方解石對瀝青混凝土長短期凍融性能影響試驗研究*

王 強,郭曉剛,郝培文,苗 瑞

(1.中交第二航務工程局有限公司第六工程分公司,湖北 武漢 430014; 2.長安大學公路學院,陜西 西安 710064; 3.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院,上海 200240)

0 引言

方解石是我國最常見的天然碳酸鈣礦物,其集合體多表現為簇形的晶體狀,敲擊可得方形碎塊,因此稱為方解石,是石灰巖的主要成分(50%以上)。石灰巖簡稱灰巖,屬于碳酸鹽巖,是常用的路面材料之一,其作為典型的堿性石料被認為雖然強度較玄武巖低,但與瀝青黏附性更好,具有一定的水穩定性,能預防早期水損害,可作為路面面層材料[1-4]。道路建設中遵循就地取材的施工原則,在缺少優質玄武巖的情況下,分布廣泛的石灰巖常被建議在路面各層結構中使用,甚至在有水的環境中,如排水路面中的下面層[5-6]。

但近年研究發現,含有較多方解石的石灰巖并不具有一般石灰巖在路面施工中的適用性,其可能會損害瀝青混凝土路面的性能。有觀點認為,方解石遇熱易崩解,會降低與瀝青的黏附性,使瀝青逐漸剝落,造成早期坑槽等路面水損害問題[7]。《浙江省高速公路瀝青路面規范化施工與質量管理指導意見(2007年修訂版)》中認為,方解石屬于軟石類,其含量應不大于集料的10%[8]。更有學者認為方解石超過集料的5%時,集料的壓碎值會受到極大影響[9]。

譚巍[10]調研了我國南方某地的石灰巖,認為硅化物含量較高、方解石含量較少的石灰巖具有更好的強度性能。Cui等[11]使用分子動力模擬研究發現,方解石集料在遇水浸潤作用下會極大地降低瀝青與集料的黏附性,破壞集料與瀝青間的微觀結構。且在CO2與咸水的作用下,石灰石中的方解石會在節里處和晶面位置產生溶解現象[12]。Har等[13]對瀝青混合料中游離的方解石進行了研究,發現其在酸性環境中易被溶蝕,且也會受硫酸根巖石的影響。同時,含方解石集料特殊的菱角性與表面的粗糙度、空隙形狀等在混合料中對與瀝青間黏附性的影響可能遠大于瀝青與巖性的作用[14-16]。

但有學者提出不同觀點。楊濤等[17]對凝灰巖的瀝青混凝土進行了水穩定性試驗測試,發現方解石含量的提高,會增強其耐高溫、耐低溫及水穩性能[18]。對含有方解石的石灰巖進行180℃壓碎值試驗,其強度沒有弱化。Lu等[19]通過分子動力模擬計算干濕狀態下界面黏結功,發現碳酸鈣分子與瀝青的水穩定性要好于氧化硅分子。Feng等[20]對高方解石含量(99%)的石灰巖表面紋理、巖性、黏附等級及與瀝青的界面強度等進行研究,發現其具有相當好的性能表現。甚至在瀝青老化后,石灰巖與瀝青的黏附性能也好于相同條件下的硅酸巖類[21]。這種矛盾可能是當前瀝青混凝土路面中石料評價體系不完善造成的。Guo等[22]認為,傳統路用石料的巖性分類方法中按照二氧化硅的含量來劃分是不合理的,這種方法不能充分表征集料內部的組分,無法判斷集料本身的強度及其與瀝青的黏附性。這使對這類石料的長、短期抗水損害,抗剝落性能的評價不足,使生產和施工缺乏依據,致使部分公路瀝青混凝土路面在通車早期就發生了大面積的坑槽、破損、推移等病害[23]。而公路設計、施工規范未對石灰巖的巖性進行再次細分,沒有給出試驗與評價的方法[24-25]。在不同氣候區域,溫差大小的不同,導致了集料對瀝青混凝土水穩定性影響的顯著性[26]。且由于室內試驗假設條件的限制,使不同研究人員得出的結論不同。

通過上述結論可知,含有方解石的瀝青混凝土在實驗室中表現較好,但在現場調研中的實際表現較差,且存在被水侵蝕的可能。目前室內試驗與現場情況是脫節的,室內試驗不能有效評價方解石對瀝青混凝土的影響,尤其是水穩定性。雖其分子在初期與瀝青產生了較好的黏結,在理想試驗環境中表現出較好的性能,但其與現場差異較大,室內模擬凍融過程不能全面再現實際路面劣化過程。方解石在瀝青混凝土中受到水的凍融作用的劣化機理仍不清晰。

為研究方解石在現場瀝青混凝土劣化過程中的作用和機理,解決室內試驗與現場情況關聯性差的問題,本文設計了自然條件下的足尺寸凍融循環試驗。通用對比室內試驗方法,經過2個自然凍融季節后,對含具有不同性質集料A,B,C的瀝青混合料A,B,C路面性能進行水穩定性及強度的試驗,對比多種不同巖性集料在同等試驗條件下對混合料的性能影響,從而獲得方解石在瀝青路面中發生破壞的機理與過程,進一步完善含有方解石的瀝青混凝土性能評價方法,為優化和控制瀝青混合集料中方解石成分提供依據。

1 試驗設計

1.1 試驗方法

為判斷含有方解石的瀝青混凝土路面在自然凍融條件下的性能下降過程,試驗依托于足尺寸加速加載環道試驗,在首年秋季攤鋪了瀝青混凝土路面,通過封閉交通,使路面在不受干擾的情況下經受2年的自然凍融過程。采集路面性能下降過程中的信息,通過使用劈裂強度試驗和提取試驗(包括集料的級配、巖性測試、瀝青含量、針入度、軟化點、延度試驗等),分析自然凍融前后的瀝青混凝土材料性能變化,對比實驗室內劈裂強度試驗、凍融劈裂試驗和車轍試驗結果,再通過對比參照試驗,得出含有方解石的瀝青混凝土在實際路面中的性能劣化機理。

根據當地的氣溫記錄,按月平均低溫降低到 0℃ 及以下開始計算凍融季節,至平均低溫高于0℃以上為止,經歷2年的凍融季節氣溫變化如圖1所示。由圖1可知,2個凍融季節的氣溫變化情況基本一致,凍融季節均處于11月至來年3月。

圖1 經歷2年的凍融季節氣溫變化Fig.1 Temperature changes in freeze-thaw season after 2 years

1.2 集料的選擇

試驗評價的集料選取了結晶灰巖(集料C),其為典型的堿性集料,方解石成分含量達到80%以上。試驗中還分別對比了中性(集料A)和酸性石料(集料C)。按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》的試驗操作方法,詳細巖性分析如下。

1)集料A 斜長角閃巖,礦物成分主要為中性,其中含角閃石82%～84%,斜長石、少量石英14%～16%,榍石、簾石、少量不透明礦物1%～3%。

2)集料B 角閃片巖,礦物成分偏酸性,其中含角閃石、輝石77%～79%,斜長石、少量石英16%～18%,榍石、簾石、碳酸鹽、不透明礦物、磷灰石等4%～6%。

3)集料C(目標集料) 結晶灰巖,礦物成分主要為堿性,其中含方解石89%～91%,石英5%～7%,透閃石、透輝石3%～5%,少量不透明礦物等。

3種集料的基礎物理性能指標如表1所示。

表1 原材料中3種集料的力學性能Table 1 Mechanical properties of three kinds of aggregates in raw materials

由表1可知,3種集料均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求,為進行更好的比較,選取壓碎值接近集料C而堅固性更好的集料A,和堅固性接近于集料C而壓碎值表現較好的集料B,以考察各基礎指標的重要性。

1.3 瀝青的選取

按照Superpave的方法設計級配,采用SBS改性瀝青,通過正交試驗確定最終級配與最佳油石比,混合料級配曲線如圖2所示。混合料A,B,C的最佳油石比分別為4.6%,4.5%,4.6%。

圖2 混合料A,B,C的級配曲線Fig.2 Gradation curve of mixture A, B and C

2 試驗結果與分析

2.1 自然凍融前混合料性能試驗

凍融前首先測試了配制好的3種混合料性能,如表2所示,均符合設計規范要求。

表2 凍融前混合料性能Table 2 Performance of mixture before freezing and thawing

由表2可知,集料C雖堅固性質量損失率比集料A高6.2%,但其凍融劈裂強度并未受到影響,3組樣品性能基本一致,這說明混合料C在實驗室條件下具有一定的抗凍融能力。雖集料A,B在原材料性能上優于集料C,但制備成混合料后,混合料C的性能卻表現稍好。這主要是因為試件內部空隙較大的部位受到凍融后,瀝青與集料黏附性下降導致強度衰減,未對集料造成損傷;且SBS改性瀝青加強了集料與瀝青間的界面,所以三者沒有明顯差異。集料C是堿性石料,相比集料A,B的中性、弱酸石料,其與瀝青的黏附性更強,因此表現出了更好的性能;故在實驗室的常規試驗中,混合料性能與界面的強度更密切。

2.2 自然凍融后材料性能調查結果

經過2個自然凍融季節后,路面材料無論從整體上還是組成上均出現了不同程度的性能下降,后文將從集料、瀝青、混合料3個角度分析。

2.2.1集料

通過試驗提取經過2個凍融季節后路面芯樣中的集料,再次按照規范的方法進行堅固性測試,結果如表3所示。

表3 提取集料的堅固性試驗結果Table 3 The results of the robustness test of the extracted aggregate

對比表1,表3可知,3組試樣集料的堅固性較凍融前均出現了下降,其中凍融后的集料C堅固性質量損失最大。因此單獨對回收的集料C進行壓碎值測定及軟弱顆粒含量測定(T 0320),發現壓碎值增長至23.9%,增長率為27.8%;軟弱顆粒含量從最初的小于3%,增長到12.1%。可推測,集料C受到自然凍融影響,有12.1%的石料產生了軟化,轉變為軟弱顆粒,但未軟化的石料仍具有一定的強度與堅固性。同時發現,瀝青混凝土中方解石的崩解與軟化是逐漸進行的,而方解石本身沒有對材料整體的強度造成直接影響,而是崩解后產生了大量的軟弱顆粒,導致結構失穩。

2.2.2瀝青

為調查富含方解石的瀝青混合料在凍融劣化過程中瀝青的作用,對提取回收的瀝青進行軟化點、延度、針入度試驗,其中,延度測試溫度為5℃,結果如表4所示。

表4 回收改性瀝青性能試驗結果Table 4 Performance test results of recycled modified asphalt

由表4可知,提取后的瀝青由于經歷年限(2年)較短,且未受到車載的損傷,受老化影響較小,其結果與RTFOT試驗結果有一定的一致性,可認為實驗室中RTFOT的老化效果相當于自然環境下2年時間的老化效果。瀝青在自然環境下老化與RTFOT老化后性能對比如圖3所示。

圖3 瀝青在自然環境下老化與RTFOT老化后性能對比Fig.3 Performance comparison of asphalt after aging in natural environment and RTFOT aging

但不同的是自然環境的老化對延度的損傷更苛刻,在針入度幾乎相同的情況下,自然環境下老化的瀝青延度下降明顯更快,自然老化對瀝青黏聚力損傷更大。這是由于自然環境中存在紫外線老化。瀝青在自然老化過程中,逐漸失去黏性,更易從石料的表面剝落,與崩解的方解石屑糅合在一起,形成瀝青泥沙,使失去瀝青裹附的石料接觸到空氣與水,促使方解石再次崩解,最終表現為層內松散與路面失穩,如圖4所示。

圖4 層內松散、失穩及產生的瀝青泥漿化Fig.4 Loose, unstable and generated asphalt slurry in the layer

由圖4可知,芯樣孔內出現瀝青泥漿化,石料碎裂化。該情況與含方解石集料的檢測結果一致,軟弱顆粒增多是該種石料發生病害的主要原因。

2.2.3級配

通過對自然凍融后的瀝青混合料進行提取,獲得凍融后的實際級配,試驗前后級配變化如圖5所示。混合料A,B級配較穩定,所以各取1點對比;選取混合料C的4點與原級配曲線進行對比。

圖5 自然凍融后混合料的級配變化Fig.5 Gradation change of mixture after natural freezing and thawing

由圖5可知,混合料A,B的級配更趨向于分布在基準級配兩側,且變化不大,產生了一定程度上的粗集料變細,細集料增多,其可能是由施工的不均勻性、碾壓機械的強度等引起的,也同樣存在一定程度上的凍融損傷,使粗集料變細。混合料C的級配變化曲線與混合料A,B的區別較大,可明顯看出其4個點的曲線均分布在原基準級配曲線上方,說明混合料C中各擋集料均在凍融后發生了變細的現象,所以混合料C的凍融損害是系統性的。在粒徑小于1.18mm的顆粒中,混合料C的級配曲線比原基準曲線位置高,可知在集料損失中部分轉化為粒徑較細的粉末狀態。

在常用的拌合溫度下,方解石雖會產生一定的崩解,但數量較小,也同樣可保證所生產的瀝青混凝土強度,初期的性能試驗數據符合設計標準,這也是部分學者認為含方解石石料可作為集料制備瀝青混凝土的原因[27]。但方解石崩解的過程是長期作用,在有水環境下,受反復凍融影響產生了崩解,這種情形應稱為凍融崩解,其影響遠大于方解石的熱崩解。

2.2.4油石比

提取后的混合料A,B,C在自然凍融后的油石比如表5所示。

表5 面層提取試驗油石比檢測結果Table 5 Oil-stone ratio test results of surface layer extraction test

由表5可知,混合料A,B中的瀝青經過2個自然凍融季節,保持了原始油石比,可判斷沒有發生剝落現象;反之,混合料C較設計油石比下降了0.18%,損耗比率達3.91%,出現較大剝落,表現為瀝青含量降低。自然凍融現場對含有方解石的瀝青混凝土會產生剝離、侵蝕的作用,這是因為雖然方解石與瀝青吸附能力較強,但方解石同樣具有親水作用,致使現場路面裂縫發展,界面易被水侵入,失去黏附作用。

2.2.5混合料

對混合料A,B,C分別進行劈裂強度試驗,以多組試驗的平均值作為該混合料劈裂強度的代表值,與凍融前的基準劈裂強度進行對比,結果如表6所示。

表6 自然凍融前、后混合料劈裂強度對比Table 6 Comparison of splitting strength of mixture before and after natural freezing and thawing

由表6可知,混合料A,B受自然凍融影響較小,對石料損害較小,所以瀝青沒有產生剝落,且瀝青發生輕微的老化作用,使瀝青混合料性能得到一定的提高[28]。但使用方解石的混合料C,受自然凍融影響較大,劈裂強度下降了9.2%,這是由于其集料開始變細、軟化,瀝青開始剝落,已產生較大的內部損害,難以形成結構強度。

實驗室結果顯示混合料A,B,C的初始劈裂強度、凍融劈裂強度均較好,符合規范要求。但經過2個自然凍融過程后,其性能發生了明顯不同的改變。參照組混合料A,B的強度與實驗室結果相比反而有所增加,這是由于實驗室中凍融劈裂試驗假設了試樣的不密實狀態,只考慮了試件空隙中的水造成的損害,與實際路面情況不符;而實際水損害是在復雜因素作用下產生的破壞,還要考慮材料界面、各成分的物理化學性質、路面結構組合及其他外部作用的耦合等因素。這是由于自然凍融的效力遠遠大于實驗室環境,在一個自然凍融季節中,可能會出現幾十次,甚至上百次的凍融循環。所以才需進行現場自然凍融試驗,來修正實驗室內試驗,從而可有效控制和預測路面材料的性能。且自然環境中雨水的酸化使方解石產生了較高的親水性,更易受到水的侵害[29-30]。

3 結語

1)集料巖性的差別不會使材料本身在物理性能上產生明顯差異,其制備的瀝青混凝土在室內性能試驗的評價中表現相近。但經過自然凍融后,含有方解石的石料較普通石料的堅固性下降更快,說明其在自然凍融條件下,抵抗凍融的能力較差。

2)含有較多方解石路面的劣化機理為:較高含量的方解石受自然凍融而崩解,引起瀝青混凝土整體材料強度的快速下降,出現路面的破壞、失穩。

3)自然凍融對含有方解石的瀝青混合料的影響要遠大于實驗室內凍融劈裂試驗模擬的結果。且凍融劈裂試驗在評價質量較好的瀝青混凝土時,往往會低估其水穩定性,而對集料較差的瀝青混凝土反而會產生高估現象。

4)瀝青混凝土室內試驗的假設條件與現場路面環境的差異是導致關聯性差的主要原因。室內試驗過多關注試件的孔隙狀態和拉應力影響,而沒有考慮其他因素,如材料黏附性、化學特性、熱穩定性等。

5)SBS改性瀝青在RTFOT試驗中的老化程度,相當于模擬了近2年自然環境的老化效果。且這種輕微的瀝青老化,在一定程度上提高了瀝青混合料強度、水穩定性。

6)自然凍融試驗可聯通室內試驗與現場路面的關系,發現室內試驗的不足,對進一步進行室內凍融試驗的修正、新標準試驗的開發具有重要意義。

巖石的巖性、結構體系十分復雜,目前技術規范的石料劃分方法難以滿足路面材料設計的需求。自然凍融試驗可較好地發現深層的路面問題,可作為修正、驗證常規試驗的重要手段。建議下一步開發縮尺寸的凍融模擬試驗,進一步完善評價方法,構建我國路面使用集料細化準則。