基于膠漿組分調整的瀝青混凝土抗水損害研究

周云華

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司,宜昌 443002)

我國經濟建設在過去幾十年里取得了突出的成就，這離不開交通運輸系統的支撐。發達的交通網絡為經濟快速發展提供了堅實的保障，截至2020年末，全國公路總里程達到519.81萬km，鐵路和水路里程則分別為14.6萬km和12.77萬km，公路里程占比超過90%，所以公路建設對整個運輸體系而言尤為重要。因瀝青混凝土路面具有噪音小、舒適性好、抗滑耐磨及平整度高等優勢，這一路面形式在我國中高等級公路建設中被廣泛采用。但近年來，隨著交通量的迅速增長，瀝青混凝土路面極易產生早期病害，如出現掉粒、剝落、坑槽等水損害現象，這嚴重威脅到路面的行車安全。針對瀝青混凝土路面的水損害問題，學者們圍繞原材料類型、設計方法、施工技術及氣候特征等方面開展了一系列的改善研究[1-3]，也確定了一些可有效改善瀝青混凝土抗水損害性能的技術措施。

基于前人取得的成果，同時為了使研究更具有針對性，首先總結了水對瀝青混凝土路面的主要破壞形式；在此基礎上，考察了瀝青膠漿組分調整這一技術方案對瀝青混凝土抗水損害性能的改善效果。

1 水對瀝青路面的破壞形式

瀝青膠漿與集料間粘附性能以及瀝青膠漿內部粘聚性能的喪失是水分對瀝青路面的破壞形式之一。在瀝青混凝土中，集料主要起形成嵌擠骨架的作用；填料和瀝青則主要參與形成瀝青膠漿，瀝青膠漿起到填充和粘結嵌擠骨架的作用[4]，使之成為有強度的整體。降雨時，大部分雨水會流向路面兩側，路表殘留的水也會逐漸蒸發掉，但少部分進入瀝青路面結構內部的水會長期滯留。當車輛通過時產生動水壓力，在動水壓力作用下，極易造成瀝青膠漿膜與集料表面發生分離。瀝青膠漿膜出現部分剝落后，水分則更容易到達瀝青膠漿和集料的粘附界面上，集料表面具有親水性，導致瀝青膠漿和集料間的粘結作用變弱，進一步加劇了瀝青膠漿膜的剝落。同時水分不僅對瀝青膠漿與集料間的粘結性能有影響，還會影響到瀝青膠漿內部的粘聚特征。在水分長期作用下，瀝青逐漸乳化因而內部的粘聚性能下降，造成瀝青膠漿在動水壓力下更加容易被剝落。

嵌擠骨架結構穩定性的喪失是水分對瀝青路面的另一種破壞形式。持續性降雨過程可能導致部分水分長期滯留在瀝青路面內部結構中，季節性氣溫交替作用(凍融循環)造成瀝青路面內部集料形成的嵌擠骨架結構失穩：冬季發生持續的凍脹作用，水結成冰體積膨脹，路面空隙率變大；氣溫回升后，冰融化成水體積收縮，但瀝青路面的空隙變化已不可恢復。這種季節性水損害使嵌擠骨架承載力下降，在荷載作用下逐漸失穩。

基于第一種破壞形式，從瀝青膠漿組成調節方面針對性地開展了研究工作：選擇性能更優的SBS改性瀝青替代基質瀝青使用，提高瀝青膠漿與集料間的粘結性能以及瀝青膠漿內部的粘聚性能；另外，瀝青呈現弱酸性，采用高堿性的消石灰替代石灰石礦粉，可改善填料與瀝青的相容性，進一步增強瀝青膠漿與集料間的粘結性能以及瀝青膠漿內部的粘聚性能。

2 瀝青混凝土的水穩定性分析

2.1 原材料

粗集料和細集料選用花崗巖，填料選用石灰石礦粉和消石灰。瀝青選用70#基質瀝青和SBS改性瀝青。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)和《公路工程集料試驗規程》(JTG E42—2005)分別對集料、填料和瀝青進行基本物理性能指標測試[5,6]。結果表明選用的原材料基本性能指標合格，均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》的技術要求[7]。

2.2 試驗方法

首先按照馬歇爾標準試驗方法設計及制備瀝青混凝土試件，選用的級配為AC-13型，花崗巖粗集料、花崗巖細集料和填料的體積摻量分別為54%、41%和5%。共使用到6種填料：消石灰替代石灰石礦粉的體積比例分別為0、20%、40%、60%、80%、100%，同時還使用到2種瀝青：70#基質瀝青和SBS改性瀝青，因此共涉及12種瀝青混凝土。由于填料摻配比例很小，雖然消石灰和石灰石礦粉的級配有所差別，但兩者按照不同體積比例摻配時對瀝青混凝土的合成級配影響較小，12種瀝青混凝土的合成級配非常接近，合成級配曲線如圖1所示。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的標準方法開展瀝青混凝土的殘留馬歇爾穩定度試驗和凍融劈裂強度比試驗[5]。

2.3 結果與討論

殘留馬歇爾穩定度試驗結果如圖2所示。從圖2中可以看出，在未加入消石灰時，基質瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩定度分別為80.2%和84.6%。瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩定度通常都在85%以上，尤其在使用SBS改性瀝青時，這說明采用花崗巖制備的瀝青混凝土水穩定性不佳。加入消石灰且當其摻入量在60%以內時，隨著消石灰摻量的增加，基質瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩定度都逐漸提高。而當消石灰摻入量超過60%時，無論是否使用SBS改性瀝青，瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩定度都不再表現出逐漸增長的趨勢，反而出現一定幅度的下降。尤其對于基質瀝青混凝土而言，當消石灰摻量由60%提高至80%時，殘留馬歇爾穩定度的下降還較為明顯。說明消石灰在填料中所占的比例并不是越高越好。

凍融劈裂強度比試驗結果如圖3所示，未摻入消石灰時，基質瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件的凍融劈裂強度比分別為75.5%和78.9%。瀝青混凝土試件的凍融劈裂強度比一般都能達到80%以上，而試驗中即便使用了SBS改性瀝青，試件的凍融劈裂強度比還是小于80%，這同樣說明采用花崗巖制備的瀝青混凝土水穩定性差。加入消石灰后，瀝青混凝土抵抗凍融破壞的能力有了明顯提升。但不同于殘留馬歇爾穩定度的變化規律，不管是基質瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件，凍融劈裂強度比均是在消石灰摻量為80%時達到最大，分別為86.3%和89.2%。但隨著消石灰摻量進一步提高到100%，基質瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件的凍融劈裂強度比都出現了下降，前者下降更明顯。因此，凍融劈裂強度試驗結果同樣表明消石灰在填料中的占比也不是越高越好。考慮到消石灰從60%提高到80%時，兩類瀝青混凝土試件的凍融劈裂強度比上升幅度都比較小，綜合考慮殘留馬歇爾穩定度和凍融劈裂強度比試驗結果，推薦將消石灰在填料中的體積占比控制在60%左右。這也在一定程度上節約了成本。

從圖2和圖3中還可看出，無論消石灰摻量如何，SBS瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩定度和凍融劈裂強度比總高于基質瀝青混凝土試件，說明SBS改性瀝青也為花崗巖瀝青混凝土水穩定性的提高做出了積極貢獻，這主要源于SBS改性瀝青優異的粘結性能。因此，建議在高等級公路或水穩定性要求較高的路面將消石灰和SBS改性瀝青結合起來使用。

3 結 論

通過殘留馬歇爾穩定度試驗和凍融劈裂強度比試驗分析了采用消石灰和SBS改性瀝青調節瀝青膠漿成分從而改善花崗巖瀝青混凝土水穩定性的可行性。結果表明，消石灰和SBS改性瀝青均能顯著改善瀝青混凝土的水穩定性，建議將消石灰的摻量(替代礦粉的體積比例)控制在60%左右，對于水穩定性要求較高的路面建議將消石灰與SBS改性瀝青結合起來使用。