石灰岩粗集料沥青路面抗滑耐磨性能研究

段文超

（山西路桥集团试验检测中心有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

矿石材料作为沥青路面中的关键骨架结构，承受路面行车荷载的直接作用，稳定的材料特性能够减缓混合料服役过程中的收缩和开裂病害。此外，将矿石材料以不同的级配组合进行路面结构的设计，可适应特殊地区道路施工及复杂服役环境，满足不同沥青路面功能需求。矿石材料的类型、来源、破碎工艺、骨架形貌、强度等均直接影响到道路的使用性能[1-3]。现有的技术规范对矿料的压碎值、磨耗值、吸水率、针片状等有明确的设计等级要求，国内的矿石材料来源较广，材料特性也存在很大迥异，其中石灰岩的产量和使用数量较多[4]。对石灰岩的常规物理指标进行检测和限定，可在一定程度上增强路面材料的路用性能，但关于路面表层的抗滑、耐磨性能有待进一步研究[5]。邱志雄[6]对石灰岩的宏观轮廓进行分析，并对AC-13沥青混合料的抗滑性能进行试验探究，揭示了集料轮廓和路面抗滑性能的内在关联；张淑文[7]研究了集料与沥青混合料的接触面积、接触角的关系，并提出了SMA-13抗滑耐磨沥青混合料；田强春[8]以集料特性为基础，对混合料的抗滑特性进行研究，并总结了抗滑特性的衰减规律；张小瑞[9]分别对不同类型的集料进行压碎值、磨耗值检测，并探究了不同集料沥青混合料的磨耗特性。相关研究表明[10-11]，相较于玄武岩矿石材料，石灰岩的压碎值、磨耗值均较低，但随着国内大批高速公路的改扩建和养护，矿石材料尤其是石灰岩的需求量仍巨大，研究其在高等级道路中面层抗滑耐磨性能，有利于综合提升高品质道路的服役寿命。

1 石灰岩粗集料性能研究

本研究重点考察不同石灰岩材料的物理特性与混合料的抗滑磨耗特性的关联，分别从湖北、河南、安徽三地选取了不同石灰岩材料，为进行综合考量对比，还选用了湖北产的玄武岩作为参照对比组，根据材料来源分别对其进行编号，如表1所示。

表1 不同矿石材料分组编号

对4种不同矿石材料在4.75 mm及13.2 mm粒径下的相对密度和吸水率进行测试，如表2所示。

表2 4种矿石材料的相对密度及吸水率

图1 4.75 mm粒径集料密度及吸水率

图2 13.2 mm粒径集料密度及吸水率

由以上图表可知，玄武岩集料的相对密度和吸水率要大于石灰岩，其主要原因是玄武岩是由岩浆喷发堆积形成，冷凝过程中吸收了空气，形成多孔介质材料，但其质地却较为坚硬。湖北、河南、安徽三地产的石灰岩密度和吸水率整体较为接近，均满足沥青混合料施工技术规范要求。

1.1 压碎值

矿石材料的压碎值是表征材料在抵抗外部荷载过程中开裂粉碎的重要力学指标，研究参照公路工程集料试验规程对4种不同类型的集料进行压碎值的测试，通过调整压力值来获取不同加载条件下集料的压碎值特性，研究材料的压碎值随压力变化的衰减规律，测试结果如表3所示。

表3 不同加载压力下集料的压碎值 %

由图3、表3所示，相较于玄武岩集料，3种石灰岩集料的压碎值偏高，且随着加载压力的增大，集料的压碎值不断提高。当施加压力为400 kN时，3种石灰岩和湖北玄武岩的压碎值分别为18.7%、23.8%、20.4%和9.9%，说明石灰岩的压碎特性远不如玄武岩且石灰岩压碎值的增长速率大于玄武岩，其主要原因是石灰岩的主要成分为碳酸盐岩，材料中的CaCO3受氧化和雨水侵蚀，强度等级直接受到损伤影响。

图3 不同集料压力-压碎值变化曲线

1.2 冲击值

车辆启动和刹车制动环节会对路面产生一定冲击性作用。为探讨不同加载压力对集料冲击值的影响情况，以小于2.36 mm以下集料质量与原始质量的比值作为冲击值进行分析，试验结果如表4所示。

表4 不同加载压力下集料的冲击值 %

由图4、表4所示，随着冲击次数的增加，集料的冲击值也不断增大。当冲击次数达到40次时，湖北石灰岩、河南石灰岩、安徽石灰岩及湖北玄武岩的冲击值分别为30.5%、36.1%、32.8%及16.4%，表明石灰岩的冲击值相比玄武岩差。

图4 不同集料冲击次数-冲击值变化曲线

1.3 磨耗值

洛杉矶磨耗值是表征材料磨耗特性的关键指标，而集料的磨耗值在一定程度与混合料的耐久性、耐磨性有关。对4种不同类型集料的磨耗值试验进行研究，结果如表5所示。

表5 不同转动次数下集料的磨耗值 %

图5 不同集料转动次数-磨耗值变化曲线

从集料的磨耗值随转动次数的变化曲线可知，无论是石灰岩还是玄武岩，集料的磨耗值增长速率较为接近。其中，石灰岩的磨耗值要大于玄武岩，其主要原因是石灰岩的表面质地较为疏松，强度较低。在多次旋转磨耗下，表层的集料先受到破坏损伤，再逐渐引发内部结构失稳，直至完全开裂、粉碎。

2 沥青混合料配合比设计

对上述4种不同类型的集料进行压碎值、冲击值及磨耗值研究，表明石灰岩受材料自身结构影响，质地及强度远不及玄武岩。但石灰岩在沥青混合料中的抗滑和耐磨特性仍需进一步研究。本文对4种不同类型的粗集料分别成型了AC-13和SMA-13两种不同级配的沥青混合料，并进行具体的性能分析。

AC-13和SMA-13沥青混合料中的粗集料分别选用湖北石灰岩、河南石灰岩、安徽石灰岩及湖北玄武岩，细集料选用玄武岩，而沥青选用SBS改性沥青，填料选用石灰岩，两种不同混合料的目标级配曲线如图6、图7所示。

图6 AC-13级配曲线

图7 SMA-13级配曲线

4种不同粗集料在两种级配下沥青混合料的最佳油石比、稳定度及流值结果如表6所示。

表6 不同级配混合料的油石比、稳定度及流值

两种级配的沥青混合料相比，AC-13级配的油石比在5%左右，SMA-13级配的油石比在6.6%～6.7%左右。其稳定度和流值均符合设计规范要求，SMA-13级配的稳定度要高于AC-13级配，二者的稳定度值相接近。

3 沥青混合料抗滑性能试验研究

沥青混合料的抗滑耐磨性能直接影响路面的服役性能，研究常采用摩擦系数和构造深度试验来表征混合料的抗滑性能。研究分别对4种不同集料两种级配组合方案下沥青混合料的摩擦系数和构造深度进行测试，试验结果如图8～图11所示。

图8 AC-13级配混合料摩擦系数

图9 SMA-13级配混合料摩擦系数

图10 AC-13级配混合料构造深度

图11 SMA-13级配混合料构造深度

由上述两种不同级配沥青混合料的摩擦系数和构造深度可知，石灰岩沥青混合料的摩擦系数低于玄武岩沥青混合料，而构造系数较为接近。此外，相较于AC-13级配沥青混合料，SMA-13级配沥青混合料的摩擦系数和构造深度数值较大。对于3种不同的石灰岩沥青混合料而言，随着磨耗次数的增加，摩擦系数和构造深度的下降速率也较为接近。说明尽管石灰岩的产地不同，但其基本性能较为接近，进而在沥青混合料中骨架支撑效果也较为接近。SMA-13级配抗滑耐磨性能优于AC-13级配，其主要原因是，AC-13级配为连续密实型级配，粗集料的含量要少于SMA-13大骨架结构粗集料含量。因此，将石灰岩用于SMA-13级配中，既达到了沥青混合料抗滑耐磨的应用效果，又实现了矿石材料的综合利用。

4 结语

本文对石灰岩和玄武岩分别进行矿石材料的性能检测，主要考察了压碎值、冲击值、磨耗值等技术指标，玄武岩粗集料的性能要明显优于石灰岩。将4类不同产地的粗集料按两种不同级配（AC-13、SMA-13）进行沥青混合料的成型，分别测试混合料在不同磨耗次数下的摩擦系数和构造深度，研究表明玄武岩的摩擦系数要优于石灰岩，但构造系数较为接近，且SMA-13级配沥青混合料的抗滑耐磨性能要优于AC-13级配。