若羌水庫天然礫石在混凝土心墻黏附性試驗研究

馬 軍，柳 瑩，何建新

(1.新疆水利水電規(guī)劃設(shè)計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830052)

1 瀝青混凝土用礦料組成與化學(xué)成分

粗骨料(2.36～19)mm粒徑，采自工地的礫石骨料破碎小石，其中，心墻碾壓式瀝青混凝土的骨料粒徑最大值Dmax是19mm。研究中講骨料分為4類粒徑分別是(2.36～4.75)、(4.75～9.5)、(9.5～13.2)、(13.2～19)mm，4種顆粒級配檢測見表1。

表1 粗骨料的顆粒級配通過量百分率 單位：%

粗骨料的技術(shù)性能檢測結(jié)果見表2。

表2 粗骨料的技術(shù)性能檢測

經(jīng)檢測：粗骨料質(zhì)地堅硬、新鮮，加熱過程中未出現(xiàn)開裂、分解等不良現(xiàn)象；骨料總體評價為中性(偏酸性)骨料；各項性能指標均滿足規(guī)范要求，可作為碾壓式瀝青混凝土心墻用粗骨料。

2 骨料酸堿性分析

根據(jù)送樣的礫石骨料破碎料，按巖相性質(zhì)分為了三類，分別為：1#為細粒蝕變含角閃石輝長巖；2#弱蝕變中細?；◢忛W長巖；3#含方解石石英巖，其中1#巖石占總質(zhì)量的18%，2#巖石占總質(zhì)量的76%，3#巖石占總質(zhì)量的6%。各巖石樣品及其切片圖片如圖1所示。

對該礫石骨料各樣石的SiO2含量進行檢測，檢測步驟：第一步對樣品中的化成成分進行分析鑒定，第二步根據(jù)《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計規(guī)范》中相關(guān)判定方法和標準測量出樣品中的SiO2含量。可以根據(jù)SiO2含量來作為標準判斷樣品的酸堿性。含量在45%以下的為超堿性巖石，堿性巖石SiO2含量為45%～52%，中性巖石含量在52%～65%，酸性巖石SiO2含量在65%以上。最終確定巖石的酸堿性。

其結(jié)果列于表3中，綜合各樣品巖石含量按質(zhì)量所占比例加權(quán)平均后可認為該骨料為中性(偏酸性)巖石。

3 天然礫石骨料與瀝青的黏附性試驗研究

3.1 抗剝落劑對黏附性的改善作用

為對瀝青與骨料黏結(jié)能力的強弱進行比較，采用DL/T 5362—2006《水工瀝青混凝土試驗規(guī)程》中的粗骨料黏附性等級的確定方法，即“水煮法”。

水煮法測定結(jié)果，未加抗剝落劑時，1#巖石、2#巖石黏附性等級為4級，3#巖石黏附性等級為3級，按加權(quán)平均后，黏附性等級略微的低于規(guī)范的大于等于4級的要求，可見該礫石骨料與瀝青的黏附能力不強。

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第二種抗剝落劑試驗中，選用非胺類瀝青抗剝落劑。非胺基類抗剝落劑中表面活性劑含量居多，因此在相關(guān)性能上要優(yōu)于胺類物質(zhì)。適合于各種堿性或酸性石料化學(xué)鍵不發(fā)生破壞，水穩(wěn)定性能好。本次試驗為提高骨料與瀝青的黏附性，通過調(diào)研，優(yōu)選了國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的非胺類瀝青抗剝落劑，進行比選試驗。

試驗中將熱瀝青中直接加入瀝青抗剝落劑，普通瀝青溫度不小于130℃，摻量為0.3%(瀝青的重量比)。在摻加抗剝落劑后，采用水煮法觀察試驗結(jié)果，試驗的結(jié)果判定為1#巖石5級，2#巖石5級，3#巖石4級，總體評價黏附性等級為5級，摻加抗剝落劑后，骨料與瀝青的黏附性能力得到較大改善，滿足規(guī)范要求。兩次水煮法試驗結(jié)果見圖2。

水煮法試驗設(shè)備簡單、易于操作，試驗時間短、瀝青剝落的情況直觀明顯，在工程及科學(xué)研究中應(yīng)用廣泛，但評定結(jié)果受人為主觀因素影響大，瀝青與骨料黏附性的強弱不能較好的反應(yīng)。因此，在本研究中采取了電比色法，有效的將黏附性能量化，避免了人為因素對測量結(jié)果的影響，同時不會因為水煮法分級較粗而造成實驗結(jié)果不精確，更適合科學(xué)有效的結(jié)果分析。為更加具體的對比兩種瀝青與骨料的黏附性，試驗采用光電比色法進行黏附數(shù)據(jù)的分析。光電比色法是將2.36～4.75mm粒徑的骨料200g裹附瀝青膠漿后，于正常環(huán)境溫度下靜置24h，取100g混合料，將其放入藏花紅水溶液中(200mL、60℃、0.01g/L)靜置24h后，用722型分光光度計數(shù)據(jù)結(jié)果來進一步計算濃度的變化，進而根據(jù)圖表計算出瀝青膠漿的剝落率。如圖3所示。

圖3 酚藏花紅染料標準曲線

表4 光電比色法測剝落率試驗結(jié)果

采用光電比色法測定庫車90號A級道路石油瀝青與若羌河水庫選用的破碎礫石骨料的剝落率為51.3%，加入抗剝落劑后剝落率為34.5%，剝落率明顯降低，表現(xiàn)出較好的黏附性。因此，可以得出結(jié)論抗剝落劑可以有效增骨料與瀝青的黏附度。

3.2 水泥作填料對瀝青黏附性的改善效果

按照水工瀝青混凝土試驗規(guī)程粗骨料黏附性試驗方法要求的水煮3min可以看出[6]，閃石輝長巖、花崗巖剝落面積均接近于10%，黏附性等級可定為4級，石英巖脫落面積接近20%，可定義為3級，如圖4所示，均滿足規(guī)程中規(guī)定黏附性4級的要求。隨著時間的增長3種巖石剝落面積之間出現(xiàn)較大差別。在浸煮9min時測量幾種巖石樣品表面瀝青膠漿剝落面積，超出規(guī)定范圍達到30%，并且3種骨料與瀝青黏附性的差別在此時間段內(nèi)逐漸顯露，并極速拉大。之后在9～45min時間段內(nèi)樣品的表面瀝青膜剝落面積不斷增大，但整體增速減緩，并在45min時均達到最大值，在之后保持平緩，幾乎不再變化。浸煮45min時石英巖幾乎完全剝落另外兩種巖石，閃石輝長巖與花崗巖的剝落面積在80%以上。通過實驗數(shù)據(jù)分析。從做出的圖表可以看出在浸煮3min時剝落面積百分率幾乎沒有差別，不同巖石的剝落面積百分率在3～45min還是顯現(xiàn)出比較大的差別，容易判斷。分析實驗發(fā)現(xiàn)礫石骨料較堿性骨料有更強的親水性該性能導(dǎo)致水更容易侵蝕其表面，并使其剝落。因此大理巖在浸煮的整個過程中，表面瀝青膜剝落的面積均小于細砂巖、長玢巖和花崗巖3種巖石。

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，在浸煮3min時間段內(nèi)三種巖石樣品等級沒有較大差別。不同巖石的剝落面積百分率在3～45min還是顯現(xiàn)出比較大的差別，容易判斷。另外通過試驗可以看出閃石輝長巖在試驗全時間段內(nèi)，其表面瀝青膜剝落的面積百分率數(shù)值都低于花崗巖和石英巖，分析其主要原因是因為多數(shù)礫石骨料的親水性較堿性骨料的更強，當水溶液中浸泡瀝青混凝土時，應(yīng)當將其看作是骨料、瀝青和水此3種物質(zhì)的共存體系，水和瀝青通過競爭對骨料進行不斷的浸潤，因此礫石骨料表面的瀝青膜更易受到水的侵蝕而剝落。

圖4 瀝青裹附結(jié)果

3.3 大理巖粉膠漿裹附結(jié)果分析

采用大理巖粉膠漿裹附進行進行粗骨料黏附性試驗[2]，可以發(fā)現(xiàn)，在開始的3min時間段內(nèi)，各巖石剝落情況均未發(fā)生， 3～9min時間段，石英巖首先開始發(fā)生表面瀝青膠漿膜的剝落，由0增長至5%，其余兩種巖石仍未發(fā)生剝落，9min后，除石英巖繼續(xù)加速表面瀝青膠漿膜的剝落外，花崗巖也開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，至27min時，石英巖瀝青膠漿膜剝落面積為20%，花崗巖為10%，而閃石輝長巖仍未出現(xiàn)剝落，27min后閃石輝長巖才初步開始出現(xiàn)剝落，最終在45min三種巖石均達到極值，后期不在發(fā)生明顯變化，其中石英巖達到35%，花崗巖為15%，而閃石輝長巖維持在5%。通過結(jié)果分析得出結(jié)論，在堿性物質(zhì)和瀝青拌成膠漿后，瀝青膠漿的結(jié)構(gòu)變化、軟點化、針入度和之前相比都得到一定程度的改善，并且偏酸性的礫石骨料會發(fā)生一定程度的化學(xué)吸附，使得瀝青膠漿膜厚度比之前加大，薄膜剝落面積和直接相比減小。

圖5 大理巖粉膠漿裹附結(jié)果

3.4 水泥膠漿裹附結(jié)果分析

在水泥膠漿裹附試驗中可以看出，各種骨料黏附性在經(jīng)過水泥膠漿裹附后抗剝落的效果極為明顯，在試驗中使用的石英巖、花崗巖及閃石輝長巖，在0～33min浸煮時間段內(nèi)，均未出現(xiàn)瀝青膠漿膜的剝落，在33min后也僅有石英巖骨料開始出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，并在38min時達到極大值，剝落面積也僅為5%，且后期剝落面積維持不變。從實驗結(jié)果可以看出水泥的堿性更強，可以有效地提升瀝青膠漿的堿值，從而使得巖石骨料的黏附性有更大的提升，骨料與瀝青膠漿結(jié)合更牢固。

圖6 水泥膠漿裹附結(jié)果

由表5可知，用瀝青分別裹附當?shù)[石骨料與堿性骨料，表面瀝青膜剝落面積后者比前者小7.5%，因此從結(jié)果分析可以看出和瀝青黏附性相比堿性骨料優(yōu)于礫石骨料，但是二者之間的差別并不大。

接下來是對礫石骨料表面及堿性骨料表面進行水泥處理，從實驗數(shù)據(jù)來看瀝青膜剝落面積分別降低了14.5%和12.1%，分析數(shù)據(jù)可以看出經(jīng)過水泥處理的骨料表面瀝青黏附性增強。再進一步對比發(fā)現(xiàn)經(jīng)大理巖粉處理的礫石骨料和堿性骨料，瀝青膜剝落面積分別為56.8%和49.1%，和之前相比并未發(fā)生較大改變，因此表明堿性的大粒鹽粉作用于酸、堿性骨料，對其界面與瀝青黏附性的提高并沒有正向作用。

將堿性石粉摻入瀝青形成瀝青膠漿，瀝青膠漿在裹附骨料時，表面瀝青膠漿膜剝落面積礫石骨料和堿性骨料比裹附瀝青分別相較之前減少了26.9%和27.9%，說明摻入的堿性石不僅僅起到了填充的作用，瀝青膠漿性質(zhì)也發(fā)生了改變，骨料與瀝青的黏附力得到明顯提升。

表5 光電比色法結(jié)果

在上一試驗中除摻入堿性石粉形成瀝青膠漿外，當水泥處理礫石骨料和堿性骨料表面后，膠漿膜剝落面積又分別降低了9.3%和3.6%；但是當?shù)[石骨料和堿性骨料表面經(jīng)大理巖粉處理后，膠漿膜剝落面積為29.4%、20.4%，無明顯變化。骨料表面性質(zhì)受大理巖粉的影響并不大，但是經(jīng)大理巖粉處理骨料表面能夠使得瀝青膠漿的性質(zhì)有所改善，從而增加骨料和瀝青的黏附性。

將水泥參入瀝青形成瀝青膠漿并裹附骨料時，通過試驗進行比對，發(fā)現(xiàn)無論是礫石骨料還是堿性骨料，兩者表面膠漿剝落面積均處于未剝落狀態(tài)，進一步說明礫石骨料與瀝青膠漿的黏附性與堿性骨料黏附性基本相同。礫石骨料與瀝青膠漿的黏附性提升效果，水泥明顯優(yōu)于堿性石粉，且進一步弱化了礫石骨料與堿性骨料間的黏附性。

4 結(jié)語

本次研究通過對礫石骨料的酸堿性和黏附性關(guān)系行了論證；研究了抗剝落劑、水泥改善礫石骨料與瀝青膠漿黏附性的效果；以瀝青膠漿與骨料界面的黏附強度作為對礫石骨料與瀝青膠漿黏附性的評價指標，得出以下主要結(jié)論：

(1)通過采用光電比色法可實現(xiàn)黏附指標的完全量化，有效避免憑借試驗人員觀察骨料瀝青膜剝落情況的定性方法帶來的判別誤差。

(2)瀝青與破碎礫石骨料在加入抗剝落劑后剝落率明顯降低，表現(xiàn)出較好的黏附性?？梢钥闯?，加入抗剝落劑后，可以明顯的改善骨料與瀝青的黏附能力，很大程度上提升黏附性。