石灰岩中白云石对沥青混合料性能影响研究

万 路 吉永海 李谋玉 张吉敏 张树领

(1.湖北国创高新材料股份有限公司 武汉 430070； 2.湖北国创道路工程有限公司 武汉 430070)

石灰岩因其分布极广，易于开采加工，是沥青路面中最常用的一种石料。石灰岩作为沉积岩的一种,其矿物成分是以方解石为主要成分的碳酸盐岩,通常掺杂有白云石等其他矿物或杂质[1]。石灰岩依据其中白云石含量可分为纯石灰岩、含白云质石灰岩和白云质石灰岩。石灰岩由于各矿物组成含量比例不同、各元素化学成分比例不同、致密程度不同等原因造成了种类多样性,导致每一类石灰岩其物理力学性质差别很大[2]。

通常认为石灰岩作为一种碱性集料与沥青黏附较好，但在实际工程中往往出现因为石灰岩集料与沥青黏附性差而出现的路面泛白现象，特别是在我国广西地区，这种现象尤为明显[3]。本文通过对比不同种类的石灰岩矿物组成，研究其中白云石含量与其沥青混合料路用性能关系。

1 不同石灰岩的组成分析

1.1 不同石灰岩的矿物组成

对同一种岩石，尽管种类相同，其矿物组成通常有所不同。由于矿物本身的硬度、解理、断口、密度等因素，不同的矿物发挥着不同的作用[4]。为对石灰岩的矿物组成开展更深入的分析，需要对矿物成分进行检测.通常采用X射线衍射分析(XRD)对石料进行岩性分析。本研究选用湖北和广西等不同地区的4种石灰岩进行分析，其矿物组成及含量结果见表1。

表1 4种不同石灰岩的主要矿物组成及质量分数 %

由表1可见，这4种石料的主要矿物成分均为方解石、石英和白云石，石灰岩B中方解石含量最高，石灰岩A中石英含量最高，石灰岩C中白云石含量最高。

1.2 不同石灰岩的化学组成

不同石灰岩的组成元素基本相同，但各组合含量有所差别，致使矿物性能差别很大。本研究采用X射线荧光光谱法(XRF)对不同石料的化学组成进行检测，其结果以氧化物含量表示，见表2。

表2 4种不同石灰岩的化学组成及含量 %

由表2可知，4种石灰岩石料中，CaO含量均较高，说明石灰岩中的主要成分是CaCO3。SiO2含量有高有低，但都低于52%(碱性石料SiO2含量不大于52%)，说明这4种石料都是碱性石料。石灰岩C中MgO含量较高，MgO在岩石中主要存在于矿物白云石中，白云石的主要化学成分为CaMg(CO3)2，这也与石灰岩C的矿物组成与含量相符。

2 不同石灰岩的力学性能分析

力学性能是集料最重要的性能之一，路用粗集料的力学性能指标主要有压碎值和洛杉矶磨耗损失。压碎值和洛杉矶磨耗损失越小，集料的强度越高。4种不同石灰岩的压碎值和磨耗损失检测结果见表3。

表3 4种不同石灰岩的压碎值和磨耗值 %

由表3可见，4种石灰岩的压碎值和磨耗损失均能满足规范要求，其中石灰岩C的压碎值和磨耗损失最小，表明这种石料力学强度较好。其原因可能为石灰岩C中含有大量白云石，白云石莫氏硬度较方解石稍高，白云石的存在会使石料的强度得到提升。

3 不同石灰岩的沥青混合料性能分析

3.1 不同石灰岩与沥青的黏附性

集料和沥青之间的黏附性是指沥青薄膜在集料表面上的附着能力和抗剥落性能，更准确地说是集料被沥青薄膜包裹后，抵抗水侵蚀造成剥落的能力[5]。评价黏附性最简单、最直接、最直观的方法为水煮法。水煮法按沥青膜剥落的情况分为5个等级来评定集料和沥青的黏附性。4种不同石灰岩与沥青的黏附性检测结果见表4。

表4 4种不同石灰岩与沥青的黏附性等级

4种石料中，石灰岩C和石灰岩D的黏附性等级为4级，其原因可能为这2种石料中均含有一定量的白云石。白云石与沥青黏附性较差，集料中含有白云石会使得其与沥青黏附性降低。

3.2 不同石灰岩的沥青混合料高温性能

沥青混合料高温稳定性是沥青混凝土路用性能的一个重要指标,可采用车辙试验方法评价沥青混合料的高温稳定性。车辙试验是在60 ℃条件下，以轮压0.7 MPa的橡胶轮胎在板块试样上往复行走60 min，测定试件的变形和每增加1 mm变形需要碾压行走的次数，称为动稳定度。车辙深度越小，动稳定度越大，混合料高温稳定性越好。采用不同石灰岩、相同AC-20级配、相同AH-70号沥青拌和沥青混合料，成型车辙板试件，车辙检测结果见表5。

表5 4种不同石灰岩沥青混合料车辙试验结果

从表5车辙实验结果来看，石灰岩A的混合料动稳定度最大，抗车辙性能最好，石灰岩 C的混合料动稳定度最小，高温稳定性最差。对比上述4种石灰岩的矿物组成与动稳定度的关系，可以看到石料中白云石含量越多其混合料车辙动稳定度越低。其原因可能为白云石与沥青黏附性较差，沥青不容易被白云石吸附形成结构沥青。当采用相同油石比时，白云石含量越高，自由沥青越多，而过多自由沥青的存在会使得混合料的高温稳定性降低。

3.3 不同石灰岩的沥青混合料水稳定性能

一般采用浸水马歇尔和冻融劈裂试验评价混合料的水稳定性能。浸水马歇尔稳定度实验按照JTG E20-2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0709-2011进行，用以模拟混合料在水的浸泡作用下，混合料性能的衰减情况。采用4种不同石灰岩石料，相同AC-20级配、相同AH-70号沥青分别拌和4组沥青混合料并成型马歇尔试件。4种不同石灰岩混合料的浸水稳定度结果见表6。

表6 不同石灰岩沥青混合料浸水稳定度试验结果

冻融劈裂试验是一种在规定条件下对沥青混合料进行冻融循环，测定混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比，以评价沥青混合料水稳定性的实验方法。4种不同石灰岩混合料的冻融劈裂试验结果见表7。

表7 不同石灰岩沥青混合料冻融劈裂试验结果

绘制不同石灰岩沥青混合料的水稳定性试验结果见图1。

图1 不同石灰岩沥青混合料水稳定性试验结果

由图1可见，石灰岩A和石灰岩B的沥青混合料水稳定性优于石灰岩C和石灰岩D。其原因为石灰岩C和石灰岩D中含有一定量的白云石，白云石表面光滑，其与沥青的黏附性稍差，沥青膜厚度也较小，从而造成混合料中石料间黏结强度偏低。在高温浸水或冻融循环等严苛条件下，混合料更容易出现松散。在自然环境的日晒雨淋下，这种混合料也更容易出现沥青膜剥落而形成的路面泛白现象。

4 结论

1) 采用水煮法测试不同石灰岩与沥青的黏附性，结果表明石灰岩与沥青的黏附性与其白云石含量有关，过多的白云石会使石料与沥青黏附性降低。

2) 石灰岩沥青混合料的高温稳定性与其石料中白云石含量有一定关系，白云石含量越多，混合料的抗车辙性能越低。

3) 不同石灰岩的沥青混合料水稳定性结果与黏附性实验结果相符，石灰岩的沥青混合料水稳定性与其白云石含量有关，白云石含量越高，水稳定性越差。

4) 对于含有过多白云石的石灰岩石料，在工程中建议适当采取一定的抗剥落措施，比如添加1%～2%水泥取代一部分矿粉，同时在施工过程中适当减少胶轮碾压遍数，防止沥青膜被胶轮带走。