不同填料對瀝青混合料粘結(jié)破壞機(jī)理的影響研究

作者簡介：

譚恩清（1985—），工程師，主要從事道路與橋梁技術(shù)研究和施工管理工作。

文章采用機(jī)械和熱力學(xué)方法，研究不同填料對瀝青混合料抵抗粘結(jié)破壞性能的影響。通過往70#瀝青中分別添加石粉、熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥四種填料，采用BBS拉脫試驗(yàn)和威廉姆平板試驗(yàn)測定了膠漿的拉脫強(qiáng)度和表面自由能;加入石灰?guī)r和花崗巖骨料制備瀝青混合料，采用凍融劈裂試驗(yàn)分析其水穩(wěn)定性能。結(jié)果表明：熟石灰和碳酸鈣作為填料對于提高混合料的抗粘結(jié)破壞性能和水穩(wěn)定性能具有顯著作用。

瀝青混合料;粘結(jié)破壞;填料

U416.21A080263

0 引言

瀝青混凝土已廣泛地應(yīng)用在世界各地的道路工程中，不斷增加的軸載、交通量、施工和設(shè)計(jì)誤差均會對瀝青路面造成重大損壞，從而降低路面的性能[1-3]。其中水損害是造成瀝青混合料內(nèi)部瀝青和集料發(fā)生剝落的最直接因素，水損害被定義為瀝青在水存在下強(qiáng)度和耐久性的降低[4-5]。

瀝青混合料發(fā)生水損害主要有兩個(gè)階段：第一階段，水分以蒸汽或液體的形式進(jìn)入混合料;第二階段，水分在混合料中形成水膜阻隔瀝青膜與集料，導(dǎo)致瀝青-集料之間界面破裂或者分離。這種斷裂破壞面產(chǎn)生在瀝青與集料界面處，導(dǎo)致瀝青與集料粘附性能降低甚至喪失的破壞稱之為粘結(jié)破壞。瀝青混合料發(fā)生粘結(jié)破壞是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，集料的物理化學(xué)性質(zhì)、瀝青的性質(zhì)和填料的礦物成分等因素都會對混合料抗粘結(jié)破壞能力產(chǎn)生影響[6-7]。盡管瀝青混合料中使用的材料對粘結(jié)破壞機(jī)理的影響很重要，但是對于瀝青膠漿與集料發(fā)生粘結(jié)破壞的研究較少。對于瀝青膠漿而言，填料的選用對于膠漿性能有著顯著影響[8-9]?；诖爽F(xiàn)狀，本研究采用機(jī)械和熱力學(xué)方法研究不同填料對于瀝青膠漿、瀝青混合料抗粘結(jié)破壞性能和水穩(wěn)定性能的影響。

1 原材料及配合比設(shè)計(jì)

為了制備不同成分的試樣，本研究分別采用了石灰?guī)r和花崗巖兩種類型的骨料來模擬酸性和堿性性質(zhì)對水分損害性能的影響?；隈R歇爾配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，石灰?guī)r和花崗巖骨料的最佳瀝青用量分別為6%和5.5%。初步試驗(yàn)結(jié)果表明，在本研究中使用3.5%～5%的填料在降低瀝青混合料的水損害方面具有最佳效果，因此選用4%作為填料的摻量。四種填料的分別為石粉、熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥，其中石粉為本研究中使用的石灰?guī)r和花崗巖骨料的粉末。瀝青材料性能數(shù)據(jù)見表1，混合料級配曲線圖見圖1。

2 粘結(jié)破壞試驗(yàn)結(jié)果

2.1 BBS拉拔試驗(yàn)

前人研究表明，BBS拉脫試驗(yàn)可作為測量瀝青材料的粘結(jié)強(qiáng)度的方法。拉脫試驗(yàn)通過測定將粘附在石板上的瀝青或?yàn)r青膠漿分離所需要的拉脫強(qiáng)度作為評價(jià)其粘結(jié)強(qiáng)度的指標(biāo)[10]。試驗(yàn)中瀝青膠漿樣品在-18 ℃的冰箱中保存16 h，然后將樣品轉(zhuǎn)移到60 ℃的水浴中保持24 h，最后在室溫（25 ℃）下保持24 h。試驗(yàn)中所用石板分別為石灰?guī)r石板和花崗巖石板，以模擬實(shí)際瀝青路面中膠漿與骨料的真實(shí)情況。拉脫試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知，填料的添加會提高瀝青膠漿的拉脫強(qiáng)度。通過對比不同填料可以發(fā)現(xiàn)，熟石灰和碳酸鈣對于瀝青膠漿的拉脫強(qiáng)度影響較大，拉脫強(qiáng)度相對于對照組提升了12%～19%;而石粉和碳酸鹽水泥的添加對于瀝青膠漿的拉脫強(qiáng)度的提升程度較小，拉脫強(qiáng)度相對于對照組提升了1%～6%。此外，在石灰?guī)r石板和花崗巖石板中可以觀察到相同的行為，這說明熟石灰和碳酸鈣作為填料對于提高混合料抵抗粘結(jié)破壞能力具有積極作用。

2.2 瀝青膠漿自由能試驗(yàn)

由于瀝青混合料在潮濕破壞中的粘結(jié)破壞與所用材料的表面性質(zhì)直接相關(guān)，表面自由能（SFE）方法可以作為一種選擇耐潮濕敏感性材料的合適方法[11]。本研究采用威廉姆平板法研究不同填料的瀝青膠漿的表面自由能。試驗(yàn)通過在薄玻璃板表面均勻涂上瀝青膠漿，然后浸入特定溶液中，之后再以緩慢且恒定的速度將其從溶液中取出。通過玻璃板浸入和收回過程中形成的兩類接觸角計(jì)算膠漿的表面自由能。表面自由能降低的程度越大，表明材料的粘附性越強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

如圖3所示，向?yàn)r青中添加填料均會導(dǎo)致表面自由能降低，填料的添加提高了膠漿的粘附性。熟石灰和碳酸鈣對于瀝青膠漿的粘結(jié)強(qiáng)度提升效果最明顯，達(dá)到了24%和18.9%;石粉和碳酸鹽水泥的提升效果略低，僅為8.1%和5.4%。熱力學(xué)方法表明，熟石灰和碳酸鈣可以較好地降低膠漿的表面自由能，提升膠漿粘結(jié)強(qiáng)度，與BBS拉脫試驗(yàn)結(jié)果相符。這是因?yàn)槭焓液吞妓徕}比表面積大、吸附性強(qiáng)，與瀝青之間產(chǎn)生良好的粘附性，從而表征出膠漿粘結(jié)強(qiáng)度的提升。

2.3 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

凍融劈裂試驗(yàn)是評價(jià)混合料水穩(wěn)定性能的常用方法之一。該試驗(yàn)通過對試樣在凍融前后的抗拉強(qiáng)度（ITS）進(jìn)行測量，將凍融前后的抗拉強(qiáng)度比（TSR）作為混合料的水穩(wěn)定性能的評價(jià)指標(biāo)。試件尺寸為62.5×100 mm，加載速率為50 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果見下頁圖4。

由圖4結(jié)果可知，相對于常規(guī)填料（石粉），熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥的使用均增加了石灰?guī)r和花崗巖骨料瀝青混合料的ITS值。同時(shí)，在兩種骨料的混合料試樣中，熟石灰填料對于混合料的ITS值提升效果最大;相對于石灰?guī)r骨料，花崗巖骨料制備的混合料均具有較高的ITS值?；旌狭辖?jīng)過凍融后，熟石灰和碳酸鈣填料混合料的ITS值相較于其他填料仍具有良好的抗拉強(qiáng)度，但花崗巖骨料混合料ITS值出現(xiàn)大幅降低。這是因?yàn)榛◢弾r骨料中的礦物具有較高的親水性，即其中高百分比的二氧化硅礦物增加了親水性，最終導(dǎo)致混合料易發(fā)生集料分離，水穩(wěn)定性差。

由圖4中的抗拉強(qiáng)度比曲線可知，在石灰?guī)r骨料混合料中使用熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥作為填料的TSR值提升了14%～23%，這說明上述填料的使用已經(jīng)引起了混合料水穩(wěn)定性能的提升，即混合料抵抗粘結(jié)破壞抗性的提升。但是在花崗巖骨料混合料中熟石灰和碳酸鈣填料的使用對于TSR的提升幅度僅為3%～5%，并且碳酸鹽水泥作為填料降低了混合料的TSR值。

綜上所述，在混合料中選用合適的骨料（石灰?guī)r）和填料（熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥）對于提高混合料的水穩(wěn)定性能具有極大的影響，反映到道路工程中對于實(shí)際路面抵抗雨水潮濕等條件引起的粘結(jié)破壞具有積極影響。

3 結(jié)語

文章通過對瀝青膠漿的BBS拉脫試驗(yàn)、威廉姆平板試驗(yàn)和對瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

（1）填料的添加會提高瀝青膠漿的拉脫強(qiáng)度。熟石灰和碳酸鈣對于瀝青膠漿的拉脫強(qiáng)度影響較大，約為12%～19%;石粉和碳酸鹽水泥的添加對于瀝青膠漿的拉脫強(qiáng)度的提升程度較小，約為1%～6%。

（2）向?yàn)r青中添加填料均會導(dǎo)致表面自由能降低，提高瀝青膠漿的粘附性。熟石灰和碳酸鈣對于瀝青膠漿的粘結(jié)強(qiáng)度提升效果達(dá)到了24%和18.9%;石粉和碳酸鹽水泥的提升效果僅為8.1%和5.4%。熟石灰和碳酸鈣可以較好地降低膠漿的表面自由能，提升膠漿粘結(jié)強(qiáng)度。

（3）熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥的使用均增加了石灰?guī)r和花崗巖骨料瀝青混合料的ITS值。熟石灰填料對于混合料的ITS值提升效果最大。經(jīng)過凍融后，熟石灰和碳酸鈣填料混合料ITS值仍具有良好的抗拉強(qiáng)度。

（4）在石灰?guī)r骨料混合料中使用熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥作為填料的TSR值提升了14%～23%，即混合料抵抗粘結(jié)破壞抗性得到了提升;在花崗巖骨料混合料中熟石灰和碳酸鈣填料的使用對于TSR的提升幅度僅在3%～5%，并且碳酸鹽水泥作為填料降低了混合料的TSR值。

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