酸性骨料在瀝青混凝土面層中的應用

柯俊濤，吉婷

(葛洲壩集團第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

隨著高速公路的建設，瀝青路面對集料的要求越來越高。在很多施工項目中，石灰巖等堿性集料與瀝青的粘附性好，使用也較為廣泛;而花崗巖、砂巖、石英巖等酸性巖石雖然堅硬，耐磨性強，能充分發揮集料之間的嵌擠作用，但其與瀝青的粘附性差，容易在水的作用下造成瀝青膜的剝落，導致瀝青路面的松散、坑槽等水損壞。故在工程使用中，酸性骨料不能得以廣泛推廣。本工程項目附近盛產酸性鵝卵石骨料，為使用卵石破碎得到的卵碎石做粗骨料，在工程實際中采用了在瀝青中加入優質抗剝落劑，用水泥代替部分礦粉，嚴格控制瀝青及瀝青混合料溫度，以保證石料的表面狀態等改善方法，取得了很好的效果。

2 瀝青與集料的粘附機理

瀝青在瀝青混合料中的功用首先是將各種粗細集料粘結在一起，成為一個整體，正因為如此，瀝青被稱為結合料或膠粘劑。在沒有水的情況下，瀝青與集料的粘結一般不會有任何問題，但水的存在將使瀝青與集料的粘附性成為問題。由于水比瀝青更容易浸潤集料的表面，降低瀝青與集料之間的粘附性，甚至喪失粘結力，并有可能導致瀝青混合料水損害破壞。

瀝青是一種極性物質，其極性的強弱與瀝青中的表面活性物質，如瀝青酸和瀝青酸酐的含量有關，當瀝青與酸性石料接觸時，瀝青中的酸性物質不能與酸性石料發生化學反應，只能產生分子間力的作用，即物理吸附，故粘性不強。當其與堿性石料接觸時則可以發生化學反應，產生一種不溶于水的化合物，形成化學吸附。化學吸附作用強于物理吸附，故其粘附力強。所以，瀝青與集料的粘附性直接影響瀝青路面的使用質量和耐久性。

3 骨料的巖相分析

工程附近有豐富的河卵石，但石灰巖等堿性巖石數量極少。經取河卵石樣品送武漢工大交通工程有限責任公司進行巖相分析，在Axioskop 40光學顯微鏡薄片觀察并經分析得出:其主要礦物為石英，含量在85%以上;白云母含量為10%～15%，屬酸性巖。

4 酸性骨料與瀝青粘附性的改善措施

為保證工程質量且考慮實際成本及施工可操作性等因素，為科學合理地使用現有酸性卵碎石作為瀝青面層混合料的粗骨料，通過以下方法指導現場施工且經施工前檢測得出瀝青混合料各項指標滿足設計要求。

4.1 在瀝青中加入優質的抗剝落劑

4.1.1 抗剝落劑的選擇

使用抗剝落劑的目的是增強瀝青與酸性集料之間的粘附能力，使其具有良好的抗熱老化性及抗水損害性，延長路面的使用壽命，降低和減少維護成本。其實質上是一種“介面劑”，與集料表面形成物理吸附或依靠其特殊的化學結構與集料進行化合反應以形成強而有力的化學紐帶，從而提高瀝青與集料的粘附性。瀝青混凝土面層用抗剝落劑宜采用非胺類化合物，應選用有較強抗老化性能、與瀝青配伍性能良好、符合環保性能的產品.目前市場上還存一些胺類產品，其缺點為:一是耐熱穩定性差，遇高溫后具有揮發性，耐久性較差;二是形成物理吸附，對酸性石料的吸附能力非常有限;三是部分抗剝落劑本身不抗水，且有刺激性氣味和毒性。所以，本工程選用的是由國內專業廠家生產的非胺類抗剝落劑，摻量為瀝青用量的0.3%。

4.1.2 瀝青與集料的粘附性試驗

本試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》JTG E20-2011中T0616-1993的要求和方法進行操作。因本項目集料最大粒徑為26.5 mm，故采用水煮法。已有研究表明，瀝青的薄膜加熱老化試驗的受熱過程相當于瀝青混合料的拌合過程老化，對摻加抗剝落劑的瀝青立刻進行水煮法粘附性試驗有可能使某些不耐熱的劣質抗剝落劑蒙混過關，故必須對摻加抗剝落劑的瀝青進行老化試驗后再進行粘附性試驗。因此，本工程在兩種情況下進行了瀝青與粗集料的粘附性試驗:一種為粗集料與不加抗剝落劑的瀝青的試驗;另一種是用粗集料與老化后的、摻加了抗剝落劑的瀝青的試驗。工程使用的瀝青為70#A 級道路石油瀝青，試驗結果見表1、2。

表1 瀝青與集料粘附性試驗結果表

4.1.3 抗剝落劑的使用方法

將瀝青抗剝落劑按試驗配合比中規定的摻配比例投入瀝青貯罐內處于熱熔狀態的瀝青中，開動瀝青泵將混合液泵入另一瀝青貯罐中，再將混合液泵回瀝青貯罐，反復泵拌4～5次，則抗剝落劑就可以均勻分布于瀝青中;抗剝落劑的加入非常重要，應嚴格按最佳摻量加入，并建立抗剝落劑加入臺帳，相關責任人每次加入都要確認簽字。

4.2 用水泥替代部分礦粉

用水泥替代部分礦粉，可以增加填料的堿性。但摻量必須控制在2%以內，當摻量超過3%后，很大程度上改變了瀝青混凝土的回彈模量、泊松比，路面的受力模式可能會變化?？紤]到本工程配合比設計時細骨料已選用石灰巖機制砂且礦粉摻量為3%，瀝青中也已加入了抗剝落劑，故選擇使用1%的水泥代替1%的礦粉。需要注意的是:當摻加水泥后，由于其比表面要比石粉大得多，設計的最佳瀝青用量通常需要增加0.2%～0.4%左右，為此，需要重新進行配合比設計。加入水泥后，混合料各項指標仍應滿足設計要求。

4.3 保證石料的表面狀態

光滑的石料表面瀝青易于浸潤，遇水后易脫落，粘結不牢，石料表面粗糙，形成凹凸不平的表面，不僅增加了表面積，使石料增多了與瀝青接觸的機會，當瀝青嵌入凹穴中，固化后形成牢固的機械嵌鎖力，使瀝青與石料牢固粘結。石料表面的清潔程度對瀝青的粘附性也有很大影響，如石料表面裹覆粘土，將阻隔瀝青與石料的接觸，影響瀝青浸潤。

本工程要求碎石加工場采用新鮮、堅硬、潔凈的卵礫石(應選用粒徑8 cm 以上的卵礫石并盡量剔除軟弱顆粒)軋制的碎石，并具有足夠的強度和耐磨耗性。其顆粒形狀應具棱角、接近立方體，其技術指標應符合現行規范的要求且必須保證卵礫石軋制的集料中具有兩個或兩個以上的破碎面的比例不得小于80%，具有一個破碎面的比例不小于90%。

表2 粗骨料檢測結果表

4.4 嚴格控制施工溫度

當瀝青溫度升高時，瀝青粘度降低，流動度增大，便于瀝青在石料表面自由展開，促進浸潤，以提高瀝青與石料的粘附性。在實際施工中，應嚴格掌握瀝青和集料的加熱溫度以及瀝青混合料的出廠溫度，集料溫度應比瀝青溫度高10℃～15℃。普通瀝青混合料的的施工溫度宜根據135℃及175℃條件下測定的粘度——溫度曲線確定(即以粘度0.17PaS±0.02PaS 時的等粘溫度作為拌和溫度)。具體施工中的溫度控制情況見表3。

5 瀝青混合料的水穩定試驗

通常，對瀝青混合料的試驗均采用新拌瀝青混合料進行，對于這一點，學術界一直存在疑問。因為瀝青和其它材料不同，它在使用過程中有一個老化過程，瀝青路面的損壞也往往發生在不同的時期。瀝青路面的水損害主要是瀝青與集料的粘附性逐漸喪失造成的，它是經過相當的時間才發生，尤其是對于摻加抗剝落劑的混合料進行效果評價時更應該使用經過長期老化的瀝青混合料進行。

按照配合比設計要求，選定骨料級配及瀝青用量配制出瀝青混合料后，按照規范JTG E20-2011中T 0734-2000(熱拌瀝青混合料加速老化方法)模擬老化后，按照ASTM D4867標準做水損害試驗。如果劈裂抗拉強度比大于75%，該混合料滿足設計要求，否則需對上述改良方法重新進行評價。

5.1 ASTM D4867試驗過程

(1)把瀝青混合料從烘箱中取出，做馬歇爾擊實，每次制作最少6個試件，其中一半用于干燥條件試驗，另一半用于潮濕條件試驗;

(2)擊實后試件空隙率應為7%±1%，冷卻至室溫并脫模;

(3)按規定的方法測定混合料的最大理論密度，測量試件的直徑、高度和毛體積相對密度，計算試件的空隙率，對于不符合要求的作廢;

(4)將試件分成2組，其中一組作為干燥條件試驗的試件，在室溫下存放，直至劈裂試驗前放入25℃水中20 min;

(5)另外一組供潮濕狀態試驗的試件先放入一真空容器中，向容器注入蒸餾水浸沒試件，在短時間內(5～10 min)施加70 kPa 或525 mm 高水銀柱真空。取出試件，計算毛體積密度并計算飽水率。飽水率應控制在55%～80%之間，如果飽水率不符合要求，應調整真空度，使試件的飽水率符合要求。當試件飽水率大于80%時候，應作廢;

(6)把試件放入60±1℃水浴中24 h;

(7)調整試件溫度，把試件放入25±1℃的水浴中1 h;

(8)測量試件的高度和體積，計算試件的吸水率和飽水率，如果飽水率大于80%可以接受;

(9)將干燥條件下的試件同樣放入水中保持20 min，然后與潮濕狀態下的試件同時進行劈裂試驗，試驗壓條寬13 mm，測定劈裂抗拉強度，加載速率為50 mm/min，計算劈裂抗拉強度比=潮濕條件下試件抗拉強度/干燥條件下試件抗拉強度×100%。

5.2 水損害試驗結果

按要求進行試驗并劈開潮濕條件下的試件，觀察其斷面，具體結果如表4所示。

表4 老化后的瀝青混合料水損害試驗結果表

6 結語

(1)當工程項目附近只有酸性骨料、無其它可供選擇的料源時，可以考慮使用加入優質抗剝落劑、水泥代替部分礦粉、控制溫度和保證骨料表面狀態等方法進行處理;

(2)用美國的ASTM D4867標準檢測老化后的瀝青混合料的水損害，方法簡便且指導意義強。這些改良方法既保證了工程質量，又節省了工程成本，施工可操作性強，值得大力推廣。