破碎卵石瀝青混合料黏附性改善研究

劉光軍, 陳帥， 周恒玉, 劉潤喜

(1.中交二公局第四工程有限公司， 河南 洛陽 471013； 2.長安大學 材料科學與工程學院)

由于碎石具有較高強度，棱角分明以及多顯中性及堿性與瀝青黏附性較好等特點，研究人員通常選用碎石作為瀝青混合料的原材料。然而，石料在中國的分布極不均勻，如西藏、內蒙、四川、福建等地石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖、片麻巖等瀝青路面常用的石料匱乏，同時因為集料的需求量巨大，石料的過度開采對山區(qū)環(huán)境造成不利影響，給當?shù)氐臑r青路面建設帶來了極大的不便，嚴重制約了瀝青路面的發(fā)展。再者，若從外地優(yōu)質石料生產地采購石料，一方面加重了當?shù)丨h(huán)境資源的負擔;另一方面石料的長途運輸也造成能源浪費和加大高速公路建設成本。因此，在瀝青路面建設中，急需尋找新的石料品種以取代傳統(tǒng)石料。

中國卵石資源儲備豐富，全國各地分布廣泛，且取材相對容易，如果能將其應用在路面將取得很大的社會效益。然而，卵石作為酸性集料與瀝青黏附性較差，要想將其大量地應用于道路上，卵石與瀝青的黏附性是關鍵因素。目前，國內外工程施工中通常添加消石灰來增加黏附性，但其細度較細難以控制，其他措施如選取水泥、抗剝落劑等來增加黏附性，然而單一的添加劑穩(wěn)定性不好。因此，該文通過幾種方案組合研究破碎卵石與瀝青的黏附性，通過瀝青混合料殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂試驗來分析改善效果。

1 原材料試驗

1.1 集料

試驗選用集料為當?shù)氐暮勇咽?過篩后粒徑大于10 cm的部分經過3級破碎加工生產，破碎為符合規(guī)范要求的集料：0～5、5～10、10～15 mm。按JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》對其進行性能測試。試驗采用的礦粉為西藏當?shù)厣a的石灰?guī)r礦粉，水泥為P.O.32.5級普通硅酸鹽水泥。集料、礦粉與水泥的相關性能指標檢測結果如表1～4所示。

表1 粗集料技術性質指標測試結果

表2 細集料物理性能指標

表3 礦粉的物理性能指標測試結果

表4 水泥技術指標

1.2 瀝青

試驗所用的瀝青為西藏產SBS-ⅠC瀝青。性能試驗按JTJ 052—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行,其試驗結果符合技術規(guī)范要求,具體如表5所示。

表5 SBS改性瀝青技術指標

1.3 抗剝落劑

試驗所用抗剝落劑的物理指標如表6所示。

表6 抗剝落劑性能指標

2 石料的黏附性試驗方案

傳統(tǒng)的水煮法對集料與瀝青黏附性評價時，由經驗豐富的試驗人員進行觀測，主觀因素影響太大，評價黏附性等級范圍較寬，無法通過量化具體表現(xiàn)黏附性，有一定的不足之處。因此該文通過改進水煮法進行黏附性測試，擬定的黏附性試驗方案如表7所示。

測試步驟如下:將集料過13.2、19 mm篩，取粒徑為13.2～19 mm形狀接近立方體的集料，用潔凈水洗凈，置于溫度為105 ℃的烘箱中烘干，然后干燥備用。將集料逐個用線(鐵絲)在中部系牢，稱取質量記為M0，再置于105 ℃烘箱內1 h。逐個用線提起加熱的集料浸入預先加熱的瀝青中1 min后，輕輕拿出，使集料表面完全被瀝青膜裹覆。將其懸掛于試驗架上，下面墊一張紙以防瀝青流掉，并在室溫下冷卻30 min。稱其質量M1。將瀝青裹覆的集料置于微沸的燒杯中10 min，取出懸掛于60 ℃的烘箱中烘至恒重(兩次質量差不超過0.1 g)記為M2。則瀝青剝落率按式(1)計算，試驗結果如表8所示。

(1)

從表8可知:方案1剝落率較其他方案的剝落率高，破碎卵石與瀝青的黏附性較差，通過添加抗剝落劑與水泥在一定程度上增強了瀝青與卵石的黏附性。

表8 黏附性試驗結果

3 瀝青混合料設計與性能研究

3.1 瀝青混合料級配設計

根據JTG F40—2004《瀝青路面施工技術規(guī)范》進行AC-13瀝青混合料級配設計，分析各種改善措施的改善效果。其中方案2為2%的水泥代替礦粉，方案3為向瀝青中加入瀝青質量0.03%的抗剝落劑，具體的級配表如表9所示。

表9 AC-13瀝青混合料級配設計

3.2 最佳瀝青用量確定

礦料級配確定后，憑經驗選取瀝青的用量為4.5%～6.5%，按照馬歇爾試驗方法確定最佳瀝青用量，試驗結果如表10、11所示。

表10 破碎卵石試件體積指標測定結果

表11 瀝青混合料最佳瀝青用量馬歇爾試驗結果

3.3 水穩(wěn)定性研究

根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》,以5.53%為最佳瀝青用量制作馬歇爾試件，按照雙面各擊實75次制作兩組試件，每組5個。其中，一組試件在常溫下測試穩(wěn)定度；另一組置于(60±1) ℃恒溫水浴箱中48 h后測試殘留穩(wěn)定度。而凍融劈裂試驗則以雙面各擊實50 次制作兩組試件，其中一組在常溫下；另一組在經過凍融后測試其劈裂強度，通過上面兩種方法對改善方法進行分析，試驗結果如表12、13所示。

表12 瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度

表13 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由表12可知：方案1在不通過任何改善措施條件下，其殘留穩(wěn)定度無法滿足規(guī)范要求，為了保證路面質量要求，規(guī)范提出殘留穩(wěn)定度大于85%，方案3殘留穩(wěn)定度雖然滿足要求，但只比規(guī)范略大，說明瀝青與集料黏附性也不是很穩(wěn)定。方案2與方案4中，瀝青與集料的黏附性較好，分別比未經改善的方案1增加了8.2%與10.4%，比標準殘留穩(wěn)定度增加了3.2%與5.4%。從表13可知：方案1的凍融劈裂強度比較低，水穩(wěn)定性較差，不能滿足規(guī)范要求，方案2與方案3雖然滿足要求，但凍融劈裂強度比不是很高，長期性能較差。方案4高于規(guī)范要求的凍融劈裂強度比，具有較好的抗水損害性能。

綜上分析，瀝青與破碎卵石集料黏附性較差，在通過不同的改善措施后，混合料的抗水損害性能都有不同程度的提高。方案2與方案3雖然都可以滿足規(guī)范要求，但其凍融劈裂強度比較低，在長期服役過程中抵抗水損害能力較弱，方案4的殘留穩(wěn)定度與劈裂強度遠高于規(guī)范要求，因此方案4為最佳方案。

4 結論

(1) 破碎卵石與瀝青的黏附性較差，但其強度高，抗壓耐磨，各項指標符合施工技術要求。

(2) 通過對傳統(tǒng)的水煮法進行改善，改進的評價方法能夠定量地分析集料與瀝青的黏附性。

(3) 通過單獨添加水泥與抗剝落劑都能在一定程度上提升瀝青與破碎卵石間的黏附性，但將兩者復合有更好的效果。