掺水泥对花岗岩复合集料SMA混合料路用性能的影响_杜军锋.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202208044开放科学（资源服务）标识码（OSID）掺水泥对花岗岩复合集料SMA 混合料路用性能的影响杜军锋（中交基础设施养护集团工程有限公司，北京100102）摘要：基于车辙试验、低温弯曲试验、冻融循环试验、四点弯曲疲劳试验，研究水泥掺量对掺花岗岩复合集料 SMA 混合料路用性能及疲劳性能的影响。结果表明：掺加水泥明显改善花岗岩复合集料 SMA 混合料的高温稳定性和降低车辙试验动稳定度对环境温度的敏感性；掺加 1%4%水泥可明显改善花岗岩复合集料 SMA 混合料的抗裂性能，同时增强 SMA 混合料的抗水损害耐久性和抗疲劳耐久性。但过多的水泥因分散不均匀导致花岗岩复合集料路用性能的增强作用不增反减，推荐适宜的水泥掺量为 2%3%。关键词：路面工程；花岗岩复合集料；掺水泥 SMA 混合料；水泥掺量；路用性能中图分类号：U416.217文献标志码：A文章编号：1003 8825(2023)01 0125 06 0 引言在各类沥青混合料中，集料的质量分数和体积分数均占到总体的 90%以上，集料所形成的骨架对车辆荷载应力传递和扩散均起到决定性作用。粗集料作为集料的一部分，沥青路面高温抗车辙性能主要取决于粗集料所形成的骨架嵌挤作用，美国SHRP 计划研究表明：集料对沥青路面高温抗车辙性能的贡献率为 71%；国内也有研究表明：沥青混合料的高温抗车辙能力有 60%依赖于矿料级配的嵌挤作用。粗集料表面的纹理影响沥青路面的长期抗滑性能，基于粗集料对沥青路面诸多路用性能起到关键作用，目前，国内多采用优质玄武岩、辉绿岩等优质集料生产表面层沥青混合料。但是，高质量玄武岩、辉绿岩储量很少且分布极不均匀，尤其对于新疆、内蒙、河南等地区，为了得到满足公路沥青路面施工规范（JTG F402004）质量要求的集料，往往需要从几百公里之外运输集料，这无疑增加了工程成本，也影响路面工程施工进度。花岗岩在我国大部分地区分布较为广泛，采用花岗岩代替部分玄武岩可以缓解优质集料缺乏这一难题。既有工程经验和室内研究成果表明1-4：以花岗岩为典型代表的酸性集料与沥青的黏附性较差，容易在水的作用下造成沥青膜剥落，采用花岗岩部分代替玄武岩势必会对沥青混合料的水稳定性等路用性能产生不利影响。对此，国内工程实践中有将花岗岩复合集料应用于受水影响不严苛的ATB 柔性基层，也有学者提出通过掺加抗剥落剂来提高花岗岩复合集料与沥青的黏附性。工程实践表明：抗剥落剂与沥青的相容性差、易产生离析，且国产大多抗剥落剂存在耐久性差、造价高、质量良莠不齐等问题5-7。目前，国内很少使用复合集料生产 SMA 混合料，较少涉及花岗岩复合集料 SMA 混合料的耐久性试验研究8-12。为了缓解沥青混合料用优质玄武岩短缺的问题，本文提出将花岗岩粗集料碎石与玄武岩碎石进行复配，同时通过掺加水泥代替矿粉作为碱性填料，来改善花岗岩复合集料 SMA 混合料的抗水损害等综合路用性能。基于车辙试验、低温弯曲试验、冻融循环试验和小梁疲劳试验，研究掺加水泥对花岗岩复合集料 SMA 混合料综合路用性能的影响趋势，最终推荐了适宜的水泥掺配比例。研究成果为花岗岩复合集料 SMA 混合料在路面工程中的应用提供参考。1 原材料与试验方案 1.1 试验原材料 1.1.1 SBS 改性沥青采用新疆克拉玛依生产的 SBS 改性沥青（I-C 收稿日期：2022 09 01作者简介：杜军锋（1978），男，北京人。高级工程师，主要从事高速公路建设与维修养护方面的工作。E-mail：。杜军锋：掺水泥对花岗岩复合集料 SMA 混合料路用性能的影响 125 类），符合 JTG F402004 规范要求，SBS 改性沥青主要技术指标，见表 1。表1SBS 改性沥青主要技术指标基本指标25 针入度/(0.1 mm)软化点/5 延度/cm135 黏度/(Pas)RTFOT/%质量变化残留针入度比试验结果46.772.337.52.150.0872.88技术要求 60.080.0 60.0 30.03.001.0060.00 1.1.2 粗集料1015 mm 粗集料采用花岗岩碎石、玄武岩碎石，由于二氧化硅含量高（一般大于 50%）导致花岗岩与沥青的黏附性较差，除黏附性较差外，花岗岩的力学性能与玄武岩差异不大。花岗岩比石灰岩有更好的力学性能和更小的吸水率，花岗岩集料吸水率小于玄武岩与石灰岩，可降低沥青混合料中自由沥青含量，对降低工程造价有利。粗集料主要物理力学指标，见表 2。表2粗集料主要物理力学指标粗集料类型压碎值/%磨耗值/%磨光值/BPN黏附性吸水率/%表观密度/（gcm3）针片状含量/%花岗岩12.79.643.030.232.9127.7玄武岩11.69.542.050.952.8938.3石灰岩22.419.540.251.142.68410.4规范要求 26.0 28.0 40.0 4级 2.002.50012.0 1.1.3 木质素纤维SMA 混合料存在最佳纤维掺量问题，纤维掺量少，纤维的“加筋”、“吸附稳定”、“增黏”作用不明显，超过最佳掺量后由于纤维分散不均匀、结团等导致纤维对沥青混合料路用性能的增强作用不增反降。根据工程实践经验，控制 SMA 中的木质素纤维掺量为 0.35%（纤维与集料质量比）。木质素纤维主要技术指标，见表 3，符合沥青路面用纤维（JTG/T 5332020）技术要求。表3木质素纤维主要技术指标项目试验结果技术要求0.15 mm质量通过率/%74.360.080.0灰分含量/%17.413.023.0pH值7.26.58.5吸油率/倍6.75.09.0含水率/%3.75.0质量损失（210，1 h）/%3.6，无燃烧6.0，且无燃烧木质素纤维含量/%93.685.0最大长度/mm4.06.0平均长度/mm2.4实测 1.2 试验方案固定花岗岩粗集料掺量，以 1%4%水泥等质量替代矿粉添加到 SMA 混合料中，基于常规路用性能试验（高温车辙试验、10 低温弯曲试验、冻融劈裂试验）与四点弯曲疲劳试验，推荐适宜的水泥掺量范围。2 掺花岗岩 SMA 混合料配合比设计筛分试验结果及 SMA-13 混合料合成级配，见表 4。1015 mm 花岗岩粗集料占 30%，510 mm 玄武岩粗集料占 23%，03 mm 和 35 mm两档细集料采用石灰岩机制砂分别占 6%、35%，矿粉与水泥混合填料占集料总质量的 5%。表4集料筛分试验结果及 SMA-13 混合料合成级配筛孔/mm原材料筛分通过百分率/%规范要求/%1015 mm花岗岩510 mm玄武岩35 mm03 mm矿粉、水泥合成级配下限上限16100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.013.278.9100.0100.0100.0100.096.290.0100.09.57.166.4100.0100.0100.071.450.075.04.7501.092.760.1100.031.220.034.02.3600.73.551.6100.024.215.026.01.1800.60.745.3100.020.314.024.00.600039.5100.017.212.020.00.300027.899.613.410.016.00.1500020.091.210.49.013.00.07500017.089.39.48.012.0比例30236365100 室内制备 SMA 混合料时纤维的掺加方式采用“干法”工艺，为避免木质素纤维在混合料中结团、分散不均匀等现象，在 JTG F402004 推荐拌和时间基础上增加纤维与集料干拌时间 10 秒。水泥与矿粉混合后添加到 SMA 混合料中，增加矿粉、水泥复合填料与集料拌和时间 5 秒。控制路基工程 126 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）SMA 混合料的马歇尔击实温度为 165170，0%4%水泥掺量下的马歇尔试件体积参数和最佳油石比试验结果，见表 5。表5马歇尔配合比设计结果水泥掺量/%OAC/%VV/%VCAmix/%VCADRC/%VMA/%VFA/%MS/kN05.71 4.0241.742.818.277.911.1515.88 3.8341.742.818.178.811.4626.12 4.0141.742.818.578.312.2336.35 4.0241.742.818.778.512.5646.47 3.9441.742.818.378.512.75规范要求36VCAmixVCADR 17 7585 6 掺加 4.00%水泥后，最佳沥青用量由 5.71%增大至 6.47%，随着水泥掺量增大，最佳沥青用量增大主要是水泥的比表面积大于矿粉，碱性水泥能很好地吸附酸性沥青，增加了集料表面的沥青胶浆厚度。根据沥青混合料的水稳定性与抗疲劳性能与沥青用量的关系，水泥替代矿粉后沥青膜厚度的增大势必会增加花岗岩复合集料 SMA 混合料的水稳定性能与抗疲劳性能。对比孔隙率（VV）、矿料间隙率（VMA）、沥青饱和度（VFA）体积指标可以发现，水泥等质量替代矿粉后并未显著改变SMA 混合料的体积参数，在 1.00%4.00%水泥掺量下，水泥不会干涉 SMA 矿料级配的骨架结构。3 不同水泥掺量复合集料 SMA 混合料路用性能 3.1 不同水泥掺量复合 SMA 混合料高温稳定性沥青路面的高温稳定性受行车条件（行车荷载、行车速度）、环境因素（高温、降雨）等因素影响显著，尤其是在高温、重载、低行驶速度下，沥青路面极易产生车辙病害。因高温性能不足而产生的沥青路面车辙病害是我国高速公路沥青路面的病害之首，针对我国近年来多地区频发的极端高温天气，本文在车辙试验标准温度 60 基础上增加了 70 车辙试验，此外，为模拟中温条件下的疲劳型车辙病害，亦为拟合回归车辙试验动稳定度（DS）与试验温度的关系，增加了 40 车辙试验。车辙试验的试件制备、胶轮轮压、胶轮行走速率均按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTG E202011）中 T07192011 进行，试验温度分别采用 40、50、60、70，车辙试验动稳定度取对数与试验温度线性拟合结果，见图 1。SMA 沥青混合料的动稳定度达到了 6 000 次/mm以上，抗车辙性能优异，水泥等质量替代部分矿粉后，花岗岩复合集料 SMA 混合料的车辙试验稳定度进一步提高。以 60 车辙试验为例，0%、1%、2%、3%、4%水泥替代部分矿粉后，SMA 混合料动稳定度分别达到 6 389、7 809、8 941、10 534、7 702 次/mm，掺加水泥后 SMA 混合料的动稳定度增大了 20.6%64.9%。404550556065703.23.43.63.84.04.2lgDS0%1%2%3%4%y=0.02211x+5.132(R2=0.987)y=0.02114x+5.161(R2=0.993)y=0.02111x+5.218(R2=0.997)y=0.02084x+5.261(R2=0.990)y=0.02094x+5.143(R2=0.979)试验温度/图1不同水泥掺量 SMA 混合料车辙试验结果 相同试验温度，随着水泥掺量增大，花岗岩复合集料 SMA 混合料的动稳定度先增大后减小，在2%3%水泥掺量时动稳定度达到峰值，表明在2%3%水泥掺量下花岗岩复合集料 SMA 混合料的高温性能最优。掺加水泥后，车辙试验动稳定度的对数（lgDS）与试验温度之间的线性拟合曲线斜率绝对值随水泥掺量增大先减小后增大，在水泥掺量为2%3%时拟合斜率达到最小值，表明在 2%3%水泥掺量下车辙动稳定度对温度的敏感性最低。分析其原因，水泥的比表面大，碱性水泥与酸性沥青发生化学反应产生自由基耦合形成交联键，更有利于提高沥青胶浆与集料的黏附强度以及沥青胶浆内部的黏结强度，从而改善沥青的抗变形能力。3.2 不同水泥掺量复合集料 SMA 混合料低温抗裂性采用10 小梁弯曲