中性岩质机制砂对沥青砂浆力学性能的影响研究

卢 旭， 吴延凯， 陈 搏

(1.保利长大工程有限公司， 广州 510620； 2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司， 广州 510640)

沥青混合料主要由粗集料、细集料、粉料、胶结料、空隙组成，其中细集料起着重要的填充作用[1-3]。因而细集料的规格级配、几何特性、岩性、用量等均为沥青混合料设计过程须重点考虑的参数。马士宾等采用不同棱角的细集料制备了沥青混合料试件，研究了集料棱角对沥青路面抗车辙性能的影响[4]。康健采用玄武岩、石灰岩和天然砂等细集料进行了沥青混合料设计研究，探索了细集料掺量对沥青路面高温稳定性与水稳定性的影响[5]。姚形傲等采用显微镜测量细集料形貌，构建了分维数表征模型，并系统开展了不同形貌细集料对沥青路面的性能影响研究[6]。王大庆针对细集料的形貌建立了几何评价指标，并深入开展不同几何特性的细集料对混合料路用性能的影响研究[7]。然而，这些研究主要聚焦于细集料的物理形态与结构强度等研究上，关于细集料岩性对混合料性能的影响研究并不多。

不同矿物组成的集料会直接影响与沥青的黏附紧密性，从而决定了沥青混合料的力学强度、高低温性能及耐久性。此外，近年来不少研究发现，集料与沥青的附着力不足也是引发沥青路面水损害的主要原因[8-9]。Luo等和Zhang试验研究表明，相比沥青胶结料的性能，集料的表面特性对沥青路面的抗水损害的影响更为显著[10-11]。Fletcher等采用CT和图像技术定量分析了沥青混合料结构组成，并从混合料细观组成特性研究了路用性能的影响因素[12]。国内外关于机制砂对沥青混合料的性能影响研究较多，主要集中于集料的棱角性、粒型、表面纹理等几何特性方面。中国对于混合料的研究也逐步进入微细观层面，重点开展了集料物理力学、沥青性能和沥青混合料上。经过多年研究，目前沥青路用细集料主要采用优质岩石破碎的机制砂，然而主要在于规范层面上进行使用与研究，对于集料岩性尤其是机制砂岩性的深入研究较少[13-14]。石灰岩机制砂以其良好的沥青黏附性，得到广泛应用。但是由于区域岩石资源的不均匀分布，建设项目沿线往往存在不同岩性的母岩，其中包括常见的中性硬质岩石(闪长岩、辉绿岩、玄武岩等)，如何更好发挥中性岩质机制砂的应用效果，具有重大的工程价值与环保意义。

因此，为指导不同岩性机制砂在沥青路面的工程应用，本文选择了3种常见的不同机制砂作为主要研究对象。首先对其矿物成分以及原材料性能开展试验分析，然后对不同岩性机制砂成型沥青砂浆混合料的力学强度、水稳定性开展试验，从更为直接的砂浆性能角度评价机制砂岩性对沥青路面胶结性能的影响，为中性岩质机制砂在沥青路面的应用提供技术支撑。

1 原材料

1.1 机制砂规格

选择花岗岩石屑(0～5 mm)、石灰岩机制砂(0～3 mm)、辉绿岩机制砂(0～3 mm)3种机制砂，开展水洗法筛分试验。机制砂级配见表1。

表1 机制砂级配

由表1分析可得，对于石灰岩机制砂和辉绿岩机制砂，1.18筛孔通过率略小，机制砂整体偏粗。此外，筛分试验结果表明，辉绿岩机制砂的0.075 mm筛孔通过率最小，为9.6%；石灰岩机制砂的0.075 mm筛孔通过率次之，为10.5%；花岗岩石屑的0.075 mm筛孔通过率最大，为14.7%。一方面与机制砂加工的工艺有关，花岗岩机制砂主要采用鄂式破碎+圆锥式破碎的两级破碎工艺，而石灰岩与辉绿岩机制砂使用鄂式破碎+锤式破碎+反击式破碎+制砂机等多级破碎工艺，因此石灰岩、辉绿岩机制砂的粒形比花岗岩石屑粒形更好；另一方面，机制砂粒形受母岩的成分和强度影响，花岗岩容易形成片状破碎面，而石灰岩容易摩擦起粉，辉绿岩强度高起粉少。

1.2 机制砂技术指标

按照《集料试验规程》测定表观密度、坚固性、砂当量、亚甲蓝、棱角性等指标，见表2。

表2 3种岩性机制砂技术指标

由表2分析可得，辉绿岩机制砂的表观相对密度最大，其次是石灰岩机制砂，花岗岩机制砂密度最小，主要与岩石的矿物成分与其致密程度有关。坚固性指标显示，辉绿岩机制砂的坚固性损失最小，花岗岩与石灰岩较大，说明辉绿岩机制砂经过饱和硫酸钠溶液多次浸泡与烘干循环过程中，其矿物成分的安定性最好。辉绿岩机制砂的砂当量指标最高，花岗岩机制砂砂当量指标最小，说明辉绿岩机制砂的0.075 mm以下基本都是矿粉，洁净度较高；石灰岩接近度次之；花岗岩机制砂洁净度最差。不同机制砂的亚甲蓝值试验结果也体现了一样的规律。根据3种机制砂流动时间结果，辉绿岩机制砂的流动时间最长，石灰岩次之，花岗岩最小。使用辉绿岩机制砂掺配沥青混合料有助于提升混合料的嵌挤能力。

1.3 沥青材料

为了突显机制砂材料特性，避免改性沥青胶结性能干扰试验结果，研究过程选择广东高速公路常用的70号重交基质沥青，其性能见表3。经试验检测，基质沥青的各项指标均符合规范要求。

1.4 矿粉材料

矿粉选用德庆县罗洪石矿场的石灰岩碎石自行加工磨细矿粉，检测结果见表4，矿粉各项指标均能满足要求。

2 机制砂岩性测试与评定

集料表面官能团与酸碱特性是影响沥青黏附性的重要因素，本研究主要采用X射线衍射仪对不同岩性机制砂矿物成分进行测试。X射线衍射仪主要通过发射短波电磁波穿透被测材料，X射线收到物体晶体原子的散射，产生的散射波又形成衍射，进而可获得晶体结构。选择3种机制砂(花岗岩、石灰岩、辉绿岩)，岩样如图1所示。

图1 集料岩样

筛分不同岩性机制砂，选取0.045 mm左右的粉体进行测试。使用型号XRD-6000衍射仪，采用2θ/θ连续扫描，采样步宽为0.02°，扫描速度为2°/min。获得岩样的衍射图谱后，利用Jade 6数据处理软件对集料的矿物组成进行计算分析。从表5数据可看出，所选取的花岗岩样品主要成分为石英、钠长石、绿锥石、云母、绿泥石，石灰岩样品的主要成分为方解石、石英、白云石、云母，辉绿岩样品的主要成分为辉石、霞石、拉长石、单斜硼镁石、尖晶石。根据化学式与质量分数计算得SiO2含量，花岗岩的SiO2含量最高，辉绿岩次之，石灰岩最低。沥青混合料关于石料酸碱性判别依据为：SiO2含量大于65%为酸性岩石，52%～65%为中性岩石，45%以下为基性(碱性)岩石。因此，所选花岗岩为酸性岩，石灰岩为碱性岩，辉绿岩为中性岩。

表5 不同岩石成分

3 沥青砂浆配合比设计

3.1 级配的选择

根据相关研究[7]，选择机制砂的目标级配见表6。

表6 机制砂目标级配

3.2 沥青砂浆最佳油石比的确定

根据沥青砂浆相关研究成果，借鉴文献[15]提出的方法确定砂浆油石比。

1)制备不同矿粉比例的沥青胶浆，测试胶浆软化点，确定软化点差值为11 ℃时的矿粉掺量。

2)计算有效沥青含量Pbe。

(1)

式中：P0.075为混合料0.075 mm 筛孔通过率，%；FB为最佳粉胶比。

3)机制砂的合成表观相对密度直接采用原材料实测的表观相对密度等效。

4)测试机制砂的有效相对密度γse。

(2)

式中：Pb为沥青用量，%；γt为沥青砂浆相对密度；γb为沥青相对密度。

5)计算沥青被集料吸收的比例Pba。

(3)

式中:rsb为机制砂的合成毛体积相对密度。

6)计算沥青含量Pb。

(4)

7)预估油石比Pa及矿粉用量Pk。

(5)

(6)

8)先预估一个油石比，然后以1%为间隔成型5种以上油石比试件，绘制抗压、劈裂强度与油石比的关系曲线，力学性能峰值对应的油石比为最佳油石比。

9)采用不同机制砂密度指标，重复上述步骤确定不同机制砂砂浆的油石比。最终确定石灰岩沥青砂浆的最佳油石比Pa=9.0%；花岗岩机制砂沥青砂浆的最佳油石比为9.2%；辉绿岩质沥青砂浆的最佳油石比为9.3%。

10)采用马歇尔击实法，双面击实50次，成型圆柱体试件。

4 试验结果分析

4.1 抗压强度

通过沥青砂浆试件的抗压强度测试，研究机制砂岩性对沥青砂浆抗压强度的影响。试验温度为20 ℃，加载速率为2 mm/min，试验仪器采用美国MTS810材料试验系统(最大试验力100 kN，传感器精度0.001 N)。试验过程如图2所示。

图2 单轴压缩试验过程

花岗岩、石灰岩、辉绿岩机制砂的抗压强度试验结果如图3所示。不同机制砂组成的沥青砂浆抗压强度由高到低依次为辉绿岩、石灰岩、花岗岩。与石灰岩沥青砂浆相比，花岗岩机制砂砂浆的抗压强度降低约2.5%，而采用辉绿岩机制砂后，砂浆的抗压强度增加0.73 MPa，提高率达到12%。因此，基于沥青砂浆的单轴抗压强度，中性岩质机制砂明显优于石灰岩机制砂与花岗岩机制砂。

图3 3种沥青砂浆抗压强度

4.2 抗水损性能

沥青路面水损害是南方多雨区路面的典型早期病害。目前我国规范采用的水稳定性试验方法为冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验。冻融劈裂试验将经过冻融循环的试件进行劈裂加载，测定冻融后与未冻融的劈裂强度比。浸水马歇尔试验通过浸水48 h的试件稳定度与浸水30 min的马歇尔试件稳定度比值，以评价沥青混合料受水损害时抵抗剥落的能力。

4.2.1 冻融劈裂试验

由图4可知，不同机制砂砂浆的冻融劈裂抗拉强度水平，辉绿岩机制砂未冻融与冻融后的劈裂抗拉强度均最高，石灰岩机制砂次之，花岗岩最小。以石灰岩砂浆为基准，花岗岩砂浆的冻融前抗拉强度约为石灰岩砂浆的90%，冻融后的抗拉强度约为石灰岩砂浆的80.7%；辉绿岩砂浆冻融前抗拉强度比石灰岩砂浆高17.4%，冻融后的抗拉强度比石灰岩砂浆高6.1%。此外，即使是冻融后，辉绿岩砂浆的抗拉强度比石灰岩砂浆未冻融时的强度还高。

当前，各个高校都已经构建了校园安保系统，同时也建立了校园安全视频中心，虽然能够通过监控录像还原一些事件的情形，但是并没有使用太多的智能化技术，缺少智能识别、预警、视频摘要等功能[6]。为了能够完善安保监控网络的功能，需要对整个网络进行升级，引入智能视频监控云系统，并加入智能识别的功能，从而进行视频摘要并推送到云端进行搜索。

图4 3种砂浆冻融前后的劈裂强度

但从残留强度指标(图5)看，3种砂浆试件的TSR值均满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40—2004 要求的 TSR≥75的要求。其中石灰岩的TSR值最高，花岗岩最小。但是不能就此说明石灰岩砂浆的水稳定性最好，只能表征石灰岩砂浆抗水损能力比较稳定。评价混合料水稳定性好坏，不仅看残留强度比值的大小，还应关注强度水平的高低。综上所述，辉绿岩机制砂的砂浆水稳定性略优于石灰岩，说明硬质中性岩质机制砂对沥青混合料抗水损能力也有一定的提升作用。但为了提供较稳定的抗水损强度，建议在辉绿岩机制砂混合料配比添加适量的抗剥落剂。

图5 3种砂浆残留强度比

4.2.2 浸水马歇尔试验

由图6可以看出，浸水前后的马歇尔稳定度均为辉绿岩机制砂砂浆试件最高，石灰岩次之，花岗岩最小。其中以石灰岩砂浆稳定度值为标准，浸水前花岗岩砂浆的马歇尔稳定度约为85.4%，浸水后的花岗岩砂浆稳定度约为石灰岩砂浆的69.1%。而对于辉绿岩砂浆，浸水前其稳定度比石灰岩高10.1%，浸水后稳定度高约4.2%。说明无论是浸水前后，辉绿岩机制砂成型的砂浆均有更好的抗变形破坏能力，这与集料的岩石强度有较大关系，即使是机制砂，只要其强度高，依然能够提供一定的嵌挤力，同时，中性岩质的辉绿岩与沥青黏结强度优于花岗岩，所以浸水后的强度衰减比花岗岩更小。

图6 3种砂浆浸水前后马歇尔稳定度

图7 3种砂浆残留稳定度比

计算3种砂浆的残留稳定度比值，如图7所示，可以看出，经过恒温水槽浸泡48 h后，花岗岩砂浆的残留稳定度最小，仅73.7%；辉绿岩砂浆与石灰岩砂浆残留稳定度满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40—2004 要求。石灰岩砂浆残留稳定度最高，达91.1%，辉绿岩砂浆为86.2%。进一步分析，由于3种机制砂岩性的差异，酸性岩质花岗岩机制砂与沥青黏附性最差，碱性岩质的石灰岩机制砂与沥青黏附性最好，因此石灰岩机制砂砂浆的浸水稳定性最优；但是辉绿岩强度最高，机制砂中相对粗的颗粒亦能形成一定的微骨架结构，在一定程度上增强了其水稳定性，可通过适量使用抗剥落剂进一步提高中性机制砂与沥青的黏结性能，从而保证抗水损能力。

5 结论

1)采用X射线衍射仪进行矿物成分测试，所选机制砂岩样中，花岗岩以钠长石为主，SiO2含量最高，为酸性岩；辉绿岩以辉石、长石、霞石为主，SiO2含量次之，为中性岩；石灰岩以方解石、石英为主，SiO2含量最低，为碱性岩。

2)花岗岩沥青砂浆的抗压强度比石灰岩沥青砂浆抗压强度略低2.5%；而辉绿岩沥青砂浆的抗压强度相比石灰岩沥青砂浆增加了12%，中性岩质机制砂抗压强度明显优于石灰岩机制砂。

3)冻融试验结果显示，从残留强度指标看，石灰岩最高(96.9%)，辉绿岩次之(87.6%)，花岗岩最小(86.9%)；从冻融前后的劈裂强度来看，即使是冻融后，辉绿岩砂浆的抗拉强度比石灰岩砂浆未冻融时的强度还高，因此，评价混合料水稳定性好坏，不仅看残留强度比值的大小，还应关注强度水平。

4)浸水试验结果表明，石灰岩沥青砂浆的残留稳定度比最高(91.1%)，辉绿岩沥青砂浆次之(86.2%)，花岗岩沥青砂浆最小(73.7%)，说明机制砂岩性的差异对浸水马歇尔残留稳定度指标影响显著；其中辉绿岩强度最高，机制砂中的粗颗粒亦能形成微骨架结构，一定程度上增强了其浸水强度。