粗集料针片状颗粒含量对沥青混凝土性能的影响研究

刘曼曼，王 磊，刘亚涛

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北 宜昌 443002）

沥青混凝土路面具有行车舒适、耐久性好、低噪音等一系列的优势，这一路面形式在我国等级公路的建设中被广泛使用[1]。集料是沥青混凝土路面的主要构成，其占到路面体积的90%以上[2]。因此，集料质量的好坏将直接影响到沥青混凝土路面的性能。针片状颗粒含量是评价粗集料质量好坏的重要技术指标之一。根据JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》中的定义，粗集料中针片状颗粒指最大长度（或宽度）方向与最小厚度（或直径）方向的尺寸之比大于3倍的颗粒[3]。

粗集料在沥青混凝土中主要起形成骨架的作用，从而为路面提供承载力[4]。因而粗集料的形态关乎颗粒间接触的有效性以及骨架结构的稳定性等，最终将产生的影响反馈至沥青混凝土的路用性能上，这就要求制备粗集料时应有效控制其针片状颗粒的含量。在JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中，对于粒径连续变化的混合态粗集料应用于高速公路及一级公路表面层时，要求针片状颗粒含量不超过15%；当其应用于其他层时，要求针片状颗粒含量不超过18%[5]。而在实际工程中发现，当粗集料针片状颗粒含量较高时，即使其仍然满足技术规范的要求，沥青混凝土的压实性、强度、抗变形性能等指标均表现不佳。一方面，部分指标数值上波动显著；另一方面，某些指标存在不满足路面设计要求的情况。

考虑到粗集料针片状颗粒含量对沥青混凝土的性能影响显著，且目前技术规范对粗集料针片状颗粒含量的限定可能存在不恰当的情形，本研究以常用的玄武岩粗集料为研究对象，重点考察了常用玄武岩粗集料针片状颗粒含量对沥青混凝土压实性、强度以及抗变形性能的影响。基于试验结果，推荐粗集料针片状颗粒含量的适宜控制值，为日后相关技术规范的修订提供一定的参考。

1 原材料

为使相关研究能与实际工程相适应，本研究采用高等级公路上面层建设常用的原材料类型。粗集料和细集料均采用玄武岩，通过调整粗集料中针片状颗粒的含量，准备针片状颗粒含量分别为0、5%、10%、15%和20%的5种玄武岩粗集料；填料采用石灰石磨制而成的矿粉；胶结料采用苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SBS）改性沥青。

2 试验方法

基于马歇尔方法设计沥青混凝土：设计级配类型为AC-13的沥青混凝土，由于本研究涉及5种不同针片状颗粒含量的玄武岩粗集料，则共需设计5种沥青混凝土。除了粗集料，每种沥青混凝土所用其他原材料类型均一致，见表1。沥青混凝土设计空隙率为4%~5%。

表1 沥青混凝土的原材料构成

基于马歇尔击实试验分析沥青混凝土的压实特性：对于每一种沥青混凝土，采用马歇尔击实仪成型沥青混凝土试件多个，试件尺寸为φ101.6 mm×（63.5±1.3）mm，测试试件的空隙率。通过分析沥青混凝土试件空隙率的变化特点确定粗集料针片状颗粒含量对沥青混凝土压实状态的影响。

基于劈裂试验分析沥青混凝土的强度：同上，对于每一种沥青混凝土，采用马歇尔击实仪成型尺寸为φ101.6 mm×（63.5±1.3）mm的沥青混凝土试件多个，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[6]测试试件在常温下的劈裂强度。分析粗集料针片状颗粒含量对沥青混凝土强度的影响。

基于车辙试验分析沥青混凝土的抗变形性能：对于每一种沥青混凝土，采用轮碾仪成型尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的沥青混凝土试件多个。按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[6]，在60℃环境下，采用胎压为0.7 MPa的钢轮往复碾压沥青混凝土试件，记录试件的实时变形量（车辙深度），按照式（1）计算沥青混凝土试件的动稳定度。基于动稳定度结果分析粗集料针片状颗粒含量对沥青混凝土抗变形性能的影响。

式中，DS为动稳定度，单位为次/mm；S为钢轮往复运动的速度；l45和l60分别是测试时间为45 min和60 min时，试件的车辙深度，单位为mm。

3 结果与讨论

马歇尔击实仪成型的沥青混凝土试件空隙率测试结果如图1所示，可见不同沥青混凝土的压实特性存在明显区别。对于M0、M5和M10，每种沥青混凝土对应的5个平行试件，空隙率均在4%~5%范围内波动；而对于M15和M20，情况则大为不同，这两种沥青混凝土均出现了空隙率介于2.5%~3.5%之间的试件。表面上看，随着玄武岩粗集料针片状颗粒含量的提高，沥青混凝土变得更易于压实，但这并非沥青混凝土的真实压实状态。将这些空隙率明显小于平均水平的击实试件进行二次加热，使其松散变成粒状混合料，通过观察粗集料颗粒的状态发现，这些试件空隙率过小主要是由于部分粗集料颗粒在沥青混凝土试件成型过程中被击碎，而这些粗集料颗粒绝大多数又都属于针片状颗粒。因此，空隙率的减小并非意味着沥青混凝土更易压实，并不能反映沥青混凝土的真实压实状态。针片状颗粒含量的提高实则破坏了粗集料颗粒间的嵌挤作用和骨架结构的稳定性。在设计沥青混凝土时，同样发现了这一现象，为保证设计的正确性，将空隙率明显异于同类型平均水平的试件剔除。

图1 马歇尔试件的空隙率

沥青混凝土的劈裂强度测试结果如图2所示，从图中可以看出玄武岩粗集料针片状颗粒含量对沥青混凝土的强度影响显著。具体来看，当针片状颗粒含量处于5%的较低水平时，沥青混凝土的强度没有受到明显影响，相反强度有所提高，这说明沥青混凝土的强度是多方面因素复合作用的结果。随着玄武岩粗集料针片状颗粒含量的进一步提高，沥青混凝土的强度表现出持续下降的趋势。尤其当针片状颗粒含量超过10%时，沥青混凝土强度的下降尤为明显；当针片状颗粒含量达到20%时，沥青混凝土的强度衰减了20%以上。因此，从强度方面考虑，建议将粗集料针片状颗粒控制在10%以内。

图2 马歇尔试件的劈裂强度

沥青混凝土板状试件的动稳定度结果如图3所示，从图3中可以看出，玄武岩粗集料针片状颗粒含量同样显著影响沥青混凝土的抗变形性能。随着针片状颗粒含量的增加，虽然沥青混凝土试件的动稳定度未表现出持续下降的特征，但相比于不含针片状颗粒的沥青混凝土，含针片状颗粒的沥青混凝土动稳定度均不同程度的下降，说明针片状颗粒使沥青混凝土的抗变形性能变差。但当针片状颗粒含量从15%提高到20%时，沥青混凝土试件的动稳定度不降反升，这一特殊情况的出现同样和针片状颗粒的碎裂有关。车辙试验结束后，再次加热针片状颗粒含量为20%的沥青混凝土试件（M20），使其软化为粒状混合料，同样观察到较多在沥青混凝土试件成型过程中被压碎的针片状颗粒，而在针片状颗粒含量为15%的粒状混合料（M15）中则较少观察到被压碎的针片状颗粒。这一方面说明在制备沥青混凝土试件时，轮碾仪施加给沥青混凝土的作用相比马歇尔击实仪更加柔和；另一方面也说明M20动稳定度的提高主要是因为针片状颗粒的碎裂使沥青混凝土试件在车辙试验前期变得更加“密实”而引起的，这一点从沥青混凝土车辙深度的变化也可得到印证。

图3 沥青混凝土试件的动稳定度

沥青混凝土试件经历30 min轮碾作用后产生的车辙变形情况如图4所示，可见当针片状颗粒含量由0%增加到15%，沥青混凝土试件的车辙深度增加了1.2 mm；而当针片状颗粒含量由15%增加到20%，沥青混凝土试件的车辙深度就增加了2 mm，说明M20在车辙试验前期变形量非常大。而试验后期（45 min~60 min）产生变形则变得相对困难，阶段性变形量变小，因而动稳定度表现出一定程度的上升。但实则沥青混凝土骨架已经遭到破坏，稳定性在车辙试验前期就已经丧失。根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，我国夏炎热区、夏热区和夏凉区用改性沥青混凝土动稳定度的最低要求分别是不小于2 400次/mm、2 000次/mm和1 800次/mm[5]，可见M15的适用范围较窄。因此，从沥青混凝土的抗变形性能方面考虑，同样建议将粗集料针片状颗粒控制在10%以内。

图4 车辙试验30 min时沥青混凝土试件的车辙深度

4 结论

通过马歇尔击实试验、劈裂试验和车辙试验研究了玄武岩粗集料针片状颗粒含量对沥青混凝土压实性、强度、抗变形性能的影响。结果表明，随着玄武岩粗集料针片状颗粒含量的增加，针片状颗粒易在沥青混凝土试件的成型过程中发生碎裂，从而影响沥青混凝土的性能。从压实状态、强度及抗变形性能方面综合考虑，建议将粗集料针片状颗粒控制在10%以内。