酸性安山巖集料黏附性能改善研究

王 偉 羅 蓉 蔣 兵 章文進 許 三 金 輝

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063)(湖北省路橋集團有限公司3) 武漢 430056)

0 引 言

目前，我國瀝青路面主要采用堿性集料如石灰巖、輝綠巖作為瀝青混合料的組成材料，然而隨著我國高速公路的快速發展，用于公路建設的堿性石料日漸短缺[1].部分地區受限于當地巖石礦山，產出的集料多呈酸性，難以滿足路面集料的品質質量要求.酸性集料硬度高、耐磨性優良[2]，有利于保障路面長期服役過程中的抗滑性，但是酸性集料與瀝青同屬酸性，黏附性較差，在水的侵害作用下，容易發生水損害，降低路面使用性能[3].

本研究依托鄂洲—咸寧高速公路項目，工程采用的集料母巖為當地的安山巖.安山巖屬于噴出巖，分布范圍僅次于石灰巖，對開采出來的安山巖母巖進行物理化學組分分析發現，該安山巖硬度高，耐磨性能好，但SiO2含量為68%左右，屬弱酸性，與同屬酸性的瀝青之間黏附性較差，如果直接用于瀝青路面建設，在雨水與車輛荷載重復作用下，集料將與瀝青剝離，路面發生水損害，嚴重影響瀝青路面的使用壽命[4].當前，對于酸性集料的處置手段主要是在瀝青當中添加抗剝落劑，增強瀝青與酸性集料的黏附性，從而提高混合料的水穩定性.

實際工程實踐當中主要是將改性后的瀝青制備成瀝青混合料試件進行路用性能試驗，確定最佳的改性劑摻量，但是此方法繁瑣耗時且試驗結果依賴試驗過程，變異性較高.隨著表面自由能理論在道路工程中的運用與發展，瀝青與集料的黏附性可以被定量測定，且已被眾多研究證明其可靠性[5].文中基于表面能理論，從微觀角度，量化集料與瀝青的黏附性，從原材料性能測試、瀝青混合料配合比設計、瀝青混合料路用性能檢驗三個方面確定抗剝落劑的最佳摻量，并進行宏觀路用性能試驗，建立微觀指標ER值與宏觀路用性能指標的聯系，進而根據表面能指標ER值表征瀝青與集料的黏附性強弱.

1 原材料基本性能

1.1 集料

試驗所取的集料為安山巖，該石料在項目沿線分布范圍較廣，含量豐富，質地堅硬.采用當地安山巖石料，無需遠運外地集料，可以大大降低工程造價.不同粒徑檔位集料物理力學性質見表1～2.

表1 粗集料物理力學性能指標

表2 細集料物理力學性能指標

1.2 礦粉

試驗采用石灰石礦粉作為填料，其各項物理性能及指標見表3.

表3 礦粉物理力學性能指標

1.3 抗剝落劑

抗剝落劑是一種有機高分子化合物，分散在瀝青相中后，與酸性集料發生物理吸附或化學反應，形成化學鍵，從而提高瀝青與酸性集料之間的黏附性[6].試驗采用非胺類AMRII型瀝青抗剝落劑，其各項指標見表4.

表4 AMRII型抗剝落劑基本指標

1.4 瀝青

試驗采用SBS改性瀝青，設置0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，0.6%六個抗剝落劑摻量方案.對摻加不同含量抗剝落劑的SBS改性瀝青進行三大指標檢測，試驗結果見表5，均滿足規范要求.

表5 不同摻量抗剝落劑瀝青性能指標

2 材料表面參數測試

2.1 表面能基本定義與參數

在溫度、濕度不發生改變的條件下，材料系統

增加單位表面積時吉布斯自由能變化的能量大小稱為表面自由能[7].基于表面能相關理論，可以從微觀角度，通過分析瀝青與集料二相體系能量的改變，提出黏附功、剝落功等指標，從而量化有水狀態下瀝青與集料的黏附能力.

目前國際上常用的表面能參數采用三分量形式：γ為物質的表面張力；γLW為非極性分量；γAB為極性，其中γ+為極性酸分量，γ-為極性堿分量[8]量表示形式為

(1)

每個方案試樣均進行6次平行試驗，取其平均值作為測試值.考慮到測試環境溫度對試驗結果的影響，表面能參數測試之前，將待測的瀝青試樣、測試液體和集料試樣均置于25 ℃的室溫下，保溫至少1 h后再進行試驗.

2.2 集料表面能測試

集料表面能參數采用蒸汽吸附法測試，相較于靜滴法，蒸汽吸附方法的測試結果精度更高，變異性更小.試驗采用定制改裝的磁懸浮重量平衡系統，基本原理見圖1.

圖1 磁懸浮重量平衡系統

表面能理論中計算各參數的Young-Dupre方程.

(2)

方程(1)有三個未知的參數，因此需要選取三種已知表面能參數的獨立測試試劑(蒸餾水、2-戊酮和甲苯)進行測試，將三組測試試劑的試驗結果代入式(2)聯立方程組求解，結果見表6.

表6 安山巖集料表面能參數

2.3 瀝青表面能參數測試

采用全自動表面張力儀通過插板法來測定瀝青表面能參數.插板法通過測定接觸角來計算瀝青表面能參數，接觸角包括前進接觸角和后退接觸角，有研究表明，前進接觸角在計算瀝青表面能參數時更加精確，因此論文選取前進接觸角來進行瀝青表面能參數的測定，測試原理見圖2.前進接觸角指的是瀝青玻片插入溶液中形成的夾角，模擬的是集料與瀝青的黏附過程.

圖2 前進接觸角測試示意圖

表面能參數與接觸角關系式為

(3)

將四種已知溶劑(蒸餾水、甲酰胺、乙二醇、丙三醇)的表面能參數和所測得的瀝青在四中不同溶劑中的接觸角代入式(3)，得到六個方案下SBS改性瀝青的表面能參數，結果見表7.

表7 不同抗剝落劑含量瀝青表面能參數

2.4 最佳抗剝落劑摻量

瀝青與集料之間的黏附性可以用二者的黏附功表征，但是瀝青路面發生水損害時，往往伴隨著水分侵入瀝青-集料界面，由于外界的溫度變化、車輛荷載等作用，造成瀝青從集料表面剝落.因此需要綜合考慮瀝青與集料之間的黏附功ΔGSA和有水狀態下的剝落功ΔGSAW，已有研究表明:瀝青與集料之間黏附功ΔGSA和剝落功ΔGSAW比值的絕對值可以表征瀝青與集料之間黏附性的好壞[8].

(4)

集料-瀝青二相體系的黏附功計算方法.

(5)

有水狀態下，瀝青-集料-水三相有水剝落功計算方法.

(6)

分別將瀝青與集料的表面能參數代入式(5)～(6)，計算黏附功與有水剝落功；將結果代入式(4)，得到不同抗剝落劑摻量方案下的瀝青與集料的ER值，結果見表8.

表8 安山巖與瀝青黏附性指標

由表8可知：隨著抗剝落劑含量的增加，ER值先增大后減小.不摻加抗剝落劑時，ER值最小為1.72，0.4%摻量時達到最大，ER值為2.18，相較于不摻加抗剝落劑，ER值增加了26.7%.當抗剝落劑摻量超過0.4%后，ER值逐漸減小，減小幅度較低.表8表明在有水的情況下，抗剝落劑摻量0.4%時，瀝青與集料黏附性最好，由此確定安山巖瀝青混合料中抗剝落劑最佳摻量為0.4%.

3 安山巖水穩定性能驗證

3.1 混合料配合比設計

3.1.1最佳級配確定

根據幾種礦質材料的篩分結果，結合AC-20C瀝青混合料礦料級配范圍的要求，按照試配法對其進行了礦料組成設計.通過反復調整，最后確定礦料的合成級配曲線圖見圖3.

圖3 級配曲線圖

3.1.2最佳油石比的確定

根據JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求，按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行試驗，用馬歇爾試驗法確定最佳油石比.

采用合成級配制作油石比分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的標準馬歇爾試件，并測定試件的體積指標和馬歇爾穩定度.根據試驗檢測結果，繪制油石比與馬歇爾指標曲線圖，見圖4.

圖4 安山巖AC-20C油石比與馬歇爾指標關系圖

在曲線圖上求取相應于密度最大值、穩定度最大值、空隙率中值、瀝青飽和度范圍中值的油石比α1、α2、α3、α4，計算OAC1，則OAC1=4.69，以各項指標均符合技術標準(不含VMA)的油石比范圍OACmin～OACmax的中值作為OAC2.則OAC2=4.64，由上式可得最佳油石比為4.725，取OAC=4.665.

按照最佳合成級配和最佳油石比4.6%制作標準馬歇爾試件，并進行體積指標和馬歇爾試驗測試，試驗結果見表9.

表9 安山巖AC-20C瀝青混合料馬歇爾試驗結果

3.2 水穩定性驗證

為了評價瀝青混合料水穩定性能與抗剝落劑的關系，采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，通過浸水殘留穩定度MS0和凍融劈裂強度比TSR指標驗證安山巖瀝青混合料水穩定性與抗剝落劑摻量的關系.

結合相關試驗規范，進行多組平行試驗，排除實驗誤差的干擾，取平均值作為最后的測試值，分別測定六個方案下試件的浸水殘留穩定度比MS0和凍融劈裂強度比TSR，試驗結果見圖5.

圖5 水穩定性指標與抗剝落劑摻量關系圖

由圖5可知：不摻加抗剝落劑時，試件浸水殘留穩定度比MS0為83.3%，凍融劈裂強度比TSR為79.3%，均小于規范要求，隨著抗剝落劑摻量的增加，瀝青混合料試件的浸水殘留穩定度比MS0和凍融劈裂強度比TSR先增加后降低，當抗剝落劑摻量0.4%時，MS0和TSR達到最大，分別是95.7%和90%，相較于不摻加抗剝落劑，增加了14.9%和13.5%，這與上面的表面能試驗結果相一致.試驗結果也表明，在實際工程中，抗剝落劑的含量并不是越多越好，過量的抗剝落劑反而會降低瀝青路面的抗水損害性能.

3.3 水穩定性試驗與ER值的聯系

圖6為瀝青-集料ER值與瀝青混合料水穩定性指標的關系.由圖6可知，ER值與浸水殘留穩定度MS0和凍融劈裂強度比TSR具有較高的相關性，隨著ER值的增大，MS0和TSR隨之增大，因此可以通過ER值這個指標來表征瀝青混合料的抗水損害性能.規范要求SBS改性瀝青混合料的浸水殘留穩定度MS0不小于85，ER值應不小于1.56；SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強度比TSR不小于80，ER值應不小于1.70.

圖6 安山巖瀝青混合料水穩定性指標與ER值的關系

4 結 論

1) 通過表面能方法，從微觀角度，定量確定了酸性安山巖瀝青混合料改性劑-抗剝落劑的最佳摻量為0.4%，此時，安山巖集料與瀝青的黏附性最好，抗水損害能力最強.

2) 在宏觀方面，通過試驗對不同抗剝落劑摻量的瀝青混合料水穩定性進行研究，得出在抗剝落劑摻量為0.4%時，瀝青混合料的水穩定性能最好，這與表面能方法得出的抗剝落劑最佳摻量相一致.

3) 表面能評價黏附性指標ER值與宏觀水穩定性試驗指標MS0、TSR具有良好的相關性，可以通過ER值來確定酸性集料改性中抗剝落劑摻量，并對瀝青混合料的水穩定性進行評價.表明了基于表面能理論，從微觀角度提出的ER值指標在評價混合料抗水損害角度的實用性和有效性.