶浆与玛蹄脂填充空隙，VV降低，提高沥青用量效果明显。继续增加沥青用量，SMA的体积组成保持稳定，说明细集料能同沥青有效结合，原因从力学理论角度分析，矿料与沥青的粘附发生在两种材料的界面上，所以矿料表面越粗糙，形成的沥青膜就会越厚;从化学角度分析，因为机制砂表面有很多良好的破碎面，当沥青进入集料表面时，会发生强烈的反应，这也使得机制砂与沥青结合得更好。

采用天然砂的SMA，油石比较小时，空隙率大、饱和度未能明显提高，这与常规的天然砂的沥青混合料空隙率一定小是不一样的，说明这种细集料对SMA体积特性的影响同样是有条件的。在沥青用量较小的情况下，天然砂由于棱角性较差，混合料在压实功作用下容易发生变形，但未能促使混合料逐步密实。正是因为这种易于变形，加上天然砂与沥青结合能力较弱，沥青玛蹄脂虽然体积增加，但整体的粘结力不大，碾压时天然砂中相对大的颗粒未能与沥青有效结合，而发生转动、移动等变形，从而干涉了粗集料形成的骨架，导致VMA、VV的提高。

本文所用的粗集料，其松散骨架间隙率VCADRC=39.6%。从图1中可以看出，3种沥青混合料中的粗集料骨架间隙率VCAmin都稍大于VCADRC，说明3种沥青混合料不是严格的骨架-密实型。从整体来看，石屑、天然砂沥青混合料的VCAmix普遍比机制砂沥青混合料的高，这对形成骨架密实结构是不利的。

2.3 细集料对AC体积特性的影响

试验选用的级配为AC-13，以4.3%的油石比，测试机制砂、石屑与天然砂沥青混合料的体积参数，其结果见表4。

从表4数据来看，细集料对混合料的VV有较大影响，石屑与机制砂的值基本相同，天然砂VV最大。此时说明天然砂与沥青的结合起着主导作用，其流动能力对碾压的贡献未能充分体现出来，这与前一节得出的结论相同。

体积参数VMA、VCAmix在AC-13中相差很小，因此在相同级配的AC-13中VMA、VCAmix受细集料影响较小，这与SMA-13所得的结论不同。其原因在于AC-13是悬浮密实型，粗骨料之间并没有形成骨架结构，细集料棱角性等差异对粗集料的结构不形成太大干扰。比较3种细集料的VFA可知，机制砂和石屑因为碱性与沥青结合良好，形成的沥青膜厚度大，因而VFA比天然砂沥青混合料的大。

2.4 细集料对沥青混合料最佳沥青用量的影响

选择上述3种细集料，以SMA-13级配为典型混合料，试验确定每种混合料的最佳沥青用量。马歇尔试验结果见表5与图2。

根据3种混合料的体积指标，确定各材料的容许油石比范围，根据这些范围就可以确定出3种沥青混合料各自的最佳油石比。

从表5中数据可知，机制砂沥青混合料最佳沥青用量最大，石屑沥青混合料居中，而天然砂沥青混合料的最佳沥青用量最小。原因是机制砂颗粒规整、破碎面多、洁净，所以表面与沥青粘附性好、结构沥青层厚、吸附沥青多;石屑虽然也有良好的破碎面，但其含泥量

大，导致其与沥青粘附较机制砂差、吸附沥青较少;天然砂颗粒接近球形、比表面积小、无破碎面，与沥青粘附性更差、吸附沥青更少。

3 结论

（1）棱角性好、破碎面多、洁净等优越性能使得机制砂能与沥青更好地结合，因此机制砂SMA 对提高沥青用量而保持强度稳定的能力优于石屑和天然砂。这样混合料的强度保持稳定，但变形能力自然提高，说明其低温抗裂性能改善的同时可保证高温稳定性。在SMA中，建议使用机制砂，少用或不用石屑和天然砂。

（2）天然砂对沥青混合料体积特性的影响是有条件的。天然砂的易流动性，一方面有利于混合料碾压密实，但如果沥青用量不足，或天然砂粒径过大，反而会不利于混合料的压实与结构强度的形成。

（3）在同一级配下，最佳沥青用量的大小顺序为：机制砂>石屑>天然砂。这与细集料颗粒规整与否、破碎面多少、洁净程度等性能正相关。

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