基于水泥裹附的酸性集料瀝青混合料性能研究

高 林，成 鋼，董 彪

（河南中檢工程檢測有限公司,河南鄭州450000）

通常熱拌瀝青混合料所用的集料為石灰巖、玄武巖等堿性或中性集料,它們與瀝青的粘附性好,不易剝落。而集料是不可再生資源,隨著近幾年我國公路事業的快速發展,石灰巖和玄武巖的存儲量越來越少。同時,堿性或中性集料在我國的分布極不平衡,如我國的內蒙古、山西、廣東、廣西等地區,石灰巖、玄武巖等集料嚴重缺乏,給當地的公路建設帶來極大的不便。從外地購置集料,會因長途運輸而增加額外成本,不符合我國的可持續和節約型發展的基本理念。酸性集料如花崗巖在我國儲量豐富,而且堅硬、致密、耐磨性強,能充分發揮集料間的嵌擠作用,但是與瀝青的粘附性不好,容易在水的作用下造成瀝青脫落,導致瀝青路面水損害的發生[1-2]。而國內外常用的改善瀝青與酸性集料的粘附性的方法主要有：1）在瀝青中摻加液體抗剝落劑[3-4],但是在實際生產過程中,由于液體抗剝落劑比重小于瀝青,通常會造成剝落劑摻合不均勻,影響實際使用效果[5]；2）利用石灰或水泥替換部分填料[6-11],但石灰或水泥并沒有直接作用于集料表面,其對粘附性的改善效果有限,同時由于石灰或水泥的加入增加了瀝青的用量,提升了成本。如果能研究出一種實用且利于推廣的酸性集料處理技術,不僅能充分發揮酸性集料良好的物理力學性能,而且能夠解決路面優質集料短缺的問題,降低工程建設成本,具有十分重要的經濟和社會效益。

基于此,本文針對酸性集料的特點,采用水泥漿液裹附酸性集料（acid aggregate coated with cement,簡稱CCA集料）改善其與瀝青的粘附性能,并對酸性集料和瀝青混合料進行相關性能測驗[12-15],研究水泥對酸性集料及混合料性能的作用效果,為CCA瀝青混合料的使用推薦合理參數。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

（1）集料

試驗中粗細集料的物理性質、力學性能均滿足規范要求,其中9.5～19 mm粒徑集料為玄武巖、花崗巖,其他粒徑集料為玄武巖。玄武巖、花崗巖的SiO2含量見表1。

表1 粗集料SiO2含量Table 1 SiO2 content of coarse aggregate

（2）水泥

采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,其技術要求見表2。

表2 水泥技術要求Table 2 Cement technical requirements

瀝青采用A級110號道路石油瀝青,礦粉為石灰石礦粉,瀝青與礦粉的技術要求均符合現行規范的相關要求。

1.2 試驗方案

（1）CCA集料的制備

首先將水泥與水混合制備足量水泥漿液,然后將粒徑為9.5～19 mm花崗巖10kg投入水泥漿液中低速攪拌120s,攪拌結束后,通過4.75mm篩瀝去多余水泥漿液,馬上分散撒布在托盤中,在室溫下養生72±3 h,養生期間應保持環境濕度在95%以上,并經常翻動避免水泥裹附集料成團結塊。試驗中采用不同水灰比水泥漿液制備CCA集料,其中水灰比分別為1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4,其他試驗條件保持不變。

（2）最優水灰比確定

將不同水灰比的CCA集料分別進行洛杉磯磨耗試驗、高溫壓碎值試驗、高溫滾筒跌落試驗、粘附性試驗,并對比分析集料的表觀狀況和力學性能,確定水泥漿液最優水灰比。

其中,高溫壓碎值試驗可以研究CCA集料在高溫狀態下抵抗壓力的狀況。

高溫跌落試驗可以模擬CCA集料在拌合樓中拌和時的跌落損失狀況：加熱集料至180℃,稱取試驗用CCA集料m0(g),將其從1.5m高度處自由下落,顆料不能丟失（下面放置收集筒,讓集料跌落至收集筒內）,集料互相跌落碰撞,重復跌落30次,用2.36mm篩除細顆粒,稱取篩上重量m1,計算質量損失率。

粘附性試驗分別采用不同水灰比的CCA集料、高溫跌落后CCA集料以及摻加抗剝落劑的酸性集料綜合對比分析。

（3）瀝青混合料性能分析

瀝青混合料級配為AC-20型,其中9.5～19 mm粒徑礦料分為酸性集料（花崗巖）、CCA集料和堿性集料（玄武巖）,其他粒徑礦料為玄武巖礦料,填料為石灰質礦粉。分別制備三種不同集料的瀝青混合料,并對混合料進行力學性能、水穩定性能、高溫穩定性能、低溫抗裂性能分析,研究三種混合料的相關性能,對CCA集料瀝青混合料進行評定。

2 試驗結果及分析

2.1 集料性能分析

(1)洛杉磯磨耗試驗

洛杉磯磨耗試驗結果能夠表征集料的抗磨耗性能,洛杉磯磨耗值越大表明集料的抗磨耗性能越差。不同水灰比CCA集料的洛杉磯磨耗值試驗結果如圖1所示（水灰比為0表示該組試驗未裹附水泥漿）。

圖1 水灰比對CCA集料洛杉磯磨耗值的影響Fig.1 Effect of water-cement ratio on LA abrasion value for CCA aggregate

由圖1可知：CCA集料磨耗值隨著水灰比的增加呈現先減小后增大的趨勢,其磨耗值均大于未裹附水泥漿的集料,即抗磨耗性能低于原狀集料（未裹附水泥漿液）,但不同水灰比CCA集料的磨耗值均低于28%,滿足規范要求。試驗后對其進行表觀觀察,CCA集料均存在不同程度的水泥殼脫落現象,但集料本身并未發現過度磨耗,水灰比為0.6、0.7的CCA集料抗磨耗性能較好,比原狀集料降低約0.5%；水灰比為0.4、0.5的CCA集料因水泥殼變厚、不均勻性大,經摩擦撞擊后脫落現象較明顯。其主要原因是酸性集料裹附水泥漿液后,由于水泥殼的強度比集料自身強度低,經摩擦、撞擊后,CCA集料表面形成的水泥殼脫落。

（2）高溫壓碎值試驗

集料壓碎值試驗是衡量集料力學性能的指標之一,壓碎值是按規定試驗方法測得的被壓碎碎屑的重量與試樣總重量之比,以百分數表示,壓碎值越大表明集料的力學性能越差。不同水灰比CCA集料在不同溫度條件下的壓碎值如圖2所示（水灰比為0表示該組試驗未裹附水泥漿）。

圖2 水灰比對CCA集料壓碎值的影響Fig.2 Effect of water-cement ratio on crush value for CCA aggregate

由圖2可知：在相同溫度條件下不同水灰比CCA集料壓碎值隨水灰比的增加呈現先增大后減小再增大的趨勢,且CCA集料壓碎值均低于26%,滿足規范要求。不同溫度狀態下,相同水灰比CCA集料壓碎值沒有明顯規律,表明溫度對于集料的壓碎值結果影響不大。隨著水泥漿濃度的增加,CCA集料的抗壓碎能力趨于原石的壓碎值水平,水泥的裹附并沒有提高碎石的抗壓碎能力,反而在水灰比為0.9、1.0時,因水泥殼易脫落,導致壓碎值偏大。

（3）高溫滾筒跌落試驗

高溫跌落試驗為模擬集料在拌合樓拌和過程中集料與拌合倉碰撞引起的質量損失,以百分數表示。跌落損失率越大表明在拌和過程中集料受損現象越嚴重。不同水灰比CCA集料的跌落損失率如圖3所示（水灰比為0表示該組試驗未裹附水泥漿）。

圖3 水灰比對CCA集料高溫跌落值的影響Fig.3 Effect of water-cement ratio on high temperature drop value for CCA aggregate

由圖3可知：不同水灰比CCA集料高溫跌落值隨著水灰比的增大,呈現先減小后增大的趨勢,水灰比為0.6時跌落損失率最小為0.4%。試驗后對其進行表觀觀察,水泥殼存在局部脫落現象,集料本身未發現過度損傷。主要原因是水泥漿液裹附集料表面形成水泥殼,水泥殼強度不足導致損失率增大。

（4）粘附性試驗

粘附性試驗能夠表征集料與瀝青的粘附性能,粘附性結果分為5級,根據受水作用后產生剝落的程度,用以判斷瀝青與集料表面的粘附性能。粘附性等級越低表明瀝青與集料的粘附性越差。不同水灰比CCA集料的粘附性結果見表3（水灰比為0表示該組試驗未裹附水泥漿）。

表3 粘附性試驗結果(級)Table 3 Adhesion test results

由表3數據可知：未裹附水泥漿液的酸性集料其粘附性較差,即使加入抗剝落劑后其粘附性仍未達到5級。而被水泥漿液裹附后,酸性集料與瀝青的粘附性得到了大幅度提升,但是隨著水泥漿液稠度的增高粘附性又呈現下降趨勢。主要原因是當水灰比較大時,水泥漿液的裹附改善了集料表面的酸堿性,使得粘附性能改善。但水灰比較小時,水泥漿液稠度增加,會導致水泥殼變厚,在進行粘附性水煮試驗時外層水泥殼出現掉落從而影響集料粘附性能。

綜合對比CCA集料磨耗值、壓碎值、高溫跌落損失值以及粘附性試驗結果,發現水泥漿液對集料力學性能并未有較好的改善效果,當水灰比過大時會引起集料裹附水泥殼過厚從而導致磨耗值、壓碎值、高溫跌落損失值的升高。但是水泥漿液能夠很好地改善酸性集料的粘附性能。綜合考慮CCA集料的穩定性和經濟性,確定最佳水泥漿水灰比為0.6。

2.2 混合料性能分析

瀝青混合料級配采用AC-20型,其中9.5～19 mm粒徑礦料分別為酸性集料（花崗巖）、CCA集料和堿性集料（玄武巖）,其它粒徑礦料為玄武巖,礦粉為石灰巖礦粉。通過馬歇爾擊實試驗確定三種瀝青混合料最佳油石比分別為4.6%、4.7%、4.7%。根據瀝青混合料油石比調整原則,同時為減少試驗過程中的變量,三種瀝青混合料統一采用4.7%油石比進行后續試驗。

（1）力學性能

瀝青混合料力學性能測試采用馬歇爾穩定度試驗,三種混合料馬歇爾穩定度試驗結果如圖4所示。

圖4 馬歇爾穩定度試驗結果Fig.4 Marshall stability test results

由圖4可知：酸性混合料馬歇爾穩定度較低,不滿足規范對于密級配瀝青混合料馬歇爾穩定度大于7.5kN的規定；當水泥裹附酸性集料表面后,馬歇爾穩定度得到了大幅度提升,強度上升85%,達到11.99kN,與堿性混合料馬歇爾穩定度相比差別不大。表明水泥漿液裹附能夠改善酸性混合料的強度。

（2）高溫穩定性能

瀝青混合料高溫穩定性測試采用車轍試驗,三種混合料高溫車轍試驗結果如圖5所示。

圖5 車轍試驗結果（60℃）Fig.5 Rutting test results（60℃）

由圖5可知：酸性混合料動穩定度較低為888次/mm,當酸性集料裹附水泥漿液后,瀝青混合料動穩定度得到大幅度提升,動穩定度上升130%,達到2052次/mm,與堿性混合料動穩定度相比差別不大。表明水泥漿液裹附能夠改善酸性瀝青混合料的抗車轍能力。

（3）水穩定性能

采用凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗分別評價三種瀝青混合料的水穩定性能,試驗結果如圖6所示。

圖6 水穩定性能試驗結果Fig. 6 Water stability test results

由圖6可知：酸性混合料殘留穩定度、凍融劈裂殘留強度比均低于規范要求值；當酸性集料裹附水泥漿液后,混合料殘留穩定度和凍融劈裂殘留強度比均得到了大幅度提升,其中殘留穩定度上升54%,凍融劈裂殘留強度比上升52%,分別達到88.3%和78.8%,與堿性混合料水穩定性能相比差別不大。表明水泥漿液裹附能夠改善酸性瀝青混合料的水穩定性能。

（4）低溫穩定性能

采用低溫小梁彎曲試驗對三種瀝青混合料的低溫抗裂性能進行測試,試驗結果見表4。

表4 低溫小梁試驗結果Table 4 Low temperature beam test results

由表4數據可知：酸性混合料勁度模量較低；當水泥裹附酸性集料表面后,彎曲勁度模量得到了提升,上升24%,達到585MPa,與堿性混合料相比差別不大。表明水泥漿液裹附能夠改善酸性混合料的低溫抗裂性能。主要原因是水泥漿液改善了瀝青與酸性集料的粘附性能,瀝青與集料的粘聚力增強,從而提升了瀝青混合料的低溫抗裂性能。

3 結論

（1）水泥漿液裹附酸性集料后,對集料力學性能并未有較好的改善效果,但是能夠很好地改善酸性集料與瀝青的黏附性能,綜合對比不同水灰比CCA集料磨耗值、壓碎值、高溫跌落損失值等力學性能,與瀝青粘附性和經濟性,確定最佳水灰比為0.6。

（2）水泥漿液裹附酸性集料能夠提升瀝青混合料的馬歇爾穩定度85%、動穩定度130%、殘留穩定度54%和殘留強度比52%、低溫彎曲勁度模量24%,與堿性集料混合料測定結果相當,表明用水泥裹附酸性集料可以改善與瀝青的粘附性。

（3）水泥裹附酸性集料能夠大幅度提升與瀝青的粘附性能,同時能夠改善酸性集料瀝青混合料的力學性能、水穩定性能。且在實際生產過程中僅需利用現有攪拌設備生產,投入資金少,生產效率高,利于大范圍推廣。