酸性骨料瀝青混凝土耐久性研究

摘要：

在水工瀝青混凝土防滲結構中，瀝青與酸性骨料界面黏結性較差，長期浸水環境下瀝青與酸性骨料界面處的瀝青膜容易被水置換造成瀝青與骨料分離，從而降低整個瀝青混凝土結構的耐久性。嘗試通過添加抗剝落劑來提高酸性骨料瀝青混凝土的耐久性，并對摻抗剝落劑的酸性骨料瀝青混凝土和堿性骨料瀝青混凝土長齡期浸水和凍融循環后的力學性能與耐久性能進行了試驗研究。結果表明：摻加抗剝落劑可有效改善酸性骨料與瀝青之間的黏結力，提高酸性骨料瀝青混凝土的力學性能與耐久性能；與堿性骨料瀝青混凝土相比，摻抗剝落劑的酸性骨料瀝青混凝土具有更加優異的綜合性能，可用于水工防滲建筑中。

關 鍵 詞：

瀝青混凝土； 酸性礫石骨料； 水穩定系數； 耐久性

中圖法分類號： TV431

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.03.030

0 引 言

瀝青混凝土心墻壩具有優越的抗水滲透性能，能適應壩殼料和過渡料變形，抵抗地震破壞及環境適應性強，安全性能高，采用保溫措施后在嚴寒條件下也可進行施工，且整個心墻無須設置結構縫［1-4］。心墻瀝青混凝土的耐久性，是水工防滲結構應用于水工建筑物中最需關注的問題。然而瀝青混凝土心墻壩，除非在施工過程中發現質量問題可以挖出更換，一旦投入服役過程，則沒有維護條件。因此，必須在瀝青混凝土原材料的選擇、配合比的設計以及施工過程中的質量控制等方面做好工作，從源頭提高瀝青混凝土的質量，確保心墻瀝青混凝土擁有良好的耐久性［5］。

工程師們在科研和生產實踐中發現，在水工瀝青混凝土防滲結構中酸性瀝青與堿性骨料界面有很好的黏附性，而瀝青與酸性骨料界面黏結力較差，在長期浸水環境中，瀝青與酸性骨料界面易被水逐漸置換而從骨料表面剝離，無法保證瀝青混凝土的耐久性。目前在中國眾多水工瀝青混凝土土石壩中，對使用天然砂礫石骨料以及酸性巖石骨料仍持審慎態度，在SL 501-2010《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設計規范》［6］中，對瀝青混凝土骨料選用提出：“粗骨料宜采用破碎的堿性巖石（石灰巖、白云巖等）碎石。當采用未經過破碎的天然卵石、礫石時，其用量不宜超過粗骨料用量的一半；當采用酸性碎石時，應采取增強骨料與瀝青黏附力的措施，并經試驗論證”。國內外研究表明，通過添加胺類和非胺類抗剝落劑可有效增強酸性骨料與瀝青的黏附性［7-8］。中國于2018年建成的奴爾水利樞紐工程采用全破碎酸性天然骨料。拉洛大壩瀝青混凝土心墻于2018年12月完成總工程量的50%，由于約定的堿性骨料采購點——日喀則高新雪蓮水泥廠礦山開采范圍處在黑頸鶴保護核心區域，政府明令禁采，必須變更心墻瀝青混凝土骨料料場。拉洛水利樞紐工程具有高寒高海拔、晝夜溫差大等特點，因此本文針對酸性礫石破碎骨料進行試驗，對酸性骨料水工瀝青混凝土長期浸水及凍融耐久性性能展開研究，為水工瀝青混凝土科學設計配合比、合理選擇骨料品種以及工程建設提供參考。

1 酸性骨料瀝青混凝土浸水耐久性

1.1 長齡期浸水水穩定性試驗

水穩定試驗是在公路瀝青混凝土基礎上發展起來的成功經驗方法，主要適合公路用瀝青混凝土的特點：透水性好、抗壓強度高及抗車轍能力好。而心墻瀝青混凝土主要特點是抗滲性和變形能力要求較高，因此瀝青混凝土的孔隙率很小，水分子進入試件內部需要很長一段時間。本文借鑒相關學者提出的“將瀝青混凝土試件浸水溫度80 ℃，建立浸泡75 h相當于20 ℃水中浸泡1 a的定量關系”［9］，通過加速瀝青混凝土老化方式進行研究。室內成型按擊實法制備試件，芯樣試件采用室內加工，試件尺寸符合DL/T 5362-2018《水工瀝青混凝土試驗規程》［10］中有關規定，第一組試件在（20±1） ℃的空氣中養護不少于48 h后進行抗壓試驗，測定其抗壓強度R0；其余瀝青混凝土試件在（80±1） ℃恒溫水箱中浸泡750 h后，取出1組在（20±1） ℃水中浸泡2 h，再進行抗壓試驗，測定其抗壓強度R1。前后2組抗壓強度之比為水穩定系數K10=R1/R0，依此類推，隔750 h后從（80±1） ℃恒溫水箱中，取出1組在（20±1） ℃水中浸泡2 h，再進行抗壓試驗，測定其抗壓強度Rn，與第一組試件抗壓強度相除，為水穩定系數Kn0=Rn/R0。表1為瀝青混凝土長齡期浸水水穩定性試驗結果，圖1為瀝青混凝土浸水水穩定系數與養護齡期的關系圖。

從表1可以看出灰巖骨料室內試件（LA-5P）、酸性骨料芯樣（LT2-XP）與酸性骨料室內試件（LT2-SP）制成的瀝青混凝土初期水穩定系數分別為1.01，0.98與0.98。堿性骨料瀝青混凝土具有很好的耐水性能，符合堿性骨料與優質瀝青黏附性較好的一般規律，是由于瀝青中含有-OH、-COOH、-NH2、-SH等活性（極性）部分，由帶有偶極矩的極性基團和非極性基團組成。骨料被瀝青吸附于表面后，首先極性分子的定向作用使瀝青與骨料的界面形成吸附層；其次，由于極性的感應電動勢，非極性分子由于受到極性的感應而獲得額外的定向能力，從而形成致密的表面吸附層。此外，瀝青含有瀝青酸、瀝青酸酐、瀝青質、樹脂和油分表面活性組分，其中瀝青酸和瀝青酸酐都是陰離子型的，表面活性最強。瀝青酸及瀝青酸酐能與堿性骨料界面的Mg2+、Ca2+等陽離子發生化學反應，生成穩定的有機酸鹽，且這些高分子長鏈的有機酸鹽在瀝青與骨料界面定向排列，有利于提高其黏附性能，進而降低了水與骨料吸附的界面能力，提高了堿性骨料瀝青混凝土抗水剝落能力［11-13］。添加抗剝落劑的酸性骨料瀝青混凝土芯樣與室內成型試件均能滿足相關技術要求。瀝青與酸性骨料界面主要是物理吸附作用，瀝青與酸性骨料的界面在沒有水的情況下一般不會存在問題，但是由于水比瀝青更容易浸潤骨料的表面，水的存在將會降低瀝青與骨料之間的黏附性，影響瀝青與骨料的黏結力，并有可能導致瀝青混凝土骨料界面剝落破壞。摻入抗剝落劑后的酸性骨料瀝青混凝土，由于改善了骨料與瀝青之間的物理及化學黏附性，提高了瀝青混凝土水穩定性系數，其抵抗水對瀝青置換作用的能力較強。

從表1和圖1還能看出：隨著養護齡期的增長，3組試件瀝青混凝土的水穩定系數均呈降低趨勢。這是因為隨著加速老化環境齡期的增長，瀝青內部發生化學反應，瀝青產生老化，一方面導致瀝青膠漿力學性能降低，另一方面瀝青與骨料黏結力降低；其次在高溫養護環境下，由于骨料和瀝青的膨脹變形程度不同，改變了骨料和瀝青界面的閉口孔隙結構，隨著齡期增長，水的逐漸浸潤將會降低瀝青與骨料之間的黏結力。灰巖骨料與兩種摻抗剝落劑酸性骨料瀝青混凝土在（80±2） ℃恒溫水箱中浸泡750 h后，其水穩定系數值相差不大，分別為0.80，0.81，0.80。而浸泡2 250 h后，酸性骨料芯樣與室內酸性骨料瀝青混凝土的水穩定系數分別為0.64和0.67，灰巖骨料瀝青混凝土的浸水系數為0.66。浸泡3 750 h后，相當于在20 ℃中浸泡50 a，灰巖骨料、酸性骨料芯樣與室內酸性骨料瀝青混凝土的長期水穩定性變化很小，水穩定系數分別為0.55，0.52，0.53。瀝青中添加抗剝落劑后，能有效提高瀝青混凝土的水穩定性，這是因為抗剝落劑在與瀝青的融合過程中，其親油基與瀝青通過相似相容原理結合在一起，其親水基可以使酸性骨料形成黏結力較強的化學鍵，并促使礦料與瀝青很難發生剝落，說明灰巖骨料與摻入抗剝落劑的酸性骨料瀝青混凝土具有相同級別的長期浸水穩定性。

1.2 長齡期浸水單軸壓縮試驗

室內成型按擊實法制備試件，芯樣試件采用室內加工，試件尺寸符合DL/T 5362-2018《水工瀝青混凝土試驗規程》中有關規定。第一組試件在10 ℃的水中養護不少于48 h后進行抗壓試驗，測定其抗壓強度Rb0；其余瀝青混凝土試件在（80±1） ℃恒溫水箱中浸泡750，2 250 h及3 750 h后，取出1組在10 ℃水中浸泡2 h，再進行抗壓試驗，測定其抗壓強度Rbn，前后2組抗壓強度之比Bn0=Rbn/Rb0。表2為瀝青混凝土長齡期浸水單軸壓縮試驗結果，圖2為瀝青混凝土在80 ℃高溫水中浸泡后養護齡期與單軸抗壓強度關系。

從表2可以看出：第一組酸性骨料室內試件與酸性骨料芯樣瀝青混凝土的單軸抗壓強度比灰巖骨料瀝青混凝土強度高，分別為3.61，3.34 MPa與2.71 MPa，這是由于粗骨料在瀝青混凝土抗壓過程中起到骨架作用，酸性破碎骨料質地堅硬，堅固性較好，骨料顆粒間能形成有效的嵌擠作用，具有較高的抵抗載荷的能力，所以其抗壓強度高于灰巖骨料瀝青混凝土。

從表2和圖2還可看出：3組瀝青混凝土試件在（80±1） ℃恒溫水箱浸泡750 h后，其抗壓強度均有下降趨勢，但抗壓強度下降變化不大，分別下降到88%，87%和90%。隨著養護齡期的增長，浸泡2 250 h以及3 750 h后，抗壓強度變化不大。瀝青混凝土是溫度敏感材料，在10 ℃時的變形呈現黏彈性狀態，摻入抗剝落劑的酸性骨料瀝青混凝土與堿性骨料瀝青混凝土在長期浸水后抗壓強度變化不大。

1.3 長齡期浸水劈裂試驗

第一組試件在4.8 ℃的水中養護不少于48 h后進行劈裂試驗，測定其劈裂抗拉強度RT0；其余瀝青混凝土試件在（80±1） ℃恒溫水箱中浸泡750，2 250 h及3 750 h后，取出1組在4.8 ℃水中浸泡2 h再進行劈裂試驗，測定其劈裂抗拉強度RTn，前后2組抗壓強度之比Tn0=RTn/RT0。表3為瀝青混凝土長齡期浸水劈裂試驗結果，圖3為瀝青混凝土在80 ℃水中浸泡后養護齡期與劈裂抗拉強度的關系圖，圖4為瀝青混凝土在80 ℃高溫水中浸泡前后劈裂抗拉強度下降情況。

從表3可以看出：灰巖骨料、酸性骨料芯樣與酸性骨料室內試件制成的瀝青混凝土在初期劈裂抗拉強度分別為3.20，3.49 MPa與3.54 MPa。與同類工程相比，本次試驗的劈裂抗拉強度較大，其原因是試驗采用的特征溫度較低（4.8 ℃），加載速率大。

從表3及圖3～4還可以看出：在（80±1） ℃恒溫水箱浸泡750 h后，試件劈裂抗拉強度和破壞拉伸應變均有下降趨勢，劈裂抗拉強度分別下降到原來的65%，63%和64%。試件浸泡3 750 h后，堿性骨料瀝青混凝土與摻入抗剝落劑的酸性骨料瀝青混凝土長期浸水劈裂抗拉強度的變化不大，一方面是因為在長齡期高溫浸水作用下，瀝青從骨料表面剝離而降低瀝青混凝土的黏結強度，造成混合料逐漸松散；另一方面瀝青混凝土劈裂試件高度達63.7 mm，尺寸效應加速了瀝青混凝土結構破壞，其劈裂抗拉強度降低。

2 酸性骨料瀝青混凝土凍融耐久性

2.1 凍融劈裂試驗

試驗試件按JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T0717標準的飽水試驗方法進行真空飽水，然后將試件放入全級配混凝土抗凍試驗機中凍融循環0，10，20，30次，分別測定其劈裂抗拉強度RT0、RT1、RT2、RT3。表4為瀝青混凝土凍融劈裂試驗結果，圖5為瀝青混凝土凍融劈裂抗拉強度試驗結果，圖6為瀝青混凝土凍融劈裂破壞拉伸應變試驗結果。

從表4可看到：灰巖骨料、酸性骨料芯樣與酸性骨料室內試件制成的瀝青混凝土初期劈裂抗拉強度分別為3.20，3.49 MPa與3.54 MPa。由于酸性骨料質地堅硬，具有較高的抵抗載荷的能力，其劈裂抗拉強度高于灰巖骨料。隨著凍融次數的增加，3種瀝青混凝土凍融劈裂抗拉強度有逐漸降低的趨勢。瀝青混凝土凍融循環30次后，灰巖骨料、酸性骨料芯樣與酸性骨料室內試件瀝青混凝土的劈裂抗拉強度分別降低為初始的95%，91%及92%，由于水工瀝青混凝土孔隙率小，抗滲性高，凍融循環對瀝青混凝土力學性能影響小，在低溫快速加載試驗過程中瀝青混凝土呈現彈性狀態，瀝青混凝土強度降低變化不大。

從表4及圖5～6還可以看出：灰巖骨料、酸性骨料芯樣與酸性骨料室內試件制成的瀝青混凝土初期破壞拉伸應變分別為1.278%，1.357%與1.386%。破壞拉伸應變與其劈裂抗拉強度相對應，強度越高其破壞拉伸應變越大。3種瀝青混凝土試件在凍融循環10次后，破壞拉伸應變變化明顯，分別降低為初始值的56%，57%及59%，隨著凍融次數的增加，其破壞拉伸應變試驗結果趨于平緩。

2.2 凍融單軸壓縮試驗

單軸壓縮試件放入全級配混凝土抗凍試驗機中，凍融循環0，10，20，30次時，分別測定其單軸抗壓強度Rb0、Rb1、Rb2、Rb3。表5為瀝青混凝土凍融單軸壓縮試驗結果，圖7為瀝青混凝土凍融次數對單軸抗壓強度的影響。

從表5結果看出：灰巖骨料、酸性骨料芯樣與酸性骨料室內試件制成的瀝青混凝土初期抗壓強度分別為2.71，3.34 MPa與3.61 MPa。由于酸性骨料質地堅硬，堅固性較好，具有較高抵抗載荷的能力，所以其抗壓強度高于灰巖骨料，這與凍融劈裂試驗成果一致。隨著凍融次數的增加，3種瀝青混凝土抗壓強度有逐漸增加的趨勢，這與凍融劈裂試驗成果不同。

瀝青混凝土單軸壓縮試件在單一的凍融循環過程中具有一定的抵抗抗壓能力。凍融循環30次后，灰巖骨料、酸性骨料芯樣與酸性骨料室內試件制成的瀝青混凝土其抗壓強度分別增加為初始的119%，115%及116%。這是因為一方面水工瀝青混凝土是密集配型混凝土，滲透系數小，具有很好的抗滲性，水分子在低溫、短時間內很難浸入瀝青混凝土內部；另一方面密集配型水工瀝青混凝土仍然具有一定的開口孔隙和密閉孔隙，在凍融的作用下，瀝青混凝土中的孔隙逐漸減小，孔隙率降低，其抗壓強度增加，整體呈現出脆性破壞的特征。

3 結 語

摻抗剝落劑的酸性骨料瀝青混凝土與堿性骨料瀝青混凝土均具有良好的耐久性。隨著高溫浸水養護齡期的增長，瀝青混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度和破壞拉伸應變均有下降趨勢，但下降幅度不大。堿性骨料瀝青混凝土耐水性能較好，而摻入抗剝落劑的酸性骨料瀝青混凝土其抵抗水對瀝青置換作用的能力也有所增強。酸性骨料質地堅硬，堅固性較好，具有較高的抵抗載荷的能力，其凍融后的力學性能優于灰巖骨料瀝青混凝土。水工瀝青混凝土抗滲性好，孔隙率低，在低溫快速加載試驗過程中，凍融循環對水工瀝青混凝土力學性能影響較小，瀝青混凝土劈裂試驗呈現彈性狀態，劈裂抗拉強度降低變化不大，而單軸抗壓強度有增加的趨勢。

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（編輯：胡旭東）

Study on durability of asphalt concrete containing acidic aggregate

XIONG Zebin1，YAN Xiaohu2，DONG Yun2

（1.CISPDR，Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China； 2.Institute of Material and Structure，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In the anti-seepage structure of hydraulic asphalt concrete，the interfacial adhesion between asphalt and acidic aggregate is poor.Under long-term immersion environment，the asphalt film at the interface between asphalt and acidic aggregate is easily replaced by water，resulting in the separation of asphalt and aggregate，thus reducing the durability of the whole asphalt concrete structure.We try to improve the durability of asphalt concrete containing acidic aggregate by adding anti-stripping agent，and compare the mechanical properties and durability of asphalt concrete containing acidic aggregate and asphalt concrete containing alkaline aggregate with anti-stripping agent after long-term immersion and freeze-thaw cycles.The results showed that the addition of anti-stripping agent can effectively improve the bonding force between acid aggregate and asphalt，and improve the mechanical properties and durability of asphalt concrete containing acidic aggregate.Compared with asphalt concrete containing alkaline aggregate，asphalt concrete containing acidic aggregate by adding anti-stripping agent has better comprehensive performance and can be used in hydraulic anti-seepage buildings.

Key words：

asphalt concrete；acidic gravel aggregate；water stability coefficient；durability