礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性復(fù)合改善技術(shù)研究

郭寅川，魏自玉，申愛琴，趙天源

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 教育部特殊地區(qū)公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064；2. 路易斯安那州立大學(xué) 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(guó))

0 引 言

隨著高速公路建設(shè)的快速發(fā)展，原材料資源消耗巨大，優(yōu)質(zhì)石料逐漸匱乏，但是我國(guó)礫石資源較為豐富，如能通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)途徑將礫石用于高速公路瀝青路面建設(shè)中，將會(huì)大大減輕石料供應(yīng)壓力，降低公路建設(shè)成本。但有關(guān)資料顯示，礫石主要成分為SiO2，巖性表現(xiàn)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(chǎn)生嚴(yán)重的水損害問題[3]。

近年來，許多學(xué)者就瀝青與酸性石料的黏附性及改善措施進(jìn)行了大量的研究，國(guó)內(nèi)外大量研究表明[4]，摻加化學(xué)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(duì)瀝青與酸性石料黏附性的改善效果，黏附性等級(jí)提高較明顯，性能穩(wěn)定，經(jīng)耐久性抗老化試驗(yàn)驗(yàn)證，老化前后差異不明顯；王延海[7]研究了不同抗剝落劑對(duì)短期老化及長(zhǎng)期老化的瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，結(jié)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(wěn)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(wěn)定度及TSR仍滿足規(guī)范要求。研究發(fā)現(xiàn)水泥和消石灰粉能與瀝青有機(jī)酸發(fā)生反應(yīng)生成吸附能力極強(qiáng)的物質(zhì)；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(huì)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(tuán)與酸性集料結(jié)合、親油團(tuán)與瀝青結(jié)合的方式達(dá)到抗剝落的效果。

總之，現(xiàn)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(duì)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(jīng)過長(zhǎng)年的自然風(fēng)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(yuǎn)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(dá)90%，可見，破碎礫石的表面性狀不同于一般酸性石料，導(dǎo)致其與瀝青之間的黏結(jié)能力更差。因此，為了系統(tǒng)研究不同外加劑種類、摻配方案以及摻量對(duì)瀝青與破碎礫石之間黏附性的影響規(guī)律及改善效果，筆者選擇無機(jī)改性材料(水泥、消石灰粉)及有機(jī)改性材料(化學(xué)抗剝落劑)作為改性材料，通過不同方案的水穩(wěn)定性試驗(yàn)分析不同摻配方案對(duì)礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性能的提升效果；借助拉拔試驗(yàn)對(duì)瀝青與破碎礫石界面黏附性的提升效果進(jìn)行定量分析。研究結(jié)果為礫石在瀝青路面建設(shè)中的應(yīng)用和推廣提供理論及技術(shù)依據(jù)。

1 原材料及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 原材料

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

無機(jī)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(shù)指標(biāo)符合相關(guān)技術(shù)要求；石灰為200目消石灰粉。

有機(jī)改性材料選用固體抗剝落劑AMRⅠ型和液體抗剝落劑AMRⅡ型。

經(jīng)檢測(cè)以上材料均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

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

表2 破碎礫石技術(shù)指標(biāo)Table 2 Crushed gravel technical indicators

1.2 礦料級(jí)配組成

本研究依托實(shí)體工程，設(shè)計(jì)了中面層所用的AC-20C礫石瀝青混合料，其級(jí)配見表3。通過馬歇爾試驗(yàn)，計(jì)算了礫石瀝青混合料的最佳油石比及相關(guān)體積指標(biāo)，見表4，均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)外大量研究表明[8-9]：水泥和消石灰粉為堿性物質(zhì)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(tuán)與酸性集料結(jié)合、親油團(tuán)與瀝青結(jié)合的方式來達(dá)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(wěn)定性，采用水泥、石灰等無機(jī)材料以及抗剝落劑作為復(fù)合改性劑，通過單摻或復(fù)配摻入等不同方式對(duì)礫石瀝青混合料進(jìn)行改性，以增強(qiáng)礫石與瀝青的界面黏結(jié)狀況。在前人研究成果及課題組大量探索性試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了14種單摻及復(fù)配摻入等改性方案，其中化學(xué)抗剝落劑是占瀝青的質(zhì)量比例；水泥及消石灰粉是替代部分礦粉，占集料的質(zhì)量比例。通過殘留穩(wěn)定度及凍融試驗(yàn)研究了改性材料種類及摻量對(duì)礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響規(guī)律；基于拉拔試驗(yàn)研究了復(fù)摻外加劑對(duì)瀝青與礫石界面黏附性改善效果。不同改性材料單摻及復(fù)配摻入試驗(yàn)方案見表5。

表3 AC-20C礫石瀝青混合料合成級(jí)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(biāo)Table 4 AC-20C gravel asphalt mixture volume index

根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果與分析

將水泥、消石灰粉及化學(xué)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(qiáng)度隨不同改性材料摻量的變化結(jié)果見表6及圖1。

表5 不同改性材料單摻、復(fù)摻試驗(yàn)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)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(shí)，礫石瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度值未能滿足規(guī)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(qiáng)度比，改善水穩(wěn)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(shì)，其摻量為1.0%時(shí)，改善效果最好，TSR值分別為82.8%、78.4%。摻加化學(xué)抗剝落劑的礫石瀝青混合料能夠明顯提高凍融劈裂強(qiáng)度比，增加礫石與瀝青之間的黏附性，提高混合料的水穩(wěn)定性能，AMRⅠ型抗剝落劑黏附性改善性能優(yōu)于AMRⅡ型，當(dāng)AMRⅠ型抗剝落劑摻加劑量為0.4%時(shí)，改善效果最優(yōu)，TSR值達(dá)到85.1%，較對(duì)照組提高了20%。

摻加水泥和石灰的礫石瀝青混合料對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度值影響較小，而抗剝落劑的摻入效果顯著，對(duì)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(qiáng)度值分別為1.21、1.03 MPa，比對(duì)照組分別提高了40.7%、68.9%。無論是TSR值還是凍融循環(huán)前后的劈裂強(qiáng)度值，均可說明抗剝落劑對(duì)礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性改善效果優(yōu)于水泥與消石灰粉。

2.2 改性材料復(fù)配時(shí)礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性結(jié)果與分析

為了充分發(fā)揮各改性材料的優(yōu)勢(shì)并探討其改性機(jī)理，基于上述試驗(yàn)，筆者進(jìn)一步將水泥、石灰等有機(jī)改性材料與化學(xué)抗剝落劑復(fù)配后對(duì)礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性能進(jìn)行研究，其凍融劈裂強(qiáng)度比和浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度值見表7及圖2、圖3。

圖2 改性材料復(fù)配后礫石瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比試驗(yàn)結(jié)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(fù)配后礫石瀝青混合料殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig. 3 Test results of residual stability of compound modified gravel asphalt mixture

由圖2、圖3可知，當(dāng)未摻加任何改性材料時(shí)，礫石瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR僅為70.9%，殘留穩(wěn)定度為75.5%，皆不滿足規(guī)范要求，這是由于礫石為酸性集料，表面微觀結(jié)構(gòu)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(jié)和吸附。當(dāng)在礫石瀝青混合料之間加入水泥、消石灰粉、抗剝落劑、或?qū)⑵溥M(jìn)行復(fù)摻時(shí)，礫石瀝青混合料的TSR值皆在75%以上，殘留穩(wěn)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(zhì)瀝青之間的黏附性，有利于提高礫石瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

對(duì)比復(fù)摻試驗(yàn)可知，同時(shí)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(wěn)定性能，而且隨水泥用量的增加，改善效果也更顯著。當(dāng)摻加0.4%AMRⅠ型抗剝落劑和1.0%水泥時(shí)，其TSR值和殘留穩(wěn)定度分別為90.9%、92.6%，分別提高了28.8%、22.6%。復(fù)摻法對(duì)礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性改善效果更為顯著。

2.3 瀝青與礫石界面拉拔試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 拉拔試驗(yàn)

為了定量分析不同改性材料對(duì)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(cè)試瀝青在破碎礫石表面的附著力，通過測(cè)量瀝青與集料界面發(fā)生破壞時(shí)的拉應(yīng)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(guī)則形狀，并將上表面打磨平整；在小容器內(nèi)拌制水泥砂漿，將打磨好的礫石顆粒壓入砂漿內(nèi)，對(duì)水泥砂漿加水養(yǎng)護(hù)7天，防止砂漿開裂，保證集料與砂漿結(jié)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薄；待集料顆粒與其表面的瀝青冷卻至室溫時(shí)，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(jìn)行黏結(jié)，靜置24 h后進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。

2.3.2 結(jié)果與分析

通過設(shè)計(jì)的拉拔試驗(yàn)，對(duì)瀝青與破碎礫石界面的拉拔力進(jìn)行測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)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(xué)抗剝落劑單摻或復(fù)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(dāng)3種改性材料分別摻入礫石瀝青混合料時(shí)，拉拔力較基準(zhǔn)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?yàn)椋嚎箘兟鋭┑募尤霕O大的增強(qiáng)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(dá)到黏附性增強(qiáng)的效果；另一方面，抗剝落劑是由極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)組成，非極性基團(tuán)與瀝青有很強(qiáng)的結(jié)合力，極性基團(tuán)帶有正電荷，與酸性集料表面所帶的負(fù)電荷二者異性相吸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(fù)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(dāng)摻加0.4%AMRⅠ抗剝落劑與1.0%水泥時(shí)，拉拔力較基準(zhǔn)組提高了36.6%，水泥和抗剝落劑復(fù)合作用可能進(jìn)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(qiáng)效果達(dá)到最優(yōu)。

3 礫石表面微觀結(jié)構(gòu)分析及礫石瀝青混合料水穩(wěn)定性改善機(jī)理

3.1 破碎礫石表面微觀結(jié)構(gòu)分析

借助SEM掃描電鏡，對(duì)破碎礫石試樣斷面進(jìn)行微觀分析，同時(shí)選擇石灰?guī)r碎石進(jìn)行對(duì)比研究，并利用掃描電鏡自身配備的X射線能譜儀對(duì)其表面的微觀成分進(jìn)行分析，從物理構(gòu)造的角度分析礫石表面微觀形貌對(duì)其宏觀性能的影響。破碎礫石與石灰?guī)r碎石的微觀結(jié)構(gòu)分別見圖4、圖5。

圖4 500倍破碎礫石微觀結(jié)構(gòu)Fig. 4 A electron microscopic photo of 500 times crushed gravel

由圖4、圖5可知：石灰?guī)r碎石具有良好的微觀形貌，表面微觀結(jié)構(gòu)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(jié)吸附；在相同倍數(shù)下，破碎礫石內(nèi)部孔隙率大，結(jié)構(gòu)疏松，表面微觀結(jié)構(gòu)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(dǎo)致瀝青與礫石集料界面黏結(jié)力較差的重要原因。

石料表面不同組成元素經(jīng)過電鏡掃描后所反應(yīng)出的能量值皆有不同，石灰?guī)r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?guī)r與礫石原子百分比Table 9 Atomic percentage of limestone and gravel

圖6 石灰?guī)r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(nèi)元素成分較為復(fù)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(jié)構(gòu)組成主要為CaCO3和MgO，呈堿性的石灰?guī)r可能會(huì)與酸性瀝青發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，增強(qiáng)石灰?guī)r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(jié)構(gòu)主要為SiO2，即礫石組成結(jié)構(gòu)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(wěn)定性改善機(jī)理

根據(jù)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(rùn)濕破碎礫石表面而形成的。由于水與破碎礫石之間的潤(rùn)濕能力要比瀝青與破碎礫石之間的潤(rùn)濕能力強(qiáng)，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(dāng)向礫石瀝青混合料中摻加1%水泥時(shí)，其凍融劈裂強(qiáng)度TSR值較基準(zhǔn)組S0提高了16.8%；當(dāng)向礫石瀝青混合料中摻加0.4%AMRⅠ型抗剝落劑+1.0%水泥時(shí)，其TSR值和殘留穩(wěn)定度分別為90.9%、92.6%，較基準(zhǔn)組分別提高了28.8%、22.6%。這是因?yàn)椋核囝w粒細(xì)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(shí)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(rùn)濕能力比水與破碎礫石之間的潤(rùn)濕能力強(qiáng)，顯著改善了瀝青與破碎礫石界面之間的黏附性能。

同時(shí)，水泥覆蓋在礫石表面也會(huì)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(dá)到黏附性增強(qiáng)的效果，從而有效改善了礫石瀝青混合料的水穩(wěn)定性能[12-13]。

4 結(jié) 論

1)水泥、消石灰粉及化學(xué)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(qiáng)度TSR、殘留穩(wěn)定度值及瀝青與破碎礫石之間的拉拔力，增強(qiáng)瀝青與破碎礫石界面黏附性，改善礫石瀝青混合料的水穩(wěn)定性，摻量為0.4%AMRⅠ型抗剝落劑的改善效果優(yōu)于水泥及消石灰粉。

2)將水泥、消石灰粉等無機(jī)改性材料與抗剝落劑進(jìn)行復(fù)配改性，復(fù)摻0.4%AMRⅠ抗剝落劑+1%水泥時(shí)效果最優(yōu)，其凍融劈裂強(qiáng)度比TSR和殘留穩(wěn)定度，比對(duì)照組分別提高了28.8%和22.6%，且優(yōu)于混合料單摻0.4%AMRⅠ型抗剝落劑時(shí)的改善效果。

3)通過SEM掃描電鏡對(duì)破碎礫石試樣斷面進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)礫石表面孔隙率大，結(jié)構(gòu)疏松，表面微觀結(jié)構(gòu)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(jié)性較差，宏觀上表現(xiàn)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(dá)到黏附性增強(qiáng)的效果。