瀝青與玄武巖粗集料黏附性水煮法試驗(yàn)及評價(jià)方法的改進(jìn)

肖春發(fā)，羅衛(wèi)，張仕，符亞軍

(湖南省建筑科學(xué)研究院，湖南 長沙 410002)

玄武巖是優(yōu)質(zhì)的瀝青路面筑路材料，在建設(shè)高峰期，玄武巖集料供不應(yīng)求，各地也有吸水率較大的玄武巖集料出現(xiàn)，雖然相關(guān)規(guī)范中對集料吸水率有要求，但這些集料在常規(guī)的與瀝青黏附性試驗(yàn)(以下均稱黏附性試驗(yàn))中，均有較好的檢測指標(biāo)，從而常常誤導(dǎo)參建各方采用這類集料，實(shí)際應(yīng)用后，路面往往會出現(xiàn)較嚴(yán)重的水損害，常規(guī)檢測方法已不能真實(shí)評價(jià)瀝青與高吸水率玄武巖集料的黏附性。該文通過改進(jìn)試驗(yàn)方法，選擇4種不同吸水率玄武巖粗集料，確定合理的含水量比，在該含水量比狀態(tài)下與瀝青裹覆，測試在水煮過程中瀝青膜剝落所需要的時(shí)間，不同吸水率玄武巖抗水剝離能力呈現(xiàn)顯著的差異和規(guī)律，吸水率與剝落時(shí)間建立對應(yīng)關(guān)系，并通過其他玄武巖集料驗(yàn)證對應(yīng)關(guān)系，確定黏附性等級劃分，評價(jià)集料的抗水剝離能力。作為吸水率指標(biāo)的補(bǔ)充，改進(jìn)的黏附性等級評價(jià)可作為粗集料是否合格的判斷方法，為混合料設(shè)計(jì)及原材料選擇提供參考。

1 常規(guī)黏附性試驗(yàn)

取通車后留樣的4種不同吸水率的13.2～19 mm玄武巖碎石，按照測試規(guī)范要求，各取一組系牢烘干后充分與瀝青裹覆，在微沸水中水煮3 min，測試瀝青膜的剝落程度，結(jié)果如表1所示。

表1 不同吸水率玄武巖與瀝青黏附性試驗(yàn)測試結(jié)果及路面實(shí)際狀況

由測試結(jié)果可以看出：在常規(guī)測試方法下，不同吸水率玄武巖的黏附性均為較理想的5級，無法合理判斷高吸水率玄武巖的抗水剝離能力。

2 常規(guī)黏附性試驗(yàn)的缺陷

黏附性試驗(yàn)主要是模擬瀝青與碎石在高溫情況下裹覆，在100℃的水中沸煮一定時(shí)間后，瀝青膜的剝離程度，但瀝青混合料拌和過程中，集料的加熱時(shí)間、瀝青的摻入量都是標(biāo)準(zhǔn)化控制的，與試驗(yàn)室的情況有顯著的不同，同時(shí)實(shí)際路面的抗水損害影響因素有荷載、雨水沖刷等。玄武巖黏附性試驗(yàn)主要有以下幾點(diǎn)缺陷：

(1) 未考慮高吸水率玄武巖內(nèi)部孔隙存在殘留水的情況對黏附性的影響。在拌和樓里，集料加熱溫度及時(shí)間是標(biāo)準(zhǔn)化的，臨時(shí)更換一種集料后，往往不會臨時(shí)提高加熱溫度及延長加熱時(shí)間，高吸水率玄武巖集料孔隙內(nèi)勢必有殘留水的存在，而在室內(nèi)試驗(yàn)中，集料要烘干至恒重并干燥，室內(nèi)試驗(yàn)與拌和樓實(shí)際生產(chǎn)存在較大出入。

(2) 未考慮雨水沖刷對黏附性的影響。路面淋雨后，在車輛荷載作用下，雨水沖刷孔隙，對面層內(nèi)部集料表面的瀝青膜有沖刷作用，而室內(nèi)試驗(yàn)是在微沸的水中進(jìn)行，幾乎沒有水流動，也不會產(chǎn)生沖刷作用。

(3) 黏附性試驗(yàn)瀝青膜厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于拌和樓瀝青混合料瀝青膜厚度。拌和樓中是將瀝青加入到集料中拌和，瀝青含量往往只有百分之幾，而室內(nèi)試驗(yàn)是將碎石浸到瀝青中，有足夠的瀝青充分裹覆集料表面，瀝青膜厚度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過混合料。

(4) 剝落面積的判斷存在主觀性，無法定量評價(jià)。剝落面積的判斷全靠肉眼，而且剝落百分比也是大概估算，測試結(jié)果與觀察者有關(guān)，不同的觀察者可能得出不同的結(jié)果。

(5) 試驗(yàn)室沸煮時(shí)間有爭議。水損害有一個(gè)時(shí)間的過程，微沸狀態(tài)下煮3 min，對于玄武巖等堿性石料，幾乎看不出什么異常。

3 改進(jìn)方向

綜合以上因素，尋找一種既能考慮玄武巖孔隙中殘留水、雨水沖刷的影響，又能考慮瀝青膜厚度的折減及定量評價(jià)的試驗(yàn)方法，該文考慮了以下的改進(jìn)方向，以期能反映玄武巖瀝青路面實(shí)際的抗水損害能力。

(1) 考慮玄武巖中存在一定的含水量，將表1中4種玄武巖集料飽水后，表干狀態(tài)放入(105±5) ℃烘箱烘干24 h，含水量測試頻率按以下方法進(jìn)行：前0.5 h每10 min測試一次，12 h內(nèi)每0.5 h測試1次，12 h后每1 h測試一次。測試結(jié)果如圖1、2所示。

圖1 集料含水量隨烘干時(shí)間變化圖

圖2 前12 h含水量比變化

由圖1、2可知：4組集料含水量在前幾個(gè)小時(shí)內(nèi)變化較大，越往后變化越小。按4組集料的平均值統(tǒng)計(jì)，烘干10、20、30、180、720 min集料含水量與表干狀態(tài)含水量的比(以下統(tǒng)稱含水量比)分別為0.81、0.65、0.52、0.25、0.0(表2)。

(2) 考慮瀝青膜厚度比實(shí)際施工中大，增加試驗(yàn)過程中的不利條件，在滾沸水環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，并且將碎石置于沸泡上方，以沸泡對碎石及瀝青膜的沖擊來模擬沖刷作用。

表2 關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)含水量比統(tǒng)計(jì)

(3) 不再按3 min的煮沸時(shí)間考慮，也不按常規(guī)檢測方法觀察剝落面積，而是按完全剝落，即碎石表面裸露、瀝青全浮于水面上所需要的時(shí)間來記錄試驗(yàn)結(jié)果。

4 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

按表2所示關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)所代表的含水量比，分別取表干、烘干10、20、30、180、720 min的碎石，裹覆70#石油瀝青后在滾沸的水中進(jìn)行試驗(yàn)，且將碎石置于沸泡上方，模擬水流沖刷，測讀瀝青膜完全剝落所用的時(shí)間，在不同的烘干狀態(tài)下，測試結(jié)果如表3所示。

表3 不同烘干狀況下剝落時(shí)間統(tǒng)計(jì)

由表3可知：

(1) 烘干時(shí)間越長，剝落時(shí)間越長。吸水率較大的1#、2#集料剝落時(shí)間前30 min內(nèi)增加幅度較大，180 min后增加幅度較??；吸水率較小的3#、4#集料剝落時(shí)間增長相對1#、2#集料平穩(wěn)，并且在烘干狀態(tài)下剝落時(shí)間小于1#、2#集料。

(2) 從吸水率依次減少的1#～4#集料的順序來看，表干未烘及烘干20 min狀態(tài)的剝落時(shí)間基本上看不出明顯差別，烘干至10 min時(shí)，隨著1#～4#集料吸水率的減少，剝落時(shí)間呈增大的趨勢，30 min及以后，隨著吸水率的減少，剝落時(shí)間同時(shí)減少。

不妨按水煮剝落時(shí)間越長，抗水剝離能力越好來評價(jià)瀝青與集料的黏附性。以上結(jié)果顯示常規(guī)烘干超過180 min以上的方法，高吸水率玄武巖表現(xiàn)的抗水剝離能力遠(yuǎn)優(yōu)于低吸水率玄武巖，而實(shí)際路面病害表現(xiàn)出來的瀝青路面抗水損害能力恰恰相反。

選擇具有代表性的烘干10 min的集料進(jìn)行試驗(yàn)，表現(xiàn)出來的結(jié)果是吸水率由大到小，其剝落時(shí)間由短變長，抗水剝離能力逐漸提高。因此烘干10 min所代表的含水量比可以作為瀝青與玄武巖黏附性試驗(yàn)條件之一。但由于只烘干10 min，雖然表面水分烘干了，但集料溫度并沒有上來，瀝青裹覆后，在懸掛冷卻過程中，受碎石本身溫度的影響，多余的瀝青并不能流掉，對測試結(jié)果有一定影響。為此需要找到一種新的方法，既能保證10 min時(shí)的含水量，又能保證碎石的溫度。

將碎石水煮飽和后取出，由于水煮集料本身和水均為100 ℃，碎石表面水分會有一部分自然蒸發(fā)，干毛巾拭去余水，此時(shí)的含水量比與烘干10 min相當(dāng)，溫度也能得到保證，用改進(jìn)的方法測試后，剝落時(shí)間也能呈現(xiàn)較好的規(guī)律(表4)。

表4 改進(jìn)后的方法與烘干10 min方法對比

結(jié)合路面的實(shí)際情況，1#、2#集料鋪筑的路面出現(xiàn)了水損害，而3#、4#集料路面無明顯水損害現(xiàn)象。說明當(dāng)剝落時(shí)間低于770 s時(shí)，集料的抗水剝離能力較差。

同時(shí)，如表3所示，隨著烘干時(shí)間的延長，各種集料的剝落時(shí)間呈增大趨勢，1#、2#集料增長速度較快，3#、4#集料增長速度較慢，在剝落時(shí)間約為1 000 s時(shí)交匯，因此可以認(rèn)為不論吸水率為多少，剝落時(shí)間超過1 000 s的，此時(shí)的黏附性能為優(yōu)良，同樣也可以作為碎石烘干10 min時(shí)的黏附性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

為此，在改進(jìn)的方法下，根據(jù)剝落時(shí)間，對黏附性等級進(jìn)行優(yōu)良、中、差3個(gè)等級劃分，優(yōu)良等級：>1 000 s；中等級：770～1 000 s之間；差等級：<770 s。

5 試驗(yàn)方法改進(jìn)的確定及驗(yàn)證

將改進(jìn)方法的吸水率-剝落時(shí)間測試結(jié)果進(jìn)行回歸，結(jié)果如圖3所示。相關(guān)系數(shù)R達(dá)到0.988，相關(guān)性較好，說明改進(jìn)的試驗(yàn)方法是可行的。

圖3 吸水率與剝落時(shí)間的回歸曲線

通過試驗(yàn)分析，確定對瀝青與粗集料黏附性試驗(yàn)及評價(jià)方法的改進(jìn)如下：

(1) 碎石通過水煮飽和后，用干毛巾拭干碎石表面水，立即浸入事先準(zhǔn)備好的熱瀝青中裹覆，讓碎石中含有一定比例的水分。

(2) 沸煮采用滾沸的方法，碎石置于沸水中的氣泡上方，模擬沖刷作用。

(3) 觀察瀝青膜剝落所用的時(shí)間，以剝落時(shí)間作為玄武巖集料抗水剝離能力評價(jià)指標(biāo)。

(4) 按剝落時(shí)間，黏附性等級分為優(yōu)良、中、差3個(gè)等級。剝落時(shí)間大于1 000 s為“優(yōu)良”等級、處于770～1 000 s之間為“中”等級、小于770 s為“差”等級。

為驗(yàn)證改進(jìn)后的試驗(yàn)評價(jià)方法，另找3組不同吸水率的玄武巖進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果如下：剝落時(shí)間與按回歸公式計(jì)算的結(jié)果差別不大，在±10 s范圍內(nèi)，黏附性等級評價(jià)結(jié)果均相同(表5)。

表5 驗(yàn)證結(jié)果統(tǒng)計(jì)

對采用3種驗(yàn)證材料的路面狀況進(jìn)行調(diào)查，3#路面幾乎無水損害，2#路面水損害不明顯，1#路面有坑槽、松散等明顯的病害，路面水損害狀況與改進(jìn)的黏附性試驗(yàn)評價(jià)結(jié)果相吻合。

6 結(jié)語

通過考慮碎石內(nèi)部一定量的水分，模擬沖刷作用，以剝落時(shí)間定量評價(jià)集料的抗水剝離能力，并通過試驗(yàn)分析，劃分了優(yōu)良、中、差3個(gè)等級的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過回歸和驗(yàn)證，證實(shí)了改進(jìn)后的瀝青與玄武巖粗集料黏附性測試方法可行有效，能真實(shí)反映路面的實(shí)際抗水損害能力，具有較好的適用性。