基于酸堿性評價的礫石骨料與瀝青黏附性分析

張正宇 何建新 開鑫

摘 要：為分析礫石骨料與瀝青黏附性，結(jié)合具體工程實例從骨料酸堿性出發(fā)，采用巖相法、SiO2含量法和堿度模數(shù)法研究了礫石骨料的酸堿性，再通過水煮法與光電比色法測得瀝青剝落率。結(jié)果表明：3種酸堿性判定方法的結(jié)果存在差異，巖相法僅適用于常見巖石的初步判定，堿度模數(shù)法考慮了巖石中堿性氧化物的含量，比SiO2含量法的測定結(jié)果更精確;光電比色法與水煮法測得各巖石的剝落率規(guī)律一致，光電比色法測得剝落率60%左右對應(yīng)水煮法黏附性等級4級和5級的界限;各巖石采用堿度模數(shù)法測得酸堿性與光電比色法測得剝落面積排序一致，酸性越強的巖石表面瀝青膜剝落率越高。

關(guān)鍵詞：礫石骨料;酸堿性;黏附性;光電比色法

Abstract： In order to study the effect of cement on the adhesion of gravel aggregate and asphalt mortar， the gravel aggregate and alkaline aggregate were selected to be grouped by the method of water boiling and photoelectric colorimetric test to determine the adhesion of aggregates with different bitumen mortar. The results show that cement can effectively improve the chemical properties of aggregate interface， the gravel aggregate and asphalt adhesion after cement treatment is increased by 14.6% and the gravel aggregate and asphalt adhesion is increased by 0.2% after alkaline stone powder treatment;on the other hand， cement can effectively improve the structure of mortar， gravel aggregate and cement asphalt mortar adhesive ratio stone powder asphalt mortar high 27%， the adhesion of gravel aggregate and cement bitumen mortar is 18.3% higher than that of alkaline aggregate and stone powder asphalt mortar， which indicates that cement can improve the adhesion of gravel aggregate and asphalt mortar.

Key words： gravel; asphalt mortar; adhesion; photoelectric colorimetry

1 引 言

以往的試驗研究表明，骨料是否為堿性直接關(guān)系到心墻瀝青混凝土的強度、滲透性和水穩(wěn)定性等重要性能[1]，但堿性骨料資源有限、不易開采、人工破碎的成本較高，且會對環(huán)境產(chǎn)生污染。礫石骨料因具有分布范圍廣、可就地取材、能夠降低工程造價[2]的特點被工程建設(shè)廣泛采用。然而，礫石骨料組成具有多樣性，《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》[3]中粗骨料與瀝青的黏附性試驗（水煮法）主觀性較強。為減少礫石骨料黏附性測定的主觀因素影響，張應(yīng)波等[4]隨機選取某工程中50個具有代表性的天然砂礫石石料采用傳統(tǒng)的水煮法進(jìn)行黏附性試驗，結(jié)果表明僅有一半礫石骨料黏附等級≥4級，其余均不能滿足規(guī)范要求。楊耀輝等[5]研究了幾種骨料酸堿性判定方法存在的問題以及應(yīng)用范圍，認(rèn)為不同方法可能得出不同的判定結(jié)果。王瑞林等[6]依據(jù)表面自由能理論得出破碎礫石骨料中黏附性最差的巖石可以代表礫石骨料總體黏附性能。Curtis[7]研究了石料界面與瀝青的交互作用后認(rèn)為，石料與瀝青交互作用主要由石料的化學(xué)成分決定。已有的研究中，評價石料與瀝青膠漿黏附強度的試驗大多限定于定性的單因素分析，但黏附強度的形成是多因素混雜的物理化學(xué)過程，尋求一種客觀評價礫石骨料黏附性的方法顯得尤為重要。

筆者結(jié)合工程實例，將礫石骨料經(jīng)巖相鑒定后分組，先采用巖相法、SiO2含量法和堿度模數(shù)法評價各組骨料酸堿性，再用水煮法初步判定酸堿性與骨料剝落率之間的關(guān)系，最后采用光電比色法將各組骨料與瀝青的黏附性量化，綜合客觀地評價礫石骨料酸堿性與黏附性的關(guān)系，提出了實際工程中判定礫石骨料黏附等級的方法，以期為礫石骨料在心墻瀝青混凝土中的應(yīng)用提供參考。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗所用原材料為克拉瑪依石化公司生產(chǎn)的70號（A級）道路石油瀝青（技術(shù)性能見表1）、尼雅河下游6～7 km處砂石料場破碎礫石骨料。經(jīng)檢測，所有的原材料均滿足規(guī)范要求。

2.2 試驗方法

2.2.1 巖相法

巖相法即《水工混凝土試驗規(guī)程》[8]中的骨料堿活性檢驗，目的是鑒定所用骨料（包括砂、石）的種類和成分，從而確定堿活性集料的種類和數(shù)量。具體方法是把初步選用的骨料的巖石顆粒制成薄片，在偏光顯微鏡下鑒定礦物組成、結(jié)構(gòu)等，再參考已有的標(biāo)準(zhǔn)確定巖石的名稱。然后，計算堿活性礦物含量，判定是否屬于堿活性骨料。同理，該方法應(yīng)用到礫石骨料酸堿性評價上是可行的。本研究中礫石骨料委托新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實驗研究所進(jìn)行巖相鑒定，可知道巖石名稱、結(jié)構(gòu)和礦物成分，借此可判定各骨料的酸堿性。應(yīng)用此法快捷簡便，但僅能對常見巖石進(jìn)行酸堿性判定，實際工程中可作為初步判斷方法。

2.2.2 SiO2含量法

《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》[1]中提到，巖石按SiO2含量小于45%、45%～52%、52%～65%、大于65%可分為超基性巖石、堿性巖石、中性巖石、酸性巖石。這樣，可對不同巖石進(jìn)行化學(xué)成分分析后判斷其酸堿性。

2.2.3 堿度模數(shù)法

實際工程中評價瀝青混凝土骨料酸堿性通常使用堿度模數(shù)M指標(biāo)[9]，方法是先測定巖石中SiO2、CaO、MgO、FeO的含量，再代入下式可求出M值：

2.2.4 水煮法

水煮法主觀因素較多，適用于工程實踐，方法是選取粒徑13.2～19.0 mm接近立方體的骨料洗凈烘干后裹附瀝青，然后在微沸狀態(tài)的水中浸煮3 min后觀察骨料表面瀝青膠漿的剝落程度，骨料剝落率是通過2名試驗人員分別進(jìn)行統(tǒng)計并取平均值得出，再根據(jù)表2判定黏附性等級。

2.2.5 光電比色法

光電比色法是將2.36～4.75 mm粒徑的骨料200 g裹附瀝青膠漿后，在室溫下放置24 h，稱取100 g混合料置入溫度為60 ℃、濃度為0.01 mg/mL的200 mL酚藏花紅溶液中靜置2 h，采用722型分光光度計（見圖1）測定溶液的吸光度，再根據(jù)預(yù)先測定的吸光度與濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線（見圖2），計算出瀝青膠漿的剝落率，計算公式如下。

3 結(jié)果分析

3.1 巖相鑒定結(jié)果分析

各巖樣照片見圖3。

1樣石為蝕變凝灰質(zhì)巖屑長石細(xì)砂巖，主要由陸源碎屑和少部分火山碎屑組成，巖石破碎蝕變強烈，主要為鈣化、硅化、絹云母化。陸源碎屑有石英屑、長石屑及巖屑，石英屑次棱-次圓狀，主要為細(xì)砂，不均勻分布，多沿邊緣被次生石交代，并見結(jié)晶現(xiàn)象。長石為斜長石，次圓狀，雙晶發(fā)育，局部被絹云母替代。巖屑次圓狀，其成分主要為英安巖、凝灰?guī)r巖屑。其中混有少部分火山碎屑，有晶巖、屑巖，呈棱角狀不均勻分布。粉砂屑為細(xì)粉砂，是次棱-次圓狀石英屑及斜長石屑，粒徑較小，大部分被絹云母、次生石英交代。

2樣石為鈣質(zhì)巖屑長石粉-細(xì)砂巖。巖石由陸源碎屑和膠結(jié)物組成，陸源碎屑粒徑跨度大，但其粒徑大部分在0.06～0.25 mm之間，為細(xì)砂巖，其內(nèi)約有5%的陸源碎屑的粒徑在0.006～0.06 mm之間，為粉砂屑。陸源碎屑由長石、石英和巖屑組成。長石次棱角狀-次圓狀，為鉀長石和斜長石，兩者含量相當(dāng)，斜長石偶見聚片雙晶，泥化、絹云母化、碳酸鹽化，鉀長石蝕變不明顯，部分泥化，個別可見綠簾石化;石英次棱角狀次圓狀，表面較臟濁;巖屑圓狀-次圓狀，多為泥硅質(zhì)巖屑。鏡下還可見微量綠簾石和個別鋯石。膠結(jié)物主要為方解石。

3樣石為玄武質(zhì)火山角礫巖，巖石中火山角礫粒徑大，鏡下可見最大為11 mm，手標(biāo)本上最大的角礫粒徑為18 mm。角礫次圓狀，為杏仁狀玄武巖角礫，但各個角礫結(jié)構(gòu)并不相同，礦物含量也不相同，相同處為杏仁體均由綠泥石填充。巖石中膠結(jié)物由綠泥石、黏土礦物和隱晶質(zhì)組成。

4樣石為糜棱巖，巖石受動力變質(zhì)作用，斜長石、石英有碎裂，形成碎斑和碎基，部分斜長石碎斑與石英、黑云母構(gòu)成眼球構(gòu)造。斜長石碎斑，其長軸定向分布，泥化，部分還可見碳酸鹽化，個別已錯開;石英碎斑他形粒狀，多分布于斜長石邊，少見，表面干凈。碎基中斜長石、鉀長石與石英相間分布，鉀長石未見明顯蝕變，斜長石蝕變同碎斑;黑云母片狀，綠泥石化，呈條帶狀分布，在黑云母條帶中零星分布微量片狀白云母;綠簾石半自形他粒狀，多呈連晶狀分布，其長軸定向分布，定向方向與黑云母條帶方向一致;榍石半自形他粒，少見;磷灰石自形柱粒狀，鏡下分布較均勻;金屬礦物他形粒狀。

5樣石為石英巖，巖石礦物組成簡單，絕大部分為石英，次為方解石，見微量金屬礦物。石英半自形-他形粒狀，按其粒徑可細(xì)分為兩類，一類粒徑粗大，為1.1～3.8 mm，表面多碎裂并波浮消光;另一類粒徑細(xì)小，為0.03～0.15 mm，呈集合體團(tuán)粒狀分布于石英間。金屬礦物他形粒狀，分布于石英粒間或其粒中。

由巖相鑒定結(jié)果可知，1#樣石為蝕變凝灰質(zhì)巖屑長石細(xì)砂巖、2#樣石為鈣質(zhì)巖屑長石粉-細(xì)砂巖、3樣石為玄武質(zhì)火山角礫巖、4#樣石為糜棱巖、5#樣石為石英巖。根據(jù)《水工瀝青混凝土施工規(guī)范》[10]，1～5樣石均為酸性巖石。

3.2 SiO2含量法與堿度模數(shù)法結(jié)果分析

各樣石化學(xué)成分分析結(jié)果見表3。

計算可得該礫石骨料總體SiO2含量為57.21%，屬于中性骨料。

將表3中SiO2、CaO、MgO、FeO的含量代入式（1）可知：1樣石M=0.23，為酸性巖石;2#樣石M=0.17，為酸性巖石;3#樣石M=0.33（保留3位小數(shù)為0.334），為酸性巖石;4#樣石M=0.33（保留3位小數(shù)為0.330），為酸性巖石;5樣石M=0.46，為酸性巖石。

兩種方法的測定結(jié)果有所差異：SiO2含量法測得1、3、4樣石為中性巖石，5#樣石為堿性巖石，而堿度模數(shù)法測定結(jié)果是5種樣石均為酸性。可見，同一種巖石這兩種方法測其酸堿性結(jié)果是不同的。

SiO2含量法測得的樣石酸性排序：2>1>4>3>5;堿度模數(shù)法測得的樣石酸性排序：2>1>3>4>5。其中3#和4#樣石的排序有區(qū)別，原因是3#和4#樣石SiO2含量很接近，但是堿度模數(shù)法考慮了巖石中主要堿性物質(zhì)CaO、MgO、FeO的含量情況，使結(jié)果更加精確。總體而言，兩種方法得出的巖石酸堿性規(guī)律是一樣的，堿度模數(shù)法精確性更高。

3.3 水煮法與光電比色法結(jié)果分析

水煮法試驗測定結(jié)果見表4、光電比色法試驗測定結(jié)果見表5。

由表5可以看出，1、2、3、4、5#樣石的剝落率分別為65.5%、69.5%、61.1%、58.5%、53.7%，礫石骨料混合料剝落率為62.8%。樣石按剝落面積從大到小排序為2>1>3>4>5#。這與堿度模數(shù)法排列順序相同，進(jìn)一步證明了堿度模數(shù)法的精確性。

本文判定礫石骨料的酸堿性采用了3種方法。其中，巖相法局限性較大，只能初步判定常見巖石酸堿性，并存在一定主觀性;SiO2含量法和堿度模數(shù)法均需測出SiO2含量，但兩種方法測定的結(jié)果存在一定差異，SiO2含量法簡單直接，但是堿度模數(shù)法考慮的因素更多，結(jié)果更精確，這是造成兩種方法測得酸堿性3#樣石和4#樣石排序不同的主要原因。

對比光電比色法測得各樣石的剝落率，剝落面積從大到小排序與堿度模數(shù)法酸堿性排序呈正相關(guān)，與SiO2含量法排序基本正相關(guān)。說明酸堿性是造成骨料黏附性差別的重要因素，進(jìn)而也是造成水穩(wěn)定性差別的重要因素[11]，瀝青混凝土水穩(wěn)定性隨著SiO2含量的增加呈線性衰減的趨勢，這與筆者得出的黏附性規(guī)律是一致的。

采用加權(quán)平均的方法計算礫石骨料整體的SiO2含量為57.21%，最接近3#樣石55.53%和4#樣石56.20%，從光電比色法結(jié)果中可以看出礫石骨料整體剝落率為62.8%，也極為接近3#樣石61.1%和4#樣石58.5%，表明3#、4#樣石的黏附性等級可代表該礫石骨料整體的黏附性等級。

3.4 工程應(yīng)用探討

受到設(shè)備和人員等條件的限制，水煮法依舊是實際工程中最簡便易行的礫石骨料黏附性判定方法。但水煮法受主觀因素影響較多，一方面規(guī)范中要求的加熱條件是使燒杯中的水保持微沸狀態(tài)，但不允許有沸開的泡沫，保持微沸狀態(tài)具有一定難度，人為控制這個狀態(tài)就無法排除主觀因素;另一方面在于黏附力等級的判定，完全憑借試驗人員觀察骨料瀝青膜剝落情況，誤差過大，僅4級和5級的判定結(jié)果準(zhǔn)確性較高。光電比色法將黏附指標(biāo)完全量化，但由于試驗過程中水參與破壞的情況與水煮法不同，測得剝落率較大。光電比色法與水煮法測得各巖石的剝落率規(guī)律一致，光電比色法測得剝落率60%左右，是水煮法骨料黏附性等級4級和5級的界限。

工程實踐中，使用水煮法測定礫石骨料中與整體SiO2含量相近的巖石剝落面積，即可判定礫石骨料整體的黏附性等級。

4 結(jié) 論

（1）礫石骨料采用不同的酸堿性判定方法所得結(jié)果不同，巖相法具有局限性并存在主觀因素;SiO2含量法與堿度模數(shù)法均需對骨料進(jìn)行化學(xué)成分分析，SiO2含量法直接根據(jù)骨料SiO2含量判定酸堿性，堿度模數(shù)法考慮了骨料中的堿性物質(zhì)使結(jié)果更精確。

（2）骨料的酸堿性主要受SiO2含量影響，堿性氧化物含量影響次之。堿度模數(shù)法測得酸堿性與剝落率相關(guān)性最高，骨料酸性越強，表面瀝青膜剝落面積越大。

（3）光電比色法測得剝落率60%左右是水煮法黏附性等級4級和5級的界限。工程實踐中，使用水煮法測定礫石骨料中與整體SiO2含量相近的巖石剝落面積，即可判定礫石骨料整體的黏附性等級。

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【責(zé)任編輯 趙宏偉】