高原地區(qū)酸性集料瀝青混合料路用性能研究及應(yīng)用*

尹 斌，文海東 ，魏道凱,

（1 山東交通職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 261206；2 日喀則市交通運輸局，西藏日喀則 867000）

瀝青路面在我國公路工程中占據(jù)著重要的地位［1-3］。在傳統(tǒng)的瀝青混合料配比中，由于瀝青含有瀝青酸、瀝青酸酐等酸性成分，是具有一定酸性的有機膠結(jié)材料，因此，集料一般采用玄武巖、石灰?guī)r等堿性或中性的材料，以此加強兩者之間的粘結(jié)性能，從而可以在瀝青路面工程中應(yīng)用時更好地發(fā)揮出力學(xué)性能。然而，近些年來，我國瀝青公路項目發(fā)展迅猛，由此導(dǎo)致堿性或中性集料被大量開發(fā)，部分地區(qū)集料儲量不足，繼而引起集料短缺以及價格攀升迅速等問題［4-5］，嚴(yán)重影響到了公路工程的造價和施工質(zhì)量，不利于健康和可持續(xù)發(fā)展。與此同時，酸性集料在我國分布廣泛，取材方便，因此，如何將儲量豐富的花崗巖、砂礫、砂巖、片麻巖等酸性集料用于瀝青路面的鋪裝施工，以此在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的同時降低施工造價，已經(jīng)成為行業(yè)內(nèi)亟需解決的一個問題。

瀝青與集料的粘結(jié)性能是影響瀝青路面整體質(zhì)量的直接因素［6］。針對酸性集料與瀝青粘結(jié)性能不良的問題，行業(yè)內(nèi)的主要解決方式是添加抗剝落劑［7-9］。抗剝落劑是一種陽離子型表面活性劑，一般含有極性和非極性基團，將其摻入瀝青混合料中后，其中的極性基團與酸性集料結(jié)合，而非極性基團則與瀝青結(jié)合，從而提高黏附性，實現(xiàn)抗剝落的效果［10］。然而目前市場上的抗剝落劑種類繁多、質(zhì)量參差各異，其對于具體工程的適用性難以準(zhǔn)確把握。

為此，本文以高原地區(qū)某瀝青路面工程為案例，選取市場上幾種常見的抗剝落劑進(jìn)行對比試驗，研究不同抗剝落劑摻量對酸性集料與瀝青之間黏附性能的影響，從中選擇最優(yōu)的抗剝落劑種類及摻量。同時，為進(jìn)一步提高酸性集料瀝青混合料的路用性能，設(shè)計5種不同的酸性集料瀝青混合料方案（其中1種為原始對照組，4種為改善方案）進(jìn)行路用性能評價。基于方案設(shè)計，再通過水穩(wěn)性、高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性等試驗，得出路用性能最優(yōu)的改善措施，從而更好地推動高原地區(qū)酸性集料瀝青混合料的發(fā)展與應(yīng)用。

1 原材料及性能

1.1 集料

本工程位于高原地區(qū)，因此在選擇集料時，因地制宜地將當(dāng)?shù)胤植紡V泛的片麻巖作為粗細(xì)集料。片麻巖屬于酸性集料，與瀝青的粘結(jié)性較低。除此之外，片麻巖的其余技術(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。（1）粗集料的技術(shù)指標(biāo)：石料壓碎值為22.1%；洛杉磯磨耗損失為18.8%；表觀相對密度為2.769，毛體積相對密度為2.751；吸水率為0.29；針片狀顆粒含量為5.1%；考慮高原地區(qū)，不宜采用水煮法，其水洗法顆粒含量（小于0.075毫米）為0.4%；與瀝青黏附性等級為3。（2）細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)：表觀相對密度為2.712，毛體積相對密度為2.598；砂當(dāng)量為64%。

1.2 填料

本工程的礦粉為經(jīng)磨細(xì)處理的石灰石，并將部分礦粉用消石灰替代。配制中嚴(yán)格控制消石灰和水泥質(zhì)量，尤其是細(xì)度、純度以及鎂與鈣的含量等，以保證在摻加部分消石灰后，礦粉與瀝青的黏附性能得到提高。本工程所采用礦粉的技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)范要求，具體為：表觀相對密度為2.695；含水量為0.2%；粒徑小于0.6毫米的占比為100%，粒徑小于0.15毫米的占比為97.9%，粒徑小于0.075毫米的占比為90.8%；礦粉外觀無團粒結(jié)塊現(xiàn)象；親水系數(shù)為0.3；塑性指數(shù)為3.1。本工程所采用填料的技術(shù)指標(biāo)：粒徑小于0.6毫米的占比為100%，粒徑小于0.15毫米的占比為96.8%，粒徑小于0.075毫米的占比為89.2%；有效鈣和氯化鎂的含量為71%；消石灰已經(jīng)消解完全。

1.3 改性瀝青

本工程地處高原地區(qū)，但交通量非常大，且過往的車輛超載頻繁，導(dǎo)致道路病害較為嚴(yán)重，對于柔性的瀝青路面來說，車轍病害尤其嚴(yán)重。根據(jù)當(dāng)?shù)氐臑r青路面施工和維護(hù)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)在其他技術(shù)指標(biāo)基本不變的情況下，適當(dāng)提高改性瀝青的軟化點可使瀝青路面的路用性能得到一定的提高，對于車轍病害的避免有很好的積極作用，因此本次試驗采用I-C級的SBS改性瀝青，其主要的性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求，具體如下：延度（5cm/min，5℃）為36mm；針 入 度（25℃，100g，5s）為71×0.1mm；軟化點（環(huán)球法）為71.8℃；閃點為289℃；135℃下測定的布氏黏度為1.412Pa?s；離析試驗的軟化點差為2.3℃；彈性恢復(fù)率（25℃水浴條件）為96%；TFOT薄膜烘箱 (或RTFOT旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱) 老化后的殘留物，其質(zhì)量損失為-0.47%，針入度比為71，延度（5℃）為22cm。

2 常見抗剝落劑的比選

2.1 抗剝落劑概況

抗剝落劑可改善酸性集料與瀝青之間的界面結(jié)合性能，提高兩者之間的黏附性。目前，市場上的抗剝落劑種類較多，抗剝落劑選取時應(yīng)考慮耐熱性、不易揮發(fā)性，且在拌和過程中性能穩(wěn)定。

本次試驗選取常見的4種抗剝落劑進(jìn)行對比試驗，編號分別為A、B、C、D，其具體的技術(shù)指標(biāo)情況如下：

A號抗剝落劑為黑褐色液體，無團粒結(jié)塊現(xiàn)象，比重為1.03，失效溫度為300℃以上，pH值為11.4。

B號抗剝落劑為黑褐色粘稠膏體，無團粒結(jié)塊現(xiàn)象，比重為0.93，失效溫度為250℃以上，pH值為7.4。

C號抗剝落劑為乳白色粘稠液體，無團粒結(jié)塊現(xiàn)象，比重為1.14，失效溫度為300℃以上，pH值為11.8。

D號抗剝落劑為棕色粘稠液體，無團粒結(jié)塊現(xiàn)象，比重為0.95，失效溫度為240℃以上，pH值為7.9。

在改性瀝青中分別摻加不同比例的4種抗剝落劑，并進(jìn)行黏附性試驗對比，摻加比例均為0.3%、0.4%、0.5%，每種摻加比例下的混合料均制作5個試件。

2.2 比選試驗結(jié)果及分析

（1）不摻加抗剝落劑： 3個試件的黏附性為3級，2個試件的黏附性為2級，剝離的瀝青膜面積不小于30%。

（2）摻加A號抗剝落劑：對于0.3%的摻量，有4個試件的黏附性為3級，1個試件的黏附性為2級，剝離的瀝青膜面積約為30%；對于0.4%的摻量，5個試件的黏附性均為3級，剝離的瀝青膜面積約為20%；對于0.5%的摻量，有4個試件的黏附性為4級，1個試件的黏附性為3級，剝離的瀝青膜面積約為10%。

（3）摻加B號抗剝落劑：對于0.3%的摻量，有1個試件的黏附性為4級，3個試件的黏附性為3級，1個試件的黏附性為2級，剝離的瀝青膜面積約為20%；對于0.4%的摻量，有1個試件的黏附性為4級，4個試件的黏附性為3級，剝離的瀝青膜面積約為20%；對于0.5%的摻量，有3個試件的黏附性為4級，2個試件的黏附性為3級，剝離的瀝青膜面積不少于10%。

（4）摻加C號抗剝落劑：對于0.3%的摻量，有1個試件的黏附性為4級，4個試件的黏附性為3級，剝離的瀝青膜面積約為20%；對于0.4%的摻量，有1個試件的黏附性為5級，3個試件的黏附性為4級，1個試件的黏附性為3級，剝離的瀝青膜面積約為10%；對于0.5%的摻量，有4個試件的黏附性為5級，1個試件的黏附性為4級，剝離的瀝青膜面積約為0%。

（5）摻加D號抗剝落劑：對于0.3%的摻量，有1個試件的黏附性為4級，4個試件的黏附性為3級，剝離的瀝青膜面積約為20%；對于0.4%的摻量，有3個試件的黏附性為5級，2個試件的黏附性為4級，剝離的瀝青膜面積約為5%；對于0.5%的摻量，5個試件的黏附性均為5級，剝離的瀝青膜面積約為0%。

根據(jù)試驗結(jié)果可知：對于摻量為0.3%的試件，各種抗剝落劑均能提高酸性集料與瀝青之間的黏附性，其中A號抗剝落劑的提高效果偏低。對于摻量為0.4%的試件，A號與B號抗剝落劑下的黏附等級大部分為3級，表明其對酸性集料與瀝青間黏附性的提高不明顯，C號抗剝落劑下的黏附等級達(dá)到4級，D號抗剝落劑下的黏附等級達(dá)到5級，改善效果最顯著。對于摻量為0.5%的試件，A號與B號抗剝落劑下的黏附等級勉強達(dá)到4級，表明改善效果仍不明顯，C號與D號抗剝落劑下的黏附等級均能達(dá)到5級，改善效果較好。

通過各種抗剝落劑下酸性集料與瀝青之間黏附性能改善效果的對比試驗，初步確定采用D號抗剝落劑，摻量為0.4%時最佳。同時，對摻加D號抗剝落劑的改性瀝青進(jìn)行薄膜加熱試驗，發(fā)現(xiàn)其老化后與酸性集料的黏附性依舊較好，仍為5級，表明抗剝落劑的性能保持良好。因此，采用摻量為0.4%的D號抗剝落劑進(jìn)行酸性集料瀝青混合料的改良最為合適。

3 路用性能試驗

3.1 方案設(shè)計

為進(jìn)一步提高酸性集料瀝青混合料的路用性能，設(shè)計5種不同的酸性集料瀝青混合料方案進(jìn)行路用性能評價，設(shè)計方案分別是：原始的酸性集料瀝青混合料（方案1，不采取任何措施，作為對照組）、采用消石灰替代1/3總量礦粉（方案2）、摻加0.4%抗剝落劑（方案3）、同時摻加消石灰和抗剝落劑（方案4）、采用石灰?guī)r碎屑替代片麻巖碎屑（方案5）。對以上5種設(shè)計的酸性集料瀝青混合料的水穩(wěn)性、低溫穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性等路用性能進(jìn)行對比試驗。

3.2 水穩(wěn)性試驗

本工程為對酸性集料瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)性評價，主要采用了浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗以及瀝青混合料凍融劈裂試驗。表1為具體的試驗結(jié)果。

表1 水穩(wěn)性試驗結(jié)果Table 1 Water stability test results

由表1可知，在采取一定的措施后，酸性集料瀝青混合料的水穩(wěn)性均有一定幅度的提高。從改善結(jié)果來看，方案4的改善效果比方案2和方案3更好，說明同時摻加消石灰和抗剝落劑比單獨摻加消石灰或抗剝落劑的改善效果更顯著，且只采用消石灰替代部分礦粉的效果較差。由數(shù)據(jù)知，方案5的改善效果最好，說明采用石灰?guī)r碎屑替代片麻巖后可使水穩(wěn)性進(jìn)一步提高，分析原因認(rèn)為，石灰?guī)r為堿性集料，能與酸性瀝青膠結(jié)物質(zhì)形成良好的界面膜，避免水分剝離，從而具有更好的抵抗水損害的能力。

3.3 低溫穩(wěn)定性試驗

本工程為對酸性集料瀝青混合料進(jìn)行低溫抗荷載破壞試驗，主要采用了瀝青混合料低溫彎曲試驗。表2為具體的試驗結(jié)果。

表2 低溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 2 Low temperature stability test results

由表2可知，各種方案下的措施相比對照組均有一定的改善效果，且各方案的改善效果差別不大，其中采用石灰?guī)r碎屑替代片麻巖碎屑的改善效果較其他方案更好，但區(qū)別不大。4種采取措施的方案比未采取任何措施的對照組方案的低溫破壞應(yīng)變分別增加了約17.0%、16.3%、14.2%、17.8%。

3.4 高溫穩(wěn)定性試驗

表3為各方案下的動穩(wěn)定度試驗結(jié)果。

表3 高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果Table 3 High temperature stability test results

由表3可知，采取措施的各方案相比未采取任何措施的對照組方案，其動穩(wěn)定度均有一定幅度的提高。實際上，對于瀝青混合料而言，其高溫穩(wěn)定性主要依靠的是集料的骨架支撐，而酸性集料普遍具有較好的力學(xué)性能，因此酸性集料瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性一般均符合要求。另外，在采取石灰?guī)r碎屑替代片麻巖碎屑的改善措施下，其高溫穩(wěn)定性提升效果最為明顯。

4 高原地區(qū)瀝青路面試驗情況

以我國高原地區(qū)的某瀝青路面工程為依托，對單獨采取消石灰處理及同時采取消石灰和抗剝落劑處理的酸性集料瀝青混合料進(jìn)行對比試驗，并將兩種瀝青混合料應(yīng)用于瀝青路面的下面層中，以驗證高原地區(qū)酸性集料瀝青混合料的水穩(wěn)性、低溫穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性。獲得的室內(nèi)路用性能試驗結(jié)果見表4。

表4 酸性集料瀝青混合料的室內(nèi)路用性能試驗結(jié)果Table 4 Indoor road performance test results of acid aggregate asphalt mixture

由表4可知，相比單獨采用消石灰處理，同時采取消石灰和抗剝落劑處理的酸性集料瀝青混合料在水穩(wěn)性、低溫穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性等路用性能方面均更優(yōu)，表明采取消石灰和抗剝落劑處理后，有效提高了酸性集料與瀝青的黏附性。此外，兩種處理方案的高溫穩(wěn)定性差別不大。

同時，從該高原地區(qū)瀝青路面的現(xiàn)場實施效果來看，同時采取消石灰和抗剝落劑處理的酸性集料瀝青混合料在路面碾壓成型后，其瀝青膜磨耗較小，瀝青與集料間的黏附性較好；而僅采用消石灰處理的路段，其集料表面的瀝青膜磨損嚴(yán)重。由此可見，同時采取消石灰和抗剝落劑處理的酸性集料瀝青混合料，無論是室內(nèi)試驗或現(xiàn)場鋪筑，其路用性能的提升效果均優(yōu)于單獨采取消石灰的方案。

5 結(jié)語

在高原地區(qū)的瀝青路面工程建設(shè)中，若當(dāng)?shù)氐膲A性或中性集料缺乏，則對酸性集料瀝青混合料的路用性能進(jìn)行研究將具有重大的現(xiàn)實意義。同時，為改善酸性集料瀝青混合料的路用性能，對幾種常見的抗剝落劑及其摻量進(jìn)行了比選。對各種改善酸性集料與瀝青黏附性措施的路用性能進(jìn)行了研究，并得出采用石灰?guī)r碎屑替代片麻巖碎屑的改善效果為最優(yōu)的結(jié)論，故有條件時應(yīng)盡量將石灰?guī)r碎屑替代片麻巖碎屑進(jìn)行酸性集料瀝青混合料的改良。以高原地區(qū)某瀝青路面項目為依托，對比了2種改善措施下的酸性集料瀝青混合料的路用性能，認(rèn)為同時采取消石灰和抗剝落劑處理的酸性集料瀝青混合料，其室內(nèi)試驗及現(xiàn)場鋪筑的路用性能均優(yōu)于單獨采用消石灰處理的酸性集料瀝青混合料。