[分享]用于沥青路面抗滑表层的石灰岩碎石筛选技术

为了探索用于沥青路面抗滑表层的石灰岩集料筛选技术，研究了不同岩性集料及其互掺集料的压碎值、磨耗值、磨光值、矿物组成及动态抗滑性能。结果表明：不同岩性互掺集料的压碎值、磨耗值、磨光值均与其互掺比例间存在较好的线性相关性，在已知单一集料的压碎值、磨耗值与磨光值的前提下，能够预测出不同比例下不同岩性互掺集料的压碎值、磨耗值与磨光值。确定了利用矿物组成筛选石灰岩的原则：首先选择白云石和石英含量较多的石灰岩，其次选择方解石含量相对较少的石灰岩，再次选择黏土矿物含量要少，甚至为0的石灰岩。基于自研仪器，提出了集料的抗滑性能控制指标Dμ集-临值。

集料作为沥青路面抗滑表层混合料的主要材料，占混合料总质量的89%左右（AC级配）或者85%左右（SMA级配），其抗滑耐磨的技术性质直接影响了抗滑表层的功能作用[1-3]。相关研究[4]表明，集料特性对沥青混合料抗滑耐磨性能存在影响，其中集料磨光值、磨耗值以及压碎值对混合料抗滑耐磨性能的相关性以及权重较大，因此被称之为抗滑表层集料选择阶段预测混合料抗滑性能的集料抗滑耐磨技术指标。徐宏[5]研究了江苏省内石灰岩集料的技术性质，并在磨耗值、压碎值等技术指标合格的基础上，根据集料磨光值的大小评判石灰岩用于抗滑表层的可行性。研究表明，磨光值满足要求的石灰岩集料可用于干线公路沥青抗滑表层，磨光值处于35~42的石灰岩集料可用于中等或轻交通量等级公路的沥青抗滑表层。吴大鸿[6]认为，硅质碳酸盐岩具有较好的抗磨光性能，适宜用作高等级路面抗滑表层集料。张辉和张玉斌[7]在对安徽省沥青路用粗集料技术标准研究中，主要将集料磨光值、磨耗值以及压碎值作为抗滑表层粗集料选用的控制指标。

目前国内外尚无统一标准或技术手段表征集料的长期动态抗滑性能。本文采取自主研发的“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”[8]，自动化测试集料的动态抗滑性能及其变化规律，通过测试不同地区、不同岩性的集料（包括玄武岩、花岗岩、辉绿岩、石灰岩）及其互掺集料的压碎值、磨耗值、磨光值、矿物组成、动态抗滑性能，给出抗滑表层用石灰岩集料的筛选技术，为石灰岩分布广、储量丰富地区的沥青路面抗滑表层建设推荐出石灰岩集料的甄选技术与应用技术。

目前，在沥青混合料集料选材阶段，磨光值是评价其抗滑性能的主要指标，但抗滑性能实际上与集料的压碎值、磨耗值、坚固性、冲击值等指标也存在密切关系。而对沥青路面抗滑性能影响权重较大的为集料磨光值、磨耗值与压碎值[4，8]。不同岩性粗集料的磨光值、磨耗值与压碎值如表1所示。

从表1可知，石灰岩集料的抗滑耐磨性能弱于玄武岩、花岗岩与辉绿岩硬质集料。为了提高石灰岩集料的利用率，研究其与硬质集料互掺后的抗滑耐磨性能。不同试验条件下玄武岩与石灰岩互掺粗集料的磨光值、磨耗值与压碎值试验结果如表2所示，现行规范JTGE42—2005《公路工程集料试验规程》试验状态下，粗集料的抗滑耐磨性能实测值与计算值（按玄武岩与石灰岩互掺比例计算）的差异如表3所示。

从表2与表3可知，玄武岩与石灰岩按比例互掺集料或者单一集料的抗压碎性能与终压荷载之间、耐磨耗性能与转动次数之间均存在良好的线性相关性；互掺集料的压碎值、磨耗值、磨光值均与其互掺比例之间存在良好的线性相关性，且偏于各自性能较弱的集料。在现行规范试验状态下，压碎值的最大偏差为+1.6个百分点，磨耗值的最大偏差为+1.5个百分点，磨光值的最大偏差为-2.7，因此在已知石灰岩、玄武岩单一集料的压碎值、磨耗值与磨光值前提下，采用内插法能够预测出不同比例下互掺集料的压碎值、磨耗值与磨光值。石灰岩中掺入少量的玄武岩，其抗滑耐磨性能有所提高，因此在玄武岩、花岗岩或者辉绿岩等硬质石料稀缺且单一石灰岩技术不满足要求时，可通过集料互掺技术提高集料抗滑耐磨性能，实现降低工程造价的目的。

采用X射线衍射定量检测方法检测石灰岩粉末、玄武岩粉末的矿物组成。测试条件：Cu靶、Kα辐射，λ约为1.54×10^-10m，电压为40kV，电流为40mA；扫描角度2θ为3°~45°，扫描速率为2°/min，步长为0.02°；温度为25.6℃、相对湿度为46%。测试结果如表4所示。

从表4可知：

（1）石灰岩中方解石与白云石含量总和占据优势，为74.2%~100%；除芒允石灰岩主要含白云石外，其余均是方解石居多，白云石次之（含量61.7%~80.8%）；玄武岩中石英与斜长石含量之和为90.0%。

（2）石英、方解石、白云石的莫氏硬度分别为7、3、4，故方解石抵抗机械作用力的能力相对较弱。在石灰岩中，户勒石灰岩的石英含量最大，其单轴抗压强度也最高，说明石灰岩中石英含量越大，岩石强度越高。同样，白云石含量越大，其岩石强度也相应提高。

TCCM是指黏土矿物含量，黏土矿物是一些含铝、镁等为主的含水硅酸盐矿物，具有比表面积大、水化膨胀性、结构或晶格稳定性差等特点。锅盖山石灰岩的黏土矿物含量最大，为10.8%，且其石英、白云石含量也很少，故锅盖山石灰岩岩石单轴抗压强度低，且其集料具有较大的压碎值、磨耗值、坚固性损失率、吸水率，较小的磨光值、密度。因此，石灰岩中如含有大量的黏土物质，而石英、白云石含量较少者，其岩石单轴抗压强度低，且集料一般具有较大的压碎值、磨耗值、坚固性损失率、吸水率，较小的磨光值、密度。

综上，确定了利用矿物组成筛选石灰岩的原则：首先选择白云石和石英含量较多的石灰岩，其次选择方解石含量相对较少的石灰岩，再次选择黏土矿物含量要少，甚至为0的石灰岩。

目前国内外尚无集料的长期动态抗滑性能表征测试仪器与评价方法，本文采用自主研发的“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”[8]测试集料的长期动态抗滑性能。集料板试件（300mm×150mm×50mm）如图1所示，长期动态抗滑性能变化曲线如图2所示。

从图2可知，各种岩性集料板在磨光磨耗5h后，抗滑耐磨性能衰减均处于稳定下降阶段，均以匀速率线性下降的方式衰减。此时，集料的抗滑耐磨性能可以根据衰减速率△Dμ和Dμ试验终进行定量评价。如果此时能够提出一个Dμ集-临，那么同等试验条件下，动态摩擦系数Dμ试验终<Dμ集-临时，则该集料不满足抗滑性能的基本要求，不能用于沥青路面抗滑表层。根据Dμ集-临可以筛选出适用于高等级公路不同气候分区沥青路面抗滑表层的优质集料。集料的Dμ集-临值可以通过将不同集料标准试验条件下的Dμ试验终与其磨光值进行相关性分析确定。表5给出了各种集料的Dμ试验终（时间为5h）及对应的磨光值，图3给出了二者的线性回归曲线。

由表5可知，云南芒允石灰岩、兴磊石灰岩、户勒石灰岩以及用于对比分析的玄武岩、花岗岩、辉绿岩等集料板的磨光值均大于42，抗滑性能满足高等级抗滑表层用料要求。

根据图3可知，当磨光值为42时，5h衰减终值为0.46，当试验5h的Dμ试验终<0.46时，相当于集料的磨光值<42。由此可以确定潮湿区的Dμ集-临值为0.46。同理，其他气候分区也可按该方法确定Dμ集-临值。经计算，湿润区、半干区、干旱区的Dμ集-临值分别为0.42、0.37、0.32。

通过试验研究提出了公路工程建设过程中甄选与推广石灰岩碎石的推荐方法与步骤：

（1）根据集料的矿物组成，按照以下3个标准初选石灰岩：①石灰岩中白云石、石英含量尽可能多；②方解石含量相对较少；③尽可能不含黏土矿物。

（2）根据集料磨光值、压碎值、磨耗值及其集料互掺后的性能变化规律，优选出抗滑耐磨性能优异的集料或确定互掺集料种类及其相对比例。

（3）基于自研仪器“集料/沥青混合料摩擦特性测试仪”测试不同岩性或互掺集料板的动态抗滑性能，分析长期动态抗滑性能衰减速率ΔDμ与衰减终值Dμ试验终综合指标，判断Dμ试验终与Dμ集-临的关系，优选出具有较好的长期动态抗滑性能的集料。