BMA、水泥復(fù)合改善花崗巖粘附性研究

郅宏飛，蔣國杰，王 勝

（同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海 201804）

0 前言

花崗巖是一種典型的酸性材料，具有較高的硬度、耐磨性[3]，作為集料用于瀝青混凝土路面建設(shè)，不但能充分發(fā)揮集料之間的嵌擠作用，對(duì)行車安全也有較好的保障，但其與瀝青的粘附性差，用水煮法測定與瀝青的粘附性等級(jí)一般在3級(jí)或3級(jí)以下[3]?！耙话銇碚f，堿性石料與瀝青間的粘附性較好，但堿性石料的耐磨性較差，而大部分的酸性石料具有耐磨性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，但與瀝青間的粘附性不好，只有少部分的中性石料才能兼顧粘附性與耐磨性均良好。水損害作為瀝青路面的主要破壞類型，根本原因是瀝青膠結(jié)料與集料的粘附性不良?！盵5]

產(chǎn)于我國海南省地區(qū)的花崗巖經(jīng)實(shí)驗(yàn)室水煮法測定，其與普通基質(zhì)瀝青（“臺(tái)塑牌”，70#）的粘附性只有2級(jí)，不滿足部標(biāo)要求：高速公路粗集料與瀝青的粘附性等級(jí)大于等于4級(jí)。但花崗巖在海南省分布廣泛，取材方便、廉價(jià)，從經(jīng)濟(jì)成本考慮是很好的道路建設(shè)材料。

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)以海南省“海南西線高速公路大中修及配套設(shè)施改造工程”試驗(yàn)段為依托，對(duì)改善海南地區(qū)產(chǎn)花崗巖瀝青粘附性進(jìn)行了多方案對(duì)比研究。作為我國緯度最低的省份，海南省常年高溫多雨，因此海南地區(qū)高等級(jí)公路建設(shè)要解決好水損害問題面臨更大的挑戰(zhàn)。因此，課題組參考國內(nèi)外已有的研究成果，結(jié)合海南地區(qū)道路工程建設(shè)的實(shí)際情況，首先測試了普通基質(zhì)瀝青與花崗巖的粘附性，同時(shí)對(duì)比添加BMA、水泥、礦粉、TW-1型抗剝落劑等進(jìn)行研究這些外摻劑對(duì)花崗巖粘附性的改善作用。

1 原材料性能

（1）瀝青采用質(zhì)量合格的“臺(tái)塑牌”普通道路石油瀝青，瀝青標(biāo)號(hào)為70#，各項(xiàng)指標(biāo)見表1所列。

表1 “臺(tái)塑牌”基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)檢測結(jié)果一覽表

（2）礦料采用三亞市尖峰石材場生產(chǎn)的花崗巖，為酸性材料，各項(xiàng)指標(biāo)見表2、表3所列。

表2 花崗巖粗集料基本性能測試值一覽表（單位：%）

表3 花崗巖細(xì)集料物理指標(biāo)一覽表（單位：%）

（3）布敦巖天然瀝青（BMA）產(chǎn)自南太平洋印度尼西亞蘇拉威西省布敦島（BUTON）。印尼布敦巖瀝青是一種天然瀝青，它是古代石油滲透到巖層間，經(jīng)過長期的海底沉淀、承受壓力和地質(zhì)變化而形成的瀝青巖，挖掘后經(jīng)破碎而成的微細(xì)顆粒狀粉末，呈淺褐色，其中瀝青含量約為20%～30%，其余均為石灰?guī)r類礦物質(zhì)。BMA常規(guī)性能指標(biāo)檢測見表4所列。

表4 BMA性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果一覽表

2 花崗巖粘附性實(shí)驗(yàn)

分別對(duì)花崗巖采用基質(zhì)瀝青、添加水泥和BMA進(jìn)行規(guī)范（JTJ052-2000）水煮法實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5所列。

表5 花崗巖粘附性實(shí)驗(yàn)方案一覽表

從表5可以看出，基質(zhì)瀝青與花崗巖的粘附性只有2級(jí)，而添加了水泥和礦粉之后，可以適當(dāng)?shù)奶岣邽r青與石料的粘附性，添加2%的水泥代替礦粉就可以使粘附等級(jí)提高到規(guī)范高等級(jí)公路最低要求4級(jí)。而添加巖瀝青的摻量為25%到35%之間時(shí)，瀝青與石料的粘附性提高到4級(jí)，可見BMA對(duì)花崗巖的粘附性有比較明顯的改善。但無論如何提高BMA的摻量，瀝青與花崗巖的粘附性始終無法達(dá)到5級(jí)，即瀝青完全裹覆石料。因此尚需進(jìn)一步研究如何提高瀝青與花崗巖的粘附性。

3 混合料水穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

考慮到BMA、水泥復(fù)合使用可能對(duì)提高瀝青混凝土抗水損害的能力更有利，而且制作馬歇爾事件，測試凍融劈裂及殘留穩(wěn)定度所反映的破壞更能反映道路的實(shí)際使用情況，因此有必要對(duì)花崗巖進(jìn)行復(fù)合改善的混合料水破壞驗(yàn)證試驗(yàn)。另外，為對(duì)比分析，課題組擬增加消石灰和TW-1型抗剝落劑實(shí)驗(yàn)方案如表6所列。

采用馬歇爾試件，雙面擊實(shí)50次，混合料級(jí)配類型為AC-13C。

表6 花崗巖水破壞實(shí)驗(yàn)方案一覽表

根據(jù)規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料實(shí)驗(yàn)規(guī)程》（JTJ052-2000）中T0729瀝青混合料凍融劈裂實(shí)驗(yàn)有關(guān)規(guī)定，將用于凍融實(shí)驗(yàn)的試件再分成2組：將第1組試件置于平臺(tái)上，在室溫下保存?zhèn)溆?，將?組試件在98.3～98.7 kPa真空條件下保持15 min，然后將試件風(fēng)別裝進(jìn)放有10 mL水的塑料袋里，在溫度為-18℃的恒溫冰箱里放置16 h后，立即放入溫度為60℃的恒溫水槽中保溫24 h。再將1組和第2組試件浸入溫度為25℃的恒溫水槽中2 h取出試件依次進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)得到試件最大荷載，所測得的凍融劈裂殘留強(qiáng)度見表7所列，殘留穩(wěn)定度見表8所列。

表7 花崗巖凍融劈裂實(shí)驗(yàn)一覽表

表8 花崗巖殘留穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)一覽表

由表7可以看到，方案1只用基質(zhì)瀝青，不添加BMA或水泥，凍融劈裂殘留強(qiáng)度只有59.28%，無法滿足規(guī)范80%以上的要求。單獨(dú)添加BMA、水泥、消石灰，TRS都能達(dá)到80%以上，但如能把水泥和BMA復(fù)合使用效果將大大提高，TRS可以達(dá)到90%以上，具有較好的效果，方案7，TRS高達(dá)93.04%。

由表8可以看到，方案1只用基質(zhì)瀝青，不添加BMA或水泥，殘留穩(wěn)定度只有73.04%，無法滿足規(guī)范80%以上的要求。單獨(dú)添加BMA、水泥、消石灰，TRS都能達(dá)到85%以上，但如能把水泥和BMA復(fù)合使用效果將大大提高，殘留穩(wěn)定度可以達(dá)到90%以上，具有較好的效果。

由表7、表8中實(shí)驗(yàn)方案7，用2%的水泥代替礦粉，添加BMA內(nèi)摻 25%，TRS最高達(dá)到93.04%，殘留穩(wěn)定度最高達(dá)到96.64%，是7種方案中抗水損害能力最強(qiáng)的一種解決方案。

4 BMA、水泥對(duì)花崗巖混合料抗水損害能力的改善分析

花崗巖是一種酸性石料，與基質(zhì)瀝青的粘附性不佳，當(dāng)以酸性石料作為瀝青混合料的骨料時(shí)，瀝青混合料的水穩(wěn)定性往往不能達(dá)到要求。而布敦巖瀝青中，氮元素以官能團(tuán)形式存在，這種存在形式使瀝青粘度增大，抗氧化性增強(qiáng)，特別是與集料的粘附性及抗剝離性得到明顯改善。另外，布敦巖瀝青具有發(fā)達(dá)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),布敦巖瀝青與普通道路石油瀝青摻混在一起時(shí),將其帶入到石油瀝青中,改善了分子間作用力,增強(qiáng)了極性鍵,轉(zhuǎn)化了蠟、萘等分子或官能團(tuán),并產(chǎn)生化學(xué)交聯(lián)、聚合生成大分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),大顆粒瀝青聚集體的低密度表面電荷使得它與礦物石料表面的吸附力增強(qiáng)、潤濕性改善,因而獲得良好的路用性能。

與石灰?guī)r礦粉相比較，水泥的比表面積較大(約 3 400 m2/kg)，而石灰?guī)r礦粉的比表面積為3 300 m2/kg左右；水泥中的堿性組分含量高，其CaO含量遠(yuǎn)高于石灰?guī)r礦粉，因此水泥的活性大，對(duì)瀝青吸附能力較強(qiáng)，當(dāng)替代了一部分礦粉之后，其直接提高了礦粉的堿性；瀝青由于含有少量羧酸與亞砜而呈弱酸性，當(dāng)水泥顆粒均勻分布于瀝青混合料中時(shí)，填料粘附于酸性集料表面，提高集料表面堿性，增加了集料接觸角，進(jìn)而提高了酸性集料與瀝青之間的粘附作用。水泥中的CaO會(huì)與瀝青中的酸性成分反應(yīng)，在瀝青與水泥界面形成較強(qiáng)的化學(xué)粘結(jié)力，其生成物具有較強(qiáng)的吸附性能，能牢固地粘附在集料表面而不剝落，這樣瀝青也就不會(huì)從集料上剝落。同時(shí),當(dāng)試件與水接觸時(shí)，水泥產(chǎn)生一定程度的水化反應(yīng),生成水泥石阻礙水分進(jìn)一步入侵。集料與瀝青的粘附性提高，從宏觀上看，能夠較大的提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

單獨(dú)使用消石灰和單獨(dú)使用水泥對(duì)花崗巖抗水損害能力的提高幾乎相當(dāng)，但不如同時(shí)內(nèi)摻25%的BMA復(fù)合改善花崗巖的水穩(wěn)定性。

消石灰因海南地區(qū)產(chǎn)量低，無大規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)，同時(shí)考慮瀝青混合料添加消石灰生產(chǎn)施工困難等因素，消石灰不宜作為海南地區(qū)抗剝落材料。

水泥對(duì)花崗巖的抗水損害改善較好，海南有大規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)，同時(shí)水泥能夠有效地提高瀝青混合料的強(qiáng)度。

BMA不僅能改善花崗巖的抗水損害能力，還能明顯提高瀝青及瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性，能與聚合物改性瀝青相媲美。“而其質(zhì)量更加穩(wěn)定，生產(chǎn)和施工簡單方便，可操作性強(qiáng)于聚合物改性瀝青?！盵6]

BMA改善了基質(zhì)瀝青的極性，水泥改善了礦料的表面特性，若兩者同時(shí)使用，共同提高了瀝青混合料的抗水損害能力，具有更好的效果。

該項(xiàng)試驗(yàn)依托“海南西線高速公路大中修及配套設(shè)施改造工程”上面層采用花崗巖AC-13C瀝青混合料類型，于2011年1月4日實(shí)施450m試驗(yàn)段（樁號(hào)：K313+70～K313+520），實(shí)施 3個(gè)月后現(xiàn)場檢測無明顯車轍或坑槽等不良破壞情況發(fā)生。

試驗(yàn)段的鋪設(shè)水穩(wěn)定性改善方案和跟蹤檢測研究，將對(duì)今后海南地區(qū)公路建設(shè)采用花崗巖具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]JTG F40-2004,公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2]JTJ 052-2000[S],公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[3]艾長發(fā),陳炯,劉東,黃兵.提高花崗巖瀝青混合料水穩(wěn)定性措施研究[J].中南公路工程,2007,(03).

[4]傅搏峰.瀝青路面水損害疲勞破壞過程的數(shù)值模擬分析[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2006，27(1)：51-58.

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