砂岩沥青混合料的路用性能分析

吴迪

摘要：随着沥青路面所占比重的提高，优质粗集料的有效保证是沥青路面质量的保证，应用较为广泛的石灰岩等在诸多地区储量较少且质量较差，这就要求寻求其它优质的能满足高等级沥青路面面层技术要求的岩石来缓解这个矛盾，为此，对一些硬质岩石的路用性能进行了一些探索性的试验研究，本文对某处砂岩用作高速公路沥青路面下面层ATB-25的可行性进行了较为详细的试验研究，以供参考。

关键词：砂岩沥青混合料；路用性能；低温；稳定性；

1选用原材料性质

（1）所用砂岩经过岩性鉴定，为钙质长石石英砂岩，结构致密，质地坚硬（母岩饱水抗压强度达105.9MPa，强度比达94.7%），方解石，滴盐酸后有产生微量气泡。

（2）砂岩集料不同采样地点样品的压碎值和表观相对密度几乎无差别，吸水率虽有微小差异，但差异不大，砂岩材质分布比较均匀。

（3）砂岩集料的技术性质如密度、吸水率、针片状含量、含泥量等均满足规范对集料的技术要求；

（4）砂岩集料压碎值、洛杉矶磨耗值在高温、高温后水煮、及常规试验三种试验条件相比指标变化不大，性质比较稳定，且显著优于石灰岩。

（5）所选用砂岩黏附性等级为3级，石灰岩的黏附性等级为5级。此外，砂岩经高温煮沸后的黏附性很稳定，与常规试验条件下相同。

2 方案概述

通过改善砂岩集料粘附性，提升集料路用性能，满足使用寿命要求以满足砂岩在沥青路面工程中应用。本研究对不同组合设计方案下的砂岩沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性进行了大量室内试验。在最佳级配和最佳油石比下、采取不同的抗剥落措施方案，以某方案为对比组，进行混合料性能验证比较分析。各组合设计方案如表1所示。

表1试验方案组成设计

方案 编号	粗集料	细集料 （石灰岩）	矿粉及抗剥落添加材料
			矿粉（%）	消石灰（%）	水泥（%）	抗剥落剂
A	砂岩	白色	3.5
B	砂岩	白色	2.5	1
C	砂岩	白色	2.5		1
D	砂岩	白色	2.5	1		
E	石灰岩	白色	3.0
X	砂岩	青色	2.5		1	
Y	砂岩	青色	2.5		1
Z	砂岩	白色	2.5		1	

3 砂岩沥青混合料的路用性能分析

3.1 高温稳定性对比分析

车辙是沥青路面最具危害的病害之一，目前，世界上广泛采用室内车辙试验机进行沥青混合料的高温性能试验。采用车辙试验来评价不同方案制备的砂岩沥青混合料的路用性能。

（一）砂岩混合料（A）与石灰岩混合料（E）高温性能对比分析

图1 砂岩混合料与石灰岩混合料高温性能对比

由图1可知，含砂岩粗集料的ATB-25混合料的动稳定度显著高于纯石灰岩混合料，且石灰岩车辙深度最深。表明采用砂岩粗集料特换掉原来的石灰岩粗集料后，沥青混合料的高温抗车辙能力有所增强。

（二）不同抗剥落添加剂的混合料（

A、B、C、D、X）高温性能对比分析

图2 不同抗剥落添加剂的混合料高温性能对比

由图2可知，比较方案A、B、C，在沥青混合料高温性能中，适当掺量水泥的效果最优、矿粉次之，最后是消石灰；比较方案C和X可以发现，掺加水泥/抗剥落剂比水泥更有利于改善砂岩沥青混合料的高温稳定性，而比较方案B和D可以发现，消石灰/抗剥落剂组合比只加入消石灰的改善效果更好。综合比较，水泥/抗剥落剂的改善效果最好。

（三）含不同细集料的砂岩混合料（D、X和Y、Z）高温性能对比

图3 含不同细集料的砂岩混合料高温性能对比

由图3可知，方案D（白色石灰岩）与方案X（青色石灰岩）的动稳定度相差不大，方案Y（青色石灰岩）方案Z（白色石灰岩）的动稳定度也无明显差别，表明青色石灰岩混合料的高温稳定性无差别。

（四）消石灰/抗剥落剂组合（D）与水泥/抗剥落剂组合（Z）高温性能对比

图4 消石灰/抗剥落剂组合与水泥/抗剥落剂组合的高温性能对比

由图4可知，采用消石灰/抗剥落剂的抗剥落组合方案D混合料的动稳定度大于采用水泥/抗剥落剂组合方案Z，表明同等条件下，采用消石灰/抗剥落剂组合的高温改善效果比水泥/抗剥落剂组合好。

（五）水泥/抗剥落剂组合（X）与掺加水泥（Y）高温性能对比

图5 水泥/抗剥落剂组合（X）与掺加水泥（Y）高温性能对比

由图5可知，对于掺加青色石灰岩细集料的砂岩粗集料+青色石灰岩细集料矿料组成的混合料而言，水泥/抗剥落剂组合方案（X）混合料的动稳定度值显著高于单纯掺加水泥方案Y，这说明当采用青色石灰岩细集料时，掺入适量抗剥落剂能显著提高沥青混合料的高温性能。由前面分析可知，即使不采取抗剥落处理，其动稳定度指标也远高于规范要求和对比组的纯石灰岩混合料。

3.2 低温性能对比分析

沥青路面的低温开裂不仅破坏了路面的连续性和整体性，而且裂缝中积水会对路基造成严重影响，导致路面承载能力下降，加速路面的破坏，严重危及道路的使用寿命和质量。沥青路面的低温抗裂性主要取决于沥青的低温拉伸变形性能，沥青结合料的性能起到至关重要的作用，其影响率高达到90%。采用室内低温小梁弯曲试验来评价砂岩沥青混合料的低温性能。试验结果见表2。

图6 低温弯曲试验

表2 小梁低温弯曲试验结果

方案	最大荷载（N）	破坏时跨中挠度（mm）	抗弯拉强度（MPa）	最大弯拉应变（10-6）	弯曲劲度模量（MPa）
A	1351.75	0.296325	11.03	1556	7089
B	1042	0.2856	8.51	1499	5677
C	1096	0.2261	8.95	1187	7540
D	1101.3	0.3279667	8.99	1500	5993
E	1038.5	0.23015	8.48	1208	7020
X	1332	0.2585	10.87	1357	8010
Y	1280.25	0.2788	10.45	1459	7162
Z	1376.7	0.2495333	11.24	1310	8580

（一）砂岩混合料（A）与石灰岩混合料（E）低温性能对比分析

图7 砂岩混合料与石灰岩混合料低温性能对比

结合图7可知，方案E的最大弯拉应变比较小，表明砂岩沥青混合料的低温性能要优于石灰岩混合料。

（二）不同抗剥落添加剂的混合料（A、B、C、D、Z）低温性能对比分析

图8 不同抗剥落添加剂的混合料低温性能对比

结合图88可知，方案A、B、C的最大弯拉应变值呈下降趋势，说明提高矿粉掺量对改善低温性能的效果最好，其次是掺加消石灰，最后是水泥。当采用白色石灰岩细集料时，方案B和D的最大弯拉应变相差不大，表明消石灰/抗剥落剂组合与单纯掺加消石灰的效果相当，而比较方案C和Z可以发现，水泥/抗剥落剂比掺加水泥更有利于改善砂岩沥青混合料的低温抗裂性。

（三）含不同细集料的砂岩混合料（D、X和Y、Z）低温性能对比

图9含不同细集料的砂岩混合料低温性能对比

由图9可知，方案D（白色石灰岩）与方案X（青色石灰岩）的最大破坏应变相差不大，方案Y（青色石灰岩）方案Z（白色石灰岩）的最大破坏应变也无明显差别，这说明青色石灰岩混合料的低温抗裂性无差别。

（四）消石灰+抗剥落剂（D）与水泥+抗剥落剂组合（Z）高温性能对比

图10 消石灰/抗剥落剂组合与水泥/抗剥落剂组合的高温性能对比

由图10可知，方案D的最大弯拉应变比Z高一些，说明消石灰/抗剥落剂组合的低温改善效果比水泥/抗剥落剂组合好一些。

（五）水泥+抗剥落剂组合（X）与掺加水泥（Y）低温性能对比

图11水泥/抗剥落剂组合（X）与掺加水泥（Y）低温性能对比（青色石灰岩细集料）

由图11可知，对于砂岩粗集料+青色石灰岩细集料矿料组成的混合料，水泥/抗剥落剂组合方案（X）混合料的最大弯拉应变比单纯掺加水泥的方案（YY）稍低一些，这说明当采用青色石灰岩细集料时，水泥/抗剥落剂组合的高温改善效果稍弱于单纯掺加水泥，但二者相差不大。

3.3 水稳定性对比分析

水损坏是路面的主要病害之一，也是早期破坏的主要形式。水损害会引起路面刚度和结构强度损失，造成路面承载能力下降，引起早期破坏，严重缩短了路面的使用寿命。提高沥青混合料的水稳定性，减少路面由于水损坏而引起的路面早期破坏是保证路面正常发挥其服务功能所必须的。目前对于沥青混合料的水稳定性的评价方法主要有浸水马歇尔试验、浸水劈裂试验、冻融劈裂试验等。在这之中，浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验以其简单方便、与实际情况相关性好的特点在世界上得到了广泛的应用。本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价砂岩沥青混合料的水稳定性。

3.3.1浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验的目的是检验花岗岩沥青混合料在遇到水损害的时候抵抗集料剥落的能力。按照浸水马歇尔试验方法分别成型试件，浸水马歇尔试验的试件分为两组，分别测定其浸水马歇尔稳定度，残留稳定度指标按下式计算：

（1）

表3 沥青混合料水稳定性检验技术标准（浸水马歇尔残留稳定度（%）不小于）

沥青混合料类型		相应于以下年降水量（mm）的技术要求（%）
		500	<500
普通沥青混合料		80	75
改性沥青混合料		85	80
SMA混合料	普通沥青	75
	改性沥青	80

表4 不同组合方案下沥青混合料浸水马歇尔试验结果

方案	浸水前稳定度（KN）	浸水48h稳定度（KN）	残留稳定度（%）
A	12.20	11.59	95.0
B	12.48	12.35	99.0
C	11.60	11.54	99.5
D	13.27	12.98	97.8
E	12.75	12.73	95.3
X	12.75	11.97	99.4
Y	12.80	11.02	91.1
Z	15.43	133	92.9

所处地区年降水量小于500mm，从试验结果中可以看出，所有方案的残留稳定度均满足现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）中的相关要求。

（一）砂岩混合料（

C）与石灰岩混合料（E）残留稳定度对比分析

图11砂岩混合料与石灰岩混合料水稳性能对比

由图11可知，浸水48h后，方案B、C、D、X的动稳定度均大于方案E的，这反映出砂岩沥青混合料的水稳定性优于石灰岩混合料。

（二）不同抗剥落添加剂的混合料（A、B、C、D、Z）残留稳定度对比

图12不同抗剥落添加剂的混合料水稳性能对比

由图12可知，方案B和C的动稳定度值基本一致稍大于方案A，这说明针对水稳定性而言，掺加消石灰和水泥比提高矿粉掺量的效果好一些。在混合料中掺入三者任其一均能取得较好的水稳性能。比较方案C和Z发现，残留稳定度值下降，这说明抗剥落剂的掺入降低了沥青混合料的水稳定性。

（三）含不同细集料的砂岩混合料（D、X和Y、Z）残留稳定度对比

图13含不同细集料的砂岩混合料水稳性能对比

由图13可知，方案D（白色石灰岩）与方案X（青色石灰岩）的残留稳定度无明显差别，方案Y（青色石灰岩）方案Z（白色石灰岩）的残留稳定度也相差不大，这说明青色石灰岩混合料的水稳定性无差别。

（四）消石灰+抗剥落剂（D）与水泥+抗剥落剂（Z）的残留稳定度对比

图14消石灰/抗剥落剂组合与水泥/抗剥落剂组合的水稳性能对比

由图14可知，方案D残留稳定度比Z的大，说明消石灰/抗剥落剂组合的水稳改善效果比水泥/抗剥落剂组合好，但相差不大。

（五）水泥/抗剥落剂组合（X）与掺加水泥（Y）残留稳定度对比（青色石灰岩细集料）

图15水泥/抗剥落剂组合与掺加水泥高温性能对比（青色石灰岩细集料）

由图15可知，对于砂岩粗集料+（3-5青色石灰岩）+青色石灰岩细集料矿料组成的混合料，水泥/抗剥落剂组合方案（X）混合料的残留稳定度值高于单纯掺加水泥方案Y，这说明当采用青色石灰岩细集料时，掺入适量抗剥落剂能适当提高沥青混合料的水稳性能。

3.3.2冻融劈裂试验

冻融劈裂试验的目的是检验花岗岩沥青混合料在冰冻条件下抵抗水损害的能力，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011中的冻融劈裂试验方法开展试验。

表5 不同组合方案下沥青混合料冻融劈裂试验结果

方案	冻融前劈裂强度（MPa）	冻融后劈裂强度（MPa）	冻融劈裂强度比（%）
A	0.91	0.78	86.8
B	0.93	0.87	93.5
C	0.92	0.76	82.8
D	0.95	0.82	86.2
E	0.96	0.82	84.1
X	0.92	0.88	95.7
Y	0.83	0.73	87.1
Z	0.85	0.76	89.9

公路所处地区年降水量小于500mm，所设计的砂岩沥青混合料的冻融劈裂强度比TSR均满足现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）中的相关要求。

（一）砂岩混合料（X）与石灰岩混合料（E）冻融劈裂强度对比

图15砂岩混合料与石灰岩混合料水稳定性对比

结合图15可知，方案E的TER指标比较低，这说明砂岩沥青混合料的水稳定性优于石灰岩混合料。

（二）不同抗剥落添加剂的混合料（A、B、C、D、Z）冻融劈裂强度对比

图16 不同抗剥落添加剂的混合料水稳定性对比

由图17可知，方案B的冻融劈裂强度比略大于方案A和C的，这说明对于水稳定性，掺入消石灰的效果比提高矿粉掺量和掺入水泥好。当采用白色石灰岩细集料时，消石灰/抗剥落剂组合方案（B）混合料的最大弯拉应变比单纯掺加消石灰的方案（D）稍高一些，水泥/抗剥落剂组合方案（C）混合料的TER比单纯掺加水泥的方案（Z）稍低一些，这说明消石灰/抗剥落剂组合有助于改善砂岩沥青混合料的水稳定性。

（三）含不同细集料的砂岩混合料（D、X和Y、Z）冻融劈裂强度对比

图18含不同细集料的砂岩混合料水稳定性对比

由图18可知，方案D（白色石灰岩）与方案X（青色石灰岩）的冻融劈裂强度相差不大，方案Y（青色石灰岩）方案Z（白色石灰岩）的冻融劈裂强度也无明显差别，这说明青色石灰岩混合料的水稳定性无差别。

（四）消石灰+抗剥落剂（D）与水泥

+抗剥落剂（X）冻融劈裂强度对比

图19消石灰/抗剥落剂组合与水泥/抗剥落剂组合的水稳定性对比

由图19可知，方案X的冻融劈裂强度比显著高于方案D，这反映出水泥/抗剥落剂组合对水稳定性的改善效果比消石灰/抗剥落剂组合更好。

结束语

（1）将粗集料更换为砂岩以及适当提高矿粉掺量、掺加水泥、消石灰和抗剥落剂可改善砂岩沥青混合料的路用性能，其中高温与低温性能显著高于纯石灰岩混合料。掺加消石灰、水泥以及抗剥落剂处理后可以较好的改善水稳定性，但不同组合方案的混合料浸水马歇尔和冻融劈裂试验结果的区分度不显著。

（2）对于下面层ATB-25混合料而言，采用砂岩代替石灰岩作为粗集料，混合料高温、低温、水稳等各项性能完全满足规范的性能要求。采取正确的抗剥落措施后的砂岩沥青混合料相应的性能有不同程度的提升，使用A满足要求且指标优良，为更安全，在实际工程中可以根据工程需要以及经济性综合考虑加一种固体抗剥剂， B、C方案可满足施工。

坚持实践是检验真理的唯一标准，本文开展了对某地区砂岩碎石沥青混凝土混合料的路用性能的研究，希望能够提升沥青混凝土的使用效果，延长道路的使用寿命。

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