礫石瀝青混合料水穩定性復合改善技術研究

郭寅川，魏自玉，申愛琴，趙天源

(1. 長安大學 教育部特殊地區公路工程重點實驗室，陜西 西安 710064；2. 路易斯安那州立大學 路易斯安那州交通研究中心，路易斯安那州 巴吞魯日 70803，美國)

0 引 言

隨著高速公路建設的快速發展，原材料資源消耗巨大，優質石料逐漸匱乏，但是我國礫石資源較為豐富，如能通過適當的技術途徑將礫石用于高速公路瀝青路面建設中，將會大大減輕石料供應壓力，降低公路建設成本。但有關資料顯示，礫石主要成分為SiO2，巖性表現為弱酸性[1-2]，礫石與同為酸性的瀝青之間黏附性較差，若將其直接用于瀝青混合料中易產生嚴重的水損害問題[3]。

近年來，許多學者就瀝青與酸性石料的黏附性及改善措施進行了大量的研究，國內外大量研究表明[4]，摻加化學抗剝落劑是提高瀝青混合料中瀝青與酸性石料黏附性的有效途徑。目前常采用改善酸性石料黏附性的材料還有水泥、消石灰粉[5]。錢曉鷗[6]研究了抗剝落劑對瀝青與酸性石料黏附性的改善效果，黏附性等級提高較明顯，性能穩定，經耐久性抗老化試驗驗證，老化前后差異不明顯；王延海[7]研究了不同抗剝落劑對短期老化及長期老化的瀝青混合料的水穩定性能，結果表明摻加消石灰、胺類抗剝落劑及非胺類抗剝落劑的瀝青混合料，其殘留穩定度及TSR值均有所降低，胺類抗剝落劑降低幅度最大，消石灰次之，但是摻加消石灰的瀝青混合料殘留穩定度及TSR仍滿足規范要求。研究發現水泥和消石灰粉能與瀝青有機酸發生反應生成吸附能力極強的物質；水泥和消石灰粉均可以堿化骨料，在瀝青混合料中摻加2%左右的水泥或石灰并不會帶來更多的路面病害，其耐久性較好；抗剝落劑主要通過自身極性基團與酸性集料結合、親油團與瀝青結合的方式達到抗剝落的效果。

總之，現有的研究主要集中在酸性碎石與瀝青的界面黏附性方面，而針對破口礫石與瀝青的界面黏附性研究卻非常少，如何提升瀝青與破碎礫石界面黏附性能還鮮有研究。眾所周知，礫石經過長年的自然風化或流水的沖刷作用，表面變得光滑無棱角，即使將大礫石破碎加工后，其破口礫石表面的粗糙度遠不如碎石，而且依然還存有光滑面。此外，礫石主要成分為SiO2，含量高達90%，可見，破碎礫石的表面性狀不同于一般酸性石料，導致其與瀝青之間的黏結能力更差。因此，為了系統研究不同外加劑種類、摻配方案以及摻量對瀝青與破碎礫石之間黏附性的影響規律及改善效果，筆者選擇無機改性材料(水泥、消石灰粉)及有機改性材料(化學抗剝落劑)作為改性材料，通過不同方案的水穩定性試驗分析不同摻配方案對礫石瀝青混合料水穩定性能的提升效果；借助拉拔試驗對瀝青與破碎礫石界面黏附性的提升效果進行定量分析。研究結果為礫石在瀝青路面建設中的應用和推廣提供理論及技術依據。

1 原材料及試驗方案設計

1.1 原材料

本研究采用中海油70 #A級道路石油瀝青，其技術指標見表1；集料為破碎礫石，主要技術指標見表2；所用礦粉為潼南塘壩礦粉廠生產，表觀相對密度為2.673。

無機改性材料選擇水泥和石灰，水泥采用重龍山P.C32.5型，其技術指標符合相關技術要求；石灰為200目消石灰粉。

有機改性材料選用固體抗剝落劑AMRⅠ型和液體抗剝落劑AMRⅡ型。

經檢測以上材料均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。

表1 中海油70 #瀝青技術指標Table 1 CNOOC(China National Offshore Oil Corporation)70# asphalt technical indicators

表2 破碎礫石技術指標Table 2 Crushed gravel technical indicators

1.2 礦料級配組成

本研究依托實體工程，設計了中面層所用的AC-20C礫石瀝青混合料，其級配見表3。通過馬歇爾試驗，計算了礫石瀝青混合料的最佳油石比及相關體積指標，見表4，均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。

1.3 試驗方案設計

國內外大量研究表明[8-9]：水泥和消石灰粉為堿性物質可附著在酸性石料表面使其堿性化，而抗剝落劑可以通過自身的極性基團與酸性集料結合、親油團與瀝青結合的方式來達到抗剝落效果。為了提升破碎礫石與瀝青的黏附性，提高礫石瀝青混合料的水穩定性，采用水泥、石灰等無機材料以及抗剝落劑作為復合改性劑，通過單摻或復配摻入等不同方式對礫石瀝青混合料進行改性，以增強礫石與瀝青的界面黏結狀況。在前人研究成果及課題組大量探索性試驗的基礎上，設計了14種單摻及復配摻入等改性方案，其中化學抗剝落劑是占瀝青的質量比例；水泥及消石灰粉是替代部分礦粉，占集料的質量比例。通過殘留穩定度及凍融試驗研究了改性材料種類及摻量對礫石瀝青混合料水穩定性能的影響規律；基于拉拔試驗研究了復摻外加劑對瀝青與礫石界面黏附性改善效果。不同改性材料單摻及復配摻入試驗方案見表5。

表3 AC-20C礫石瀝青混合料合成級配Table 3 AC-20C gravel asphalt mixture synthetic gradation

表4 AC-20C礫石瀝青混合料體積指標Table 4 AC-20C gravel asphalt mixture volume index

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對礫石瀝青混合料水穩定性進行殘留穩定度試驗和凍融劈裂強度試驗。

2 結果與分析

2.1 水穩定性試驗結果與分析

將水泥、消石灰粉及化學抗剝落劑分別以不同摻量單摻入礫石瀝青混合料中，其凍融劈裂強度隨不同改性材料摻量的變化結果見表6及圖1。

表5 不同改性材料單摻、復摻試驗方案Table 5 Test schemes of single and compound addition of different modified materials

表6 不同改性材料種類及摻量下的礫石瀝青混合料凍融劈裂強度試驗結果Table 6 Test results of freeze-thaw splitting strength of gravel asphalt mixtures with different kinds of modified materials and dosages

圖1 不同改性材料單摻下的礫石瀝青混合料TSR值Fig. 1 TSR values of gravel asphalt mixtures with single admixture of different modified materials

由表6可知，不摻加任何改性材料時，礫石瀝青混合料的凍融劈裂強度值未能滿足規范要求，而摻加一定劑量的水泥、石灰或抗剝落劑的礫石瀝青混合料，可以明顯提高其凍融劈裂強度比，改善水穩定性能。

由圖1可知，水泥和消石灰隨著摻量的增加，其TSR值有先增大后減小的趨勢，其摻量為1.0%時，改善效果最好，TSR值分別為82.8%、78.4%。摻加化學抗剝落劑的礫石瀝青混合料能夠明顯提高凍融劈裂強度比，增加礫石與瀝青之間的黏附性，提高混合料的水穩定性能，AMRⅠ型抗剝落劑黏附性改善性能優于AMRⅡ型，當AMRⅠ型抗剝落劑摻加劑量為0.4%時，改善效果最優，TSR值達到85.1%，較對照組提高了20%。

摻加水泥和石灰的礫石瀝青混合料對凍融劈裂強度值影響較小，而抗剝落劑的摻入效果顯著，對比方案S0與方案S8，摻量0.4%AMRⅠ型抗剝落劑其凍融前后的劈裂強度值分別為1.21、1.03 MPa，比對照組分別提高了40.7%、68.9%。無論是TSR值還是凍融循環前后的劈裂強度值，均可說明抗剝落劑對礫石瀝青混合料水穩定性改善效果優于水泥與消石灰粉。

2.2 改性材料復配時礫石瀝青混合料水穩定性結果與分析

為了充分發揮各改性材料的優勢并探討其改性機理，基于上述試驗，筆者進一步將水泥、石灰等有機改性材料與化學抗剝落劑復配后對礫石瀝青混合料水穩定性能進行研究，其凍融劈裂強度比和浸水馬歇爾試驗殘留穩定度值見表7及圖2、圖3。

圖2 改性材料復配后礫石瀝青混合料凍融劈裂強度比試驗結果Fig. 2 Test results of freeze thaw splitting strength ratio of the gravel asphalt mixture after adding compound modified materials

圖3 改性材料復配后礫石瀝青混合料殘留穩定度試驗結果Fig. 3 Test results of residual stability of compound modified gravel asphalt mixture

由圖2、圖3可知，當未摻加任何改性材料時，礫石瀝青混合料的凍融劈裂強度比TSR僅為70.9%，殘留穩定度為75.5%，皆不滿足規范要求，這是由于礫石為酸性集料，表面微觀結構比較平順，微觀比表面積較小，不利于瀝青與礫石集料之間的黏結和吸附。當在礫石瀝青混合料之間加入水泥、消石灰粉、抗剝落劑、或將其進行復摻時，礫石瀝青混合料的TSR值皆在75%以上，殘留穩定度均大于80%，這充分說明水泥、消石灰粉及抗剝落劑均能改善破碎礫石與基質瀝青之間的黏附性，有利于提高礫石瀝青混合料的水穩定性。

對比復摻試驗可知，同時摻加水泥和抗剝落劑，可以大幅度的提高礫石瀝青混合料的水穩定性能，而且隨水泥用量的增加，改善效果也更顯著。當摻加0.4%AMRⅠ型抗剝落劑和1.0%水泥時，其TSR值和殘留穩定度分別為90.9%、92.6%，分別提高了28.8%、22.6%。復摻法對礫石瀝青混合料水穩定性改善效果更為顯著。

2.3 瀝青與礫石界面拉拔試驗結果及分析

2.3.1 拉拔試驗

為了定量分析不同改性材料對瀝青與破碎礫石界面黏附性的提升效果，選擇PosiTest AT-A型拉拔儀測試瀝青在破碎礫石表面的附著力，通過測量瀝青與集料界面發生破壞時的拉應力，來定量表征瀝青與集料界面黏附性。

本研究選用粒徑在9.5～13.2 mm之間的破碎礫石集料若干，礫石各表面打磨成規則形狀，并將上表面打磨平整；在小容器內拌制水泥砂漿，將打磨好的礫石顆粒壓入砂漿內，對水泥砂漿加水養護7天，防止砂漿開裂，保證集料與砂漿結合牢固；將瀝青加熱到一定溫度，并加入不同種類及劑量的外加劑，具體方案見表8，用毛刷沾取加熱后的瀝青，均勻涂刷在礫石顆粒的上表面，控制瀝青膜的厚度盡量??；待集料顆粒與其表面的瀝青冷卻至室溫時，將拉拔儀附帶的A、B膠均勻拌合，并涂抹在直徑為20 mm的金屬錠子底面，將錠子與瀝青表層進行黏結，靜置24 h后進行拉拔試驗。

2.3.2 結果與分析

通過設計的拉拔試驗，對瀝青與破碎礫石界面的拉拔力進行測試，其試驗結果見表8。

表8 不同方案瀝青與破碎礫石界面拉拔力Table 8 Pullout force between asphalt and broken gravel surface in different schemes

由表8可知，將水泥、石灰及化學抗剝落劑單摻或復摻入礫石瀝青混合料中，可以明顯提高瀝青與破碎礫石界面拉拔力，即瀝青與礫石界面黏附性得以改善。

當3種改性材料分別摻入礫石瀝青混合料時，拉拔力較基準組分別提高了8.5%、6.6%、14.1%，0.4%摻量AMRⅠ型抗剝落劑改善效果顯著，這可能是因為：抗剝落劑的加入極大的增強了礫石與瀝青界面的黏附性，一方面通過降低瀝青與集料的界面張力，減小瀝青與集料的接觸角，來改善瀝青在集料表面的鋪展程度，使瀝青與礫石的黏附功增大，從而達到黏附性增強的效果；另一方面，抗剝落劑是由極性基團和非極性基團組成，非極性基團與瀝青有很強的結合力，極性基團帶有正電荷，與酸性集料表面所帶的負電荷二者異性相吸，發生化學反應，從而提高瀝青與集料的黏附性[10]。

將抗剝落劑與水泥或石灰復合摻加，可以大幅度提高拉拔力，改善瀝青混合料的黏附性。當摻加0.4%AMRⅠ抗剝落劑與1.0%水泥時，拉拔力較基準組提高了36.6%，水泥和抗剝落劑復合作用可能進一步改善了瀝青在礫石表面的鋪展程度，減小了兩者之間的接觸角，從而使瀝青與礫石界面黏附性增強效果達到最優。

3 礫石表面微觀結構分析及礫石瀝青混合料水穩定性改善機理

3.1 破碎礫石表面微觀結構分析

借助SEM掃描電鏡，對破碎礫石試樣斷面進行微觀分析，同時選擇石灰巖碎石進行對比研究，并利用掃描電鏡自身配備的X射線能譜儀對其表面的微觀成分進行分析，從物理構造的角度分析礫石表面微觀形貌對其宏觀性能的影響。破碎礫石與石灰巖碎石的微觀結構分別見圖4、圖5。

圖4 500倍破碎礫石微觀結構Fig. 4 A electron microscopic photo of 500 times crushed gravel

由圖4、圖5可知：石灰巖碎石具有良好的微觀形貌，表面微觀結構凹凸起伏變化明顯，微觀表面較為粗糙，擁有較大的微觀比表面積，有利于瀝青與石料之間的黏結吸附；在相同倍數下，破碎礫石內部孔隙率大，結構疏松，表面微觀結構比較平順，微觀比表面積較小，不能使瀝青與集料充分接觸，這可能是導致瀝青與礫石集料界面黏結力較差的重要原因。

石料表面不同組成元素經過電鏡掃描后所反應出的能量值皆有不同，石灰巖及礫石破碎面掃描元素能譜圖見圖6、圖7，其元素原子百分比見表9。

表9 石灰巖與礫石原子百分比Table 9 Atomic percentage of limestone and gravel

圖6 石灰巖破碎面掃描元素能譜Fig. 6 Scanning element energy spectrum of limestone crushing surface

圖7 礫石破碎面掃描元素能譜Fig. 7 Scanning element energy spectrum of gravel fracture surface

由圖6可知，在掃描視域面積內元素成分較為復雜，其中鈣、鎂、氧元素峰值較高，而硅元素的含量較少，原子百分比為0.31，分子結構組成主要為CaCO3和MgO，呈堿性的石灰巖可能會與酸性瀝青發生一系列化學反應，增強石灰巖與瀝青界面的黏附性。由圖7及表9可知，破碎礫石的主要元素為Si和O，兩者所占比例超過99%，分子結構主要為SiO2，即礫石組成結構中主要成分為石英，因此呈酸性的瀝青很難吸附在礫石表面，這也是破碎礫石與瀝青界面拉拔力較小的原因之一。

3.2 礫石瀝青混合料水穩定性改善機理

根據表面能理論[11]，瀝青與礫石集料之間的黏附作用是由能量作用原理即瀝青潤濕破碎礫石表面而形成的。由于水與破碎礫石之間的潤濕能力要比瀝青與破碎礫石之間的潤濕能力強，因此水可以侵入瀝青—石料界面，形成瀝青—水—石料形式的表面接觸，造成瀝青從破碎礫石表面剝落。

由表5可知，當向礫石瀝青混合料中摻加1%水泥時，其凍融劈裂強度TSR值較基準組S0提高了16.8%；當向礫石瀝青混合料中摻加0.4%AMRⅠ型抗剝落劑+1.0%水泥時，其TSR值和殘留穩定度分別為90.9%、92.6%，較基準組分別提高了28.8%、22.6%。這是因為：水泥顆粒細小，比表面積較大，且其中堿性成分含量高，因此水泥具有較高的活性，在礫石瀝青混合料拌合時添加水泥，可以在礫石表面形成堿性覆蓋層，使得瀝青與破碎礫石之間的潤濕能力比水與破碎礫石之間的潤濕能力強，顯著改善了瀝青與破碎礫石界面之間的黏附性能。

同時，水泥覆蓋在礫石表面也會形成多孔、粗糙的表面層，增加瀝青與礫石之間的接觸面積，而抗剝落劑的加入能降低瀝青與集料的界面張力，減小瀝青與集料的接觸角，改善瀝青在集料表面的鋪展程度，兩者的共同作用使得瀝青與礫石的黏附功增大，達到黏附性增強的效果，從而有效改善了礫石瀝青混合料的水穩定性能[12-13]。

4 結 論

1)水泥、消石灰粉及化學抗剝落劑單摻入礫石瀝青混合料中，可以大幅度提高混合料的凍融劈裂強度TSR、殘留穩定度值及瀝青與破碎礫石之間的拉拔力，增強瀝青與破碎礫石界面黏附性，改善礫石瀝青混合料的水穩定性，摻量為0.4%AMRⅠ型抗剝落劑的改善效果優于水泥及消石灰粉。

2)將水泥、消石灰粉等無機改性材料與抗剝落劑進行復配改性，復摻0.4%AMRⅠ抗剝落劑+1%水泥時效果最優，其凍融劈裂強度比TSR和殘留穩定度，比對照組分別提高了28.8%和22.6%，且優于混合料單摻0.4%AMRⅠ型抗剝落劑時的改善效果。

3)通過SEM掃描電鏡對破碎礫石試樣斷面進行微觀分析，發現礫石表面孔隙率大，結構疏松，表面微觀結構比較平順，微觀比表面積較小，不能使瀝青與集料充分接觸。且礫石的主要成分為石英，與呈酸性的瀝青黏結性較差，宏觀上表現為礫石瀝青混合料的抗拉拔性能較差。

4)將水泥摻入礫石瀝青混合料中，可使礫石表面形成多孔、粗糙的表面層，增加瀝青與礫石之間的接觸面積，而抗剝落劑的加入能降低瀝青與集料的界面張力，減小瀝青與集料的接觸角，改善瀝青在集料表面的鋪展程度，兩者的共同作用使得瀝青與礫石的黏附功增大，達到黏附性增強的效果。