BMA、水泥復合改善花崗巖粘附性研究

郅宏飛，蔣國杰，王 勝

（同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804）

0 前言

花崗巖是一種典型的酸性材料，具有較高的硬度、耐磨性[3]，作為集料用于瀝青混凝土路面建設，不但能充分發揮集料之間的嵌擠作用，對行車安全也有較好的保障，但其與瀝青的粘附性差，用水煮法測定與瀝青的粘附性等級一般在3級或3級以下[3]。“一般來說，堿性石料與瀝青間的粘附性較好，但堿性石料的耐磨性較差，而大部分的酸性石料具有耐磨性好、強度高等優點，但與瀝青間的粘附性不好，只有少部分的中性石料才能兼顧粘附性與耐磨性均良好。水損害作為瀝青路面的主要破壞類型，根本原因是瀝青膠結料與集料的粘附性不良。”[5]

產于我國海南省地區的花崗巖經實驗室水煮法測定，其與普通基質瀝青（“臺塑牌”，70#）的粘附性只有2級，不滿足部標要求：高速公路粗集料與瀝青的粘附性等級大于等于4級。但花崗巖在海南省分布廣泛，取材方便、廉價，從經濟成本考慮是很好的道路建設材料。

該項實驗以海南省“海南西線高速公路大中修及配套設施改造工程”試驗段為依托，對改善海南地區產花崗巖瀝青粘附性進行了多方案對比研究。作為我國緯度最低的省份，海南省常年高溫多雨，因此海南地區高等級公路建設要解決好水損害問題面臨更大的挑戰。因此，課題組參考國內外已有的研究成果，結合海南地區道路工程建設的實際情況，首先測試了普通基質瀝青與花崗巖的粘附性，同時對比添加BMA、水泥、礦粉、TW-1型抗剝落劑等進行研究這些外摻劑對花崗巖粘附性的改善作用。

1 原材料性能

（1）瀝青采用質量合格的“臺塑牌”普通道路石油瀝青，瀝青標號為70#，各項指標見表1所列。

表1 “臺塑牌”基質瀝青性能指標檢測結果一覽表

（2）礦料采用三亞市尖峰石材場生產的花崗巖，為酸性材料，各項指標見表2、表3所列。

表2 花崗巖粗集料基本性能測試值一覽表（單位：%）

表3 花崗巖細集料物理指標一覽表（單位：%）

（3）布敦巖天然瀝青（BMA）產自南太平洋印度尼西亞蘇拉威西省布敦島（BUTON）。印尼布敦巖瀝青是一種天然瀝青，它是古代石油滲透到巖層間，經過長期的海底沉淀、承受壓力和地質變化而形成的瀝青巖，挖掘后經破碎而成的微細顆粒狀粉末，呈淺褐色，其中瀝青含量約為20%～30%，其余均為石灰巖類礦物質。BMA常規性能指標檢測見表4所列。

表4 BMA性能指標試驗結果一覽表

2 花崗巖粘附性實驗

分別對花崗巖采用基質瀝青、添加水泥和BMA進行規范（JTJ052-2000）水煮法實驗，實驗結果見表5所列。

表5 花崗巖粘附性實驗方案一覽表

從表5可以看出，基質瀝青與花崗巖的粘附性只有2級，而添加了水泥和礦粉之后，可以適當的提高瀝青與石料的粘附性，添加2%的水泥代替礦粉就可以使粘附等級提高到規范高等級公路最低要求4級。而添加巖瀝青的摻量為25%到35%之間時，瀝青與石料的粘附性提高到4級，可見BMA對花崗巖的粘附性有比較明顯的改善。但無論如何提高BMA的摻量，瀝青與花崗巖的粘附性始終無法達到5級，即瀝青完全裹覆石料。因此尚需進一步研究如何提高瀝青與花崗巖的粘附性。

3 混合料水穩定性實驗

考慮到BMA、水泥復合使用可能對提高瀝青混凝土抗水損害的能力更有利，而且制作馬歇爾事件，測試凍融劈裂及殘留穩定度所反映的破壞更能反映道路的實際使用情況，因此有必要對花崗巖進行復合改善的混合料水破壞驗證試驗。另外，為對比分析，課題組擬增加消石灰和TW-1型抗剝落劑實驗方案如表6所列。

采用馬歇爾試件，雙面擊實50次，混合料級配類型為AC-13C。

表6 花崗巖水破壞實驗方案一覽表

根據規范《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規程》（JTJ052-2000）中T0729瀝青混合料凍融劈裂實驗有關規定，將用于凍融實驗的試件再分成2組：將第1組試件置于平臺上，在室溫下保存備用，將第2組試件在98.3～98.7 kPa真空條件下保持15 min，然后將試件風別裝進放有10 mL水的塑料袋里，在溫度為-18℃的恒溫冰箱里放置16 h后，立即放入溫度為60℃的恒溫水槽中保溫24 h。再將1組和第2組試件浸入溫度為25℃的恒溫水槽中2 h取出試件依次進行劈裂實驗得到試件最大荷載，所測得的凍融劈裂殘留強度見表7所列，殘留穩定度見表8所列。

表7 花崗巖凍融劈裂實驗一覽表

表8 花崗巖殘留穩定度實驗一覽表

由表7可以看到，方案1只用基質瀝青，不添加BMA或水泥，凍融劈裂殘留強度只有59.28%，無法滿足規范80%以上的要求。單獨添加BMA、水泥、消石灰，TRS都能達到80%以上，但如能把水泥和BMA復合使用效果將大大提高，TRS可以達到90%以上，具有較好的效果，方案7，TRS高達93.04%。

由表8可以看到，方案1只用基質瀝青，不添加BMA或水泥，殘留穩定度只有73.04%，無法滿足規范80%以上的要求。單獨添加BMA、水泥、消石灰，TRS都能達到85%以上，但如能把水泥和BMA復合使用效果將大大提高，殘留穩定度可以達到90%以上，具有較好的效果。

由表7、表8中實驗方案7，用2%的水泥代替礦粉，添加BMA內摻 25%，TRS最高達到93.04%，殘留穩定度最高達到96.64%，是7種方案中抗水損害能力最強的一種解決方案。

4 BMA、水泥對花崗巖混合料抗水損害能力的改善分析

花崗巖是一種酸性石料，與基質瀝青的粘附性不佳，當以酸性石料作為瀝青混合料的骨料時，瀝青混合料的水穩定性往往不能達到要求。而布敦巖瀝青中，氮元素以官能團形式存在，這種存在形式使瀝青粘度增大，抗氧化性增強，特別是與集料的粘附性及抗剝離性得到明顯改善。另外，布敦巖瀝青具有發達的網狀結構,布敦巖瀝青與普通道路石油瀝青摻混在一起時,將其帶入到石油瀝青中,改善了分子間作用力,增強了極性鍵,轉化了蠟、萘等分子或官能團,并產生化學交聯、聚合生成大分子網狀結構,大顆粒瀝青聚集體的低密度表面電荷使得它與礦物石料表面的吸附力增強、潤濕性改善,因而獲得良好的路用性能。

與石灰巖礦粉相比較，水泥的比表面積較大(約 3 400 m2/kg)，而石灰巖礦粉的比表面積為3 300 m2/kg左右；水泥中的堿性組分含量高，其CaO含量遠高于石灰巖礦粉，因此水泥的活性大，對瀝青吸附能力較強，當替代了一部分礦粉之后，其直接提高了礦粉的堿性；瀝青由于含有少量羧酸與亞砜而呈弱酸性，當水泥顆粒均勻分布于瀝青混合料中時，填料粘附于酸性集料表面，提高集料表面堿性，增加了集料接觸角，進而提高了酸性集料與瀝青之間的粘附作用。水泥中的CaO會與瀝青中的酸性成分反應，在瀝青與水泥界面形成較強的化學粘結力，其生成物具有較強的吸附性能，能牢固地粘附在集料表面而不剝落，這樣瀝青也就不會從集料上剝落。同時,當試件與水接觸時，水泥產生一定程度的水化反應,生成水泥石阻礙水分進一步入侵。集料與瀝青的粘附性提高，從宏觀上看，能夠較大的提高瀝青混合料的水穩定性。

5 結論

單獨使用消石灰和單獨使用水泥對花崗巖抗水損害能力的提高幾乎相當，但不如同時內摻25%的BMA復合改善花崗巖的水穩定性。

消石灰因海南地區產量低，無大規模的生產企業，同時考慮瀝青混合料添加消石灰生產施工困難等因素，消石灰不宜作為海南地區抗剝落材料。

水泥對花崗巖的抗水損害改善較好，海南有大規模的生產企業，同時水泥能夠有效地提高瀝青混合料的強度。

BMA不僅能改善花崗巖的抗水損害能力，還能明顯提高瀝青及瀝青混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性，能與聚合物改性瀝青相媲美。“而其質量更加穩定，生產和施工簡單方便，可操作性強于聚合物改性瀝青。”[6]

BMA改善了基質瀝青的極性，水泥改善了礦料的表面特性，若兩者同時使用，共同提高了瀝青混合料的抗水損害能力，具有更好的效果。

該項試驗依托“海南西線高速公路大中修及配套設施改造工程”上面層采用花崗巖AC-13C瀝青混合料類型，于2011年1月4日實施450m試驗段（樁號：K313+70～K313+520），實施 3個月后現場檢測無明顯車轍或坑槽等不良破壞情況發生。

試驗段的鋪設水穩定性改善方案和跟蹤檢測研究，將對今后海南地區公路建設采用花崗巖具有一定的指導意義。

[1]JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術規范[S].

[2]JTJ 052-2000[S],公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[3]艾長發,陳炯,劉東,黃兵.提高花崗巖瀝青混合料水穩定性措施研究[J].中南公路工程,2007,(03).

[4]傅搏峰.瀝青路面水損害疲勞破壞過程的數值模擬分析[J].鄭州大學學報（工學版），2006，27(1)：51-58.

[5]韓華強，陳生水.膨脹土的強度和變形特性研究[J].巖石力學與工程學報，2004，5(3)：422～424.

[6]陳旭，姜開明.布敦巖瀝青改性瀝青混凝土配合比設計[J].山東交通學院學報，2005，13(2)：35-38.