交 通 节 能 与 环 保
Transport Energy Conservation ＆Environmental Protection
第18卷 第92期2022年12月V ol.18 No.6December. 2022
doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2022.06.030
及试验研究
蒋双全，刘万春，周明凯，张建明，牛茂钦1
（四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610041）
摘要：随着沥青路面建设的持续推进，用于沥青混合料的粗集料消耗量大且不可再生，玄武岩、卵砾石、石灰岩等优质石料日益短缺，价格飞涨且质量难以保证。本文对用于沥青混合料的酸性砂岩粗集料进行物理力学分析及加工特性试验研究，分析了砂岩集料加工均匀性；通过常温、高温、高温浸水三种试验条件，模拟酸性砂岩集料在沥青混合料生产、碾压施工及服役状态下的路用力学特性及稳定性，并进行了与
沥青的黏附性试验研究。研究表明，砂岩集料在高温及高温浸水后的压碎值、磨耗值稳定，且均优于石灰岩集料，集料抗破碎力学特性及耐久性良好；常温砂岩集料以及沸煮后集料与沥青黏附性良好，与灰岩集料无显著异。因地制宜选择酸性砂岩集料用于沥青混合料，可减少筑路材料远运，显著降低施工过程碳排放。
关键词：沥青混合料；酸性砂岩；粗集料；路用性能；力学特性
中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2022）06-0146-04
Performance Test and Analysis of Acid Sandstone Coarse Aggregate for Asphalt Mixture
JIANG Shuangquan ，LIU Wanchun ，ZHOU Mingkai ，ZHANG Jianming ，NIU Maoqin
（Sichuan Road and Bridge Group Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610041，China ）
Abstract ：With the continuous advancement of asphalt pavement construction ，the coarse aggregate used for asphalt mixtures consumes a large amount and is non-renewable ，and there is an increasing shortage of high-quality stones such as basalt ，boulders and limestone ，and prices are soaring and the quality is difficult to guarantee. In this paper ，the physical and mechanical analysis and processing characteristics of acid sandstone coarse aggregates for asphalt mixtures wer
e carried out ，and the processing uniformity of sandstone aggregates was analyzed. Through the three experimental conditions of normal temperature ，high temperature and high temperature immersion ，the road mechanics and stability of acid sandstone aggregates in the production ，rolling construction and service of asphalt mixtures were simulated ，and the adhesion with asphalt was studied. The results show that the crushing value and wear value of sandstone aggregate after high temperature and high temperature immersion are stable ，and they are better than limestone aggregates ，and the mechanical characteristics and durability of aggregates are good. The room temperature sandstone aggregate and the boiled aggregate adhere well to the asphalt ，and are not significantly different from the limestone aggregate. The selection of acid sandstone aggregates for asphalt mixtures according to local conditions can reduce the transportation of road construction materials and significantly reduce carbon emissions during the construction process.
Key words ：asphalt mixtures ；acidic sandstone ；coarse aggregates ；road properties ；mechanical properties
收稿日期：2022-06-14
作者简介：蒋双全（1984-），男，四川遂宁人，博士，高级工程师，研究方向为路面结构与材料.（）
蒋双全等，用于沥青混合料的酸性砂岩粗集料性能分析及试验研究
第6期147
石英砂岩0 引言
现阶段国内高速公路路面形式主要以沥青路面为主，其建设、养护过程中粗集料普遍采用玄武岩、辉绿岩、卵砾石、石灰岩等碱性或中性天然石料。面对每年庞大的公路新建、改建和养护工程需求，集料消耗巨大且不可再生。同时，近年来多数石料矿山因环保问题被停顿整改，导致各地玄武岩、卵砾石、石灰岩石料市场出现供不应求、价格飞涨以及质量劣化等现象。在碱性或中性石料缺乏地区，远距离外购碱性石料也会大大增加建设成本。酸性石料中的花岗岩、砂岩、石英岩等石料具有石质坚硬、致密、耐磨性能强等优点，若沥青混合料能合理使用当地高强度的酸性石料作为粗集料不失为一条因地制宜的有效途径。
近年来，许多学者针对路面集料资源的合理化应用进行了研究。包卫星等[1]进行了砂岩的技术指标及沥青混合料的路用性能试验，分析了将砂岩沥青混合料应用于沥青中面层的可行性。李广科等[2]分析了不同岩性的粗集料与沥青的黏附性差异，提出了加强酸性石料黏附性能的措施。罗晶等[3]采用表面能理论与测试方法，研究了不同相对湿度对沥青-集料黏附性的影响，认为集料酸性越强越容易受到外界气态水分子的影响。王立业等[4]通过1/3比例尺气囊式加速加载系统研究了消石灰粉、硅烷偶联剂、SBS改性
沥青、岩沥青和偶岩复合改性沥青等抗剥落措施对花岗岩沥青混合料高温性能和水温稳定性的改善效果。
在工程应用方面，2013年在广西钟山至马江高速公路建设中的应用情况证明砂岩沥青混合料具有良好的路用性能。2013年徐州公路管理处将砂岩应用于425省道工程ATB-25沥青稳定碎石中，通过性能验证及试验段铺筑验证了砂岩用于沥青稳定碎石基层的可行性。2014年在京藏高速银川段沥青路面大修工程应用了红砂岩AC-13C沥青混合料，并铺筑了试验段。尽管已有不少研究成果及工程应用的探索，但对于砂岩集料用于沥青混合料的力学特性及黏附性研究尚不够完善，仍需进一步深入研究。
1 材料与试验方法
1.1 砂岩矿物组成及力学特性
本研究所用砂岩为钙质长石石英砂岩，结构致密，含方解石，主要成分见表1。
表1 砂岩矿物成分表
Tab.1 Mineral composition of sandstone
矿物组成
碎屑填隙物
石英斜长石和钾长石白云母泥质钙质硅质含量/%5225微量1364该岩石主要由碎屑物和填隙物组成，碎屑物包括石英、斜长石、钾长石、白云母、电石和岩屑石英岩等，粒径主要在0.1 ~ 0.5 mm的中细粒范畴，极个别达1.2 mm，粒状碎屑物形态以次棱角状-圆状为主，个别浑圆状。填隙物包括泥质杂基和硅质、钙质胶结物等。检测发现碎屑含量占整个岩石的77%，填隙物含量占23%，属于质地优良的工程石料。
采用饱水状态下岩石立方体试件的单轴抗压强度来评价砂岩的强度及其稳定性，该试验是测定规则形状岩石试件单轴抗压强度的方法，主要用于岩石的强度分级和岩性描述，试验参数如表2所示。
表 2 砂岩母岩抗压强度试验
Tab.2 Compressive strength test of sandstone parent rock
试样序号
抗压强度
软化系数
天然饱水
1108.4105.9\
2119.4100.3\
392.497.0\平均值106.7101.10.95
根据表2，两种试验状态下试件的抗压强度较高，且饱水后试件的软化系数为0.95，该砂岩吸水性比较小，强度稳定。从矿物成分分析来看，砂岩中的石英含量达到50%以上，由于二氧化硅晶体的特殊结构而表现出良好的力学性质。
1.2 沥青
试验采用SK70#沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）[5]相关要求进行试验，技术指标见表3。
1.3 试验方法
集料的压碎值、坚固性、洛杉矶磨耗损失、磨光值与沥青黏附性等技术性质是衡量集料能否用于沥青混
合料的重要指标。其中压碎值、磨光值对沥青混凝土的路用性能更为重要。因此，试验主要对砂岩集料的压碎值、磨耗值和集料与沥青的黏附性进行试验研究。
为模拟沥青路面使用过程中在最不利条件下（高
交通节能与环保第18卷148
温、潮湿）酸性砂岩集料的力学特性，在高温（经过200℃高温处理后）和高温浸水的条件下进行压碎值试验和洛杉矶磨耗试验，与常规试验方法进行比较，分析材料的高温及饱水条件下的力学性能稳定性。
为了模拟最不利条件下与沥青的黏附性，集料在高温及高温浸水处理后进行黏附试验，与常规试验方法及石灰岩集料进行比较，分析酸性砂岩集料在高温和有水情况下的黏附性。
2 砂岩集料均匀性及物理性质分析
2.1 加工均匀性检验
试验所用砂岩集料采用二级破碎加工工艺，一破采用颚式破碎机（颚破设备配备条形隔片筛，用于过滤泥土和细长扁平块石），二破采用反击式破碎机，将破碎的石料经过振动筛分档，不合格的颗粒返回到
反击式破碎机再次进行破碎[6]。为检验砂岩岩体材质均匀性，保证集料指标稳定性，本研究对进场砂岩集料按每2 000 m3检验1次密度、吸水率、压碎值等指标，试验共10组数据，统计结果见表4。
表 4 砂岩集料材质及加工均匀性检验
Tab.4 Sandstone aggregate material and processing uniformity
test
项目平均值标准差变异系数规范要求
压碎值10.340.8180.079≤26
表观相对密度 2.71890.0040.001≥2.60吸水率0.5790.0550.096≤2%
根据试验数据可知，生产的砂岩集料岩体材质总体分布比较均匀，集料的压碎值、表观相对密度和吸水率变异较小，均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[7]中的相关要求。
2.2 物理性质分析
对砂岩密度、吸水率、针片状含量、含泥量等物理性能指标进行了测试与分析，并与常用的石灰岩集料
进行了对比，试验结果见表5。
表5 砂岩集料技术指标试验结果
Tab.5 Test results of technical indexes of sandstone aggregate 试验项目
19 ~ 26.5 mm9.5 ~ 19 mm 4.75 ~ 9.5 mm技术
要求
砂岩石灰岩砂岩石灰岩砂岩石灰岩
表观相对密度 2.726 2.720 2.724 2.723 2.727 2.705 2.6
毛体积相对密度 2.680 2.628 2.650 2.632 2.646 2.631-吸水率/%0.620.38 1.000.43 1.120.522%
针片状/%----11.213.815%坚固性/% 2.612%
由表5可知，两种集料中砂岩的表观相对密度与石灰岩相近，砂岩粗集料吸水率在0.6% ~ 1.1%之间，较石灰岩略大，但小于规范规定值。集料针片状与岩石种类及加工特性有关，根据试验，砂岩针片状含量为11.2%，稍小于石灰岩，均满足规范要求。粗集料颗粒形状对集料颗粒之间的嵌挤力有显著影响，比
较理想的形状是接近球体和正方体。而且针片状颗粒在施工碾压过程中容易折断，降低集料与沥青的黏附性能，可通过优化加工工艺对其含量加以限制。
3 砂岩集料抗破碎力学特性分析
3.1 集料压碎值对比分析
集料压碎值主要用于衡量石料在逐级增加的荷载下抵抗压碎的能力，是衡量集料力学性质的重要指标。试验为了更好地分析集料在不同使用过程中的抗压碎能力，选取三种不同的试验状态进行试验。
由图1可知，在高温处理后砂岩集料压碎值较常温状态下的集料略大，高温饱水处理后集料压碎值略低于常温状态下的集料，但差异较小。总体来说，砂岩集料在三种试验条件下，压碎值指标基本变化不大，属于试验误差范围，说明砂岩用于沥青路面在使用过程中力学性质较稳定。
对于石灰岩，三种试验条件下压碎值均大于砂岩集料，说明砂岩集料抗压碎能力优于石灰岩。
3.2 集料洛杉矶磨耗特性对比
洛杉矶磨耗试验是测定标准条件下粗集料抵抗
表3 基质沥青技术指标要求及测试结果
Tab.3 Technical index requirements and test results of substrate
asphalt
试验项目技术要求测试结果试验方法针入度（25℃，5 s，100 g）/0.1mm60 ~ 8068.9T0604延度（5cm/min，10℃）/cm≥100≥100T0605软化点（环球法）/℃≥4546.1T0606密度（15℃）≥1.01 1.036T0603
RTFOT （163℃，85 min）
质量变化/%，
不大于
±0.8-0.3T0609
残留针入度比
（25℃）/%
≥6171.9T0604
残留延度（10℃）
/cm≥812.2T0605
蒋双全等，用于沥青混合料的酸性砂岩粗集料性能分析及试验研究
第6期149
摩擦、撞击的能力，与沥青路面的抗车辙能力、耐磨性、耐久性密切相关，一般磨耗损失小的集料坚硬、耐磨、耐久性好。软弱颗粒多、风化严重的石
料经过磨耗试验质量损失很大，很难达到要求。
图2 砂岩集料磨耗值试验
Fig.2 Sandstone aggregate crushing value test
由图2可知，砂岩的磨耗值在常温、高温和高温饱水状态下无显著差异，这说明砂岩的抗破碎能力比较稳定。通过比较砂岩和石灰岩在三种状态下的磨耗值可以发现，砂岩粗集料沥青路面在运营过程中的抗磨耗能力优于石灰岩。
根据集料压碎值试验及洛杉矶磨耗试验可以发现，砂岩在常温、高温和高温浸水状态下，测得的压碎值和磨耗值都满足现行JTG F40—2004的要求，且优于灰岩集料。
4 砂岩集料与沥青黏附性分析
由于砂岩成分中二氧化硅的含量很高，属于典型的酸性石料，可能与沥青的黏附性不足，进而在水分的作用下造成沥青膜的剥落，导致沥青路面的掉粒、松散、坑槽等早期水损破坏。沥青与集料的黏附是一个复杂的物理化学过程，集料的黏附性试验
是一种直观的试验方法，根据沥青黏附在粗集料表面的一层薄膜，在一定温度下，受水的作用发生沥青膜与集料剥离的程度，以判断沥青与集料表面的黏结能力以及混合料的抗水损害能力。试验结果见表6。
表6 集料黏附性试验结果Tab.6 Aggregate adhesion test results
名称
试验条件黏附性等级
说明石灰岩
常规5-砂岩
常规
5-碎石高温微沸5昼夜，再进行试验
5
水质清澈，无混浊、无漂浮物，砂岩表面无析出物，颜与水煮前无变化
5 结语
（1）酸性砂岩抗压强度较高且吸水性较小，材质基本均匀，强度稳定。从矿物成分分析来看，砂岩中高石英含量表现出良好的力学性质。
（2）常温、高温、高温浸水三种试验条件模拟集料生产、沥青混合料施工及沥青路面使用全过程，试验表明砂岩集料在高温及高温浸水后压碎值、磨耗值集料力学特性稳定，均优于灰岩集料，耐久性良好。（3）砂岩集料使用过程对水的敏感性较小，经高温煮沸后的黏附性稳定，与常规试验条件下无显著差异。砂岩集料及沥青黏附性与石灰岩集料相当。（4）酸性砂岩集料满足沥青混合料用粗集料要求，并在抗破碎、耐磨耗等抗破碎特性方面优于石灰岩集料。结合砂岩沥青路面进一步的在运营过程中的耐久路用特性研究，对于资源分布不均地区因地制宜采用沥青混合料粗集料，减少筑路材料的远运，可以显著降低施工过程碳排放。
参考文献：
[1] 包卫星，姚莉莉. 砂岩用于沥青混凝土面层的路用性能研究[J].
公路，2014（10）：243-246.
[2] 李广科. 不同岩性粗集料在沥青路面中的应用[J]. 筑路机械与施
工机械化，2019（12）：39-45.
[3] 罗晶，罗蓉，涂崇志. 相对湿度对沥青与集料黏附性的影响[J].
武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2021，45（04）：757-762.
[4] 王立业，杨永富，张黎明，等. 基于加速加载试验的花岗岩沥
青混合料水温稳定性能研究[J]. 公路工程，2021，46（02）：117-123+138.
[5] JTG E20—2011. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].
[6] 姜红. 路用集料加工设备选型及加工工艺研究[D]. 西安：长安大
学，2015.
[7] JTG F40—2004. 公路沥青路面施工技术规范
[S].
图1 砂岩集料压碎值试验
Fig.1 Sandstone aggregate crushing value test
发布评论