不同抗剝落劑對(duì)花崗巖瀝青混合料路用性能影響研究

劉洪成，唐小丹，闞濤，齊廣志

(1.山東高速建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014；2.山東高速路用新材料技術(shù)有限公司)

花崗巖具有質(zhì)地堅(jiān)硬、耐磨性好等特點(diǎn)，是作為集料的良好材料，但其化學(xué)性質(zhì)為酸性，與瀝青黏附性較差，花崗巖瀝青混合料的抗水損害性能難以滿(mǎn)足規(guī)范要求?？衫盟?、消石灰和抗剝落劑改善花崗巖與瀝青黏附性，提高其混合料水穩(wěn)定性，從而達(dá)到應(yīng)用目的?，F(xiàn)有改善技術(shù)存在混合料長(zhǎng)期性能差的問(wèn)題，而多數(shù)針對(duì)花崗巖的研究?jī)H停留在瀝青黏附性和混合料抗水損害性能方面，對(duì)其混合料長(zhǎng)期性能研究較少。

小尺寸(1/3足尺)加速加載試驗(yàn)系統(tǒng)可在較短時(shí)間內(nèi)快速模擬道路結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期荷載作用下發(fā)生的破壞，同時(shí)能夠控制試驗(yàn)時(shí)的溫度、濕度等因素，更加貼合實(shí)際應(yīng)用條件，試驗(yàn)結(jié)果具有很大指導(dǎo)意義。因此，在利用凍融試驗(yàn)和漢堡試驗(yàn)探究抗剝落劑改善花崗巖瀝青混合料效果的同時(shí)，該文結(jié)合回轉(zhuǎn)式路面加速加載設(shè)備(Accelerating Load Test，簡(jiǎn)稱(chēng)ALT)對(duì)花崗巖瀝青混合料長(zhǎng)期路用性能進(jìn)行研究，分析不同抗剝落劑對(duì)花崗巖瀝青混合料長(zhǎng)期性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

1.1 集料和級(jí)配設(shè)計(jì)

粗細(xì)集料采用花崗巖，將集料按粒徑分為4檔，經(jīng)檢測(cè)集料強(qiáng)度高、耐磨性好、形狀規(guī)整，礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)的石粉，具體花崗巖集料性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 花崗巖粗集料性能

表2 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

1.2 瀝青

研究選取70#道路石油瀝青作為瀝青混合料黏結(jié)料，主要技術(shù)指標(biāo)和規(guī)范要求見(jiàn)表3。

表3 70#道路石油瀝青主要技術(shù)指標(biāo)及規(guī)范要求

1.3 抗剝落劑

(1)消石灰。白色粉末，細(xì)度與礦粉相近，使用時(shí)代替礦粉，摻量占集料的2%。

(2)胺類(lèi)抗剝落劑。深褐色黏稠液體，用量為占瀝青質(zhì)量的0.5%，先與瀝青分散均勻，然后拌制瀝青混合料。

(3)TR-500S。由A、B組分復(fù)合而成，A組分為酸酐接枝改性的低分子量聚合物，B組分是以天然巖瀝青為主要原材料，輔以其他高分子材料制作而成。A組分加入瀝青后攪拌均勻備用，摻量為1%(占瀝青質(zhì)量)，B組分采用干拌工藝，即在加入瀝青之前先將0.5%(瀝青混合料)B組分與集料拌和一個(gè)周期，然后加入含A組分的瀝青，最后加入礦粉。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凍融試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)配比拌制瀝青混合料，分別為1組對(duì)照混合料和3組摻加抗剝落劑的混合料，雙面各擊實(shí)50次成型凍融劈裂試件，凍融循環(huán)后測(cè)其劈裂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以得出：未摻加抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比在4種混合料中最低，說(shuō)明花崗巖瀝青混合料抗水損害性能較差，未達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)75%的要求，將花崗巖瀝青混合料直接應(yīng)用于公路路面存在一定風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。摻加3種抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比有不同程度的提高，其數(shù)值均達(dá)到80%以上。3種抗剝落劑對(duì)花崗巖瀝青混合料抗水損害性能改善效果不同，TR-500S影響最大，然后是消石灰、胺類(lèi)抗剝落劑，凍融劈裂強(qiáng)度比分別提升了20.2%、17.0%和15.3%，完全滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求。

圖1 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.2 漢堡試驗(yàn)

試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式，試驗(yàn)溫度為50 ℃，荷載壓力為0.7 MPa。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制車(chē)轍深度與碾壓次數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)，并使用文獻(xiàn)[10]描述方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，擬合公式如式(1)：

(1)

式中：RDLC為車(chē)轍深度(mm)；Nd為達(dá)到12.5 mm時(shí)的碾壓次數(shù)或者20 000次；LC為碾壓次數(shù)；ρ和β為相關(guān)系數(shù)。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合完成后可以求出各個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)ρ和β，利用式(2)得到曲線(xiàn)剝落點(diǎn)次數(shù)。

(2)

根據(jù)剝落點(diǎn)次數(shù)將整個(gè)試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)分為蠕變區(qū)間和剝落區(qū)間兩部分，剝落點(diǎn)次數(shù)之前為蠕變區(qū)間，剝落點(diǎn)之后部分為剝落區(qū)間。具體試驗(yàn)曲線(xiàn)和結(jié)果如圖2所示。

圖2 漢堡試驗(yàn)曲線(xiàn)與剝落點(diǎn)次數(shù)結(jié)果

由圖2可知：

(1)花崗巖瀝青混合料未添加抗剝落劑進(jìn)行改性時(shí)，經(jīng)7 628次荷載試驗(yàn)后即超過(guò)規(guī)范要求的最大值，而加入抗剝落劑后的3種花崗巖瀝青混合料均在規(guī)定深度范圍內(nèi)達(dá)到20 000次荷載要求。依據(jù)混合料的剝落點(diǎn)可以將整個(gè)試驗(yàn)分為兩個(gè)區(qū)間：剝落點(diǎn)之前為混合料蠕變區(qū)間，此區(qū)間內(nèi)主要由混合料的黏塑性變形引起；剝落點(diǎn)之后為剝落區(qū)間，此試驗(yàn)段內(nèi)混合料開(kāi)始受水侵害的影響，在荷載反復(fù)作用下水侵入到瀝青與集料之間，使得瀝青從集料表面脫落，混合料松散引起試件變形。

(2)利用式(1)、(2)求得TR、石灰粉和胺類(lèi)抗剝落劑試驗(yàn)結(jié)果的剝落點(diǎn)次數(shù)分別為6 340、6 342和6 360次，不加抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料的抗剝落點(diǎn)次數(shù)僅為1 870次，無(wú)添加抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料剝落點(diǎn)的次數(shù)最低，其他3種抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料抗剝落點(diǎn)次數(shù)相差不大，抗剝落劑可以提高瀝青混合料抗水損害性能。在剝落區(qū)間內(nèi)，添加TR、石灰粉和胺類(lèi)3種抗剝落劑的混合料車(chē)轍深度分別比剝落點(diǎn)深度增加1.925、3.130、4.075 mm，TR改性效果最好，其次為石灰粉，胺類(lèi)抗剝落劑最差。同時(shí)對(duì)比TR、石灰粉和胺類(lèi)抗剝落劑3種抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料漢堡試驗(yàn)后車(chē)轍深度，其數(shù)值分別為5.296、7.036和9.350 mm，摻加3種抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料綜合性能從高到低依次為T(mén)R、石灰粉和胺類(lèi)。

3 長(zhǎng)期路用性能研究

經(jīng)抗剝落劑改善后的花崗巖瀝青混合料抗水損害性能符合規(guī)范設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但抗剝落劑對(duì)混合料的長(zhǎng)期路用性能的影響還需試驗(yàn)進(jìn)行研究。因此，該文采用回轉(zhuǎn)式路面加速加載設(shè)備對(duì)4種花崗巖瀝青混合料進(jìn)行加速加載試驗(yàn)，探究各抗剝落劑對(duì)花崗巖瀝青混合料長(zhǎng)期路用性能的影響。

試驗(yàn)試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍板試件，加載輪為橡膠輪胎，輪胎與試件接觸壓力為0.7 MPa，試驗(yàn)?zāi)雺悍较蚺c試件成型方向相同?；◢弾r瀝青混合料主要問(wèn)題是花崗巖與瀝青黏附性較差，考慮試驗(yàn)?zāi)康氖茄芯靠箘兟鋭?duì)花崗巖瀝青混合料改善效果，因此，確定加速加載試驗(yàn)在50 ℃水中進(jìn)行。試驗(yàn)工程中每隔10 000次采集一次車(chē)轍深度數(shù)值，當(dāng)車(chē)轍深度達(dá)到10 mm時(shí)認(rèn)定試件完全破壞，停止試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、4。

圖3為4種花崗巖瀝青混合料破壞時(shí)所需要的加載次數(shù)。即試件的車(chē)轍深度達(dá)到10 mm所能承受最大碾壓次數(shù)。從圖3中可以看出：① 未摻加抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料加載次數(shù)最低，僅有7萬(wàn)次，而摻加抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料加載次數(shù)提高顯著，加TR、石灰、胺類(lèi)抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料分別為22萬(wàn)次、13萬(wàn)次和11萬(wàn)次，同比未摻加抗剝落劑的混合料提高了214.3%、85.7%、57.1%，花崗巖瀝青混合料長(zhǎng)期路用性能得到改善；② 對(duì)比添加3種抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果，摻加TR的混合料試驗(yàn)結(jié)果最好，承受22萬(wàn)次車(chē)輪碾壓后試件車(chē)轍達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，比石灰和胺類(lèi)抗剝落劑的試驗(yàn)結(jié)果分別提高9萬(wàn)次和11萬(wàn)次。其次是石灰對(duì)花崗巖瀝青混合料的改善效果，胺類(lèi)抗剝落劑的花崗巖瀝青混合料在3種混合料中承載最差。

圖3 各花崗巖瀝青混合料試件破壞時(shí)加速加載次數(shù)

圖4 各花崗巖瀝青混合料車(chē)轍變化曲線(xiàn)

由圖4可知：對(duì)4種混合料試件的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行三次方程數(shù)據(jù)回歸后發(fā)現(xiàn)，擬合方程的R2均達(dá)到0.96以上，試驗(yàn)結(jié)果與擬合方程具有很高的相關(guān)性，說(shuō)明花崗巖瀝青混合料的車(chē)轍深度變化趨勢(shì)符合三次方程規(guī)律。根據(jù)三次方程的特點(diǎn)可以將試驗(yàn)過(guò)程分為3個(gè)階段，如圖4中虛線(xiàn)所示：第一階段中車(chē)轍蠕變斜率較大，在此過(guò)程的變形主要由混合料中集料移動(dòng)和空隙率減小所引起，剛成型的試件空隙率比較大，集料在混合料中骨架搭接不合理，持續(xù)的加載促使集料位置發(fā)生移動(dòng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加合理，同時(shí)將混合料中的空氣擠出，二者共同作用使混合料產(chǎn)生較大變形，蠕變斜率增大；第二階段的車(chē)轍深度變化相對(duì)較小，通過(guò)第一階段的結(jié)構(gòu)重分配，混合料結(jié)構(gòu)達(dá)到一個(gè)理想狀態(tài)，瀝青黏附作用和集料的骨架作用共同抵抗混合料變形，蠕變斜率降低；第三階段試件產(chǎn)生破壞，隨著加載次數(shù)的增加和作用時(shí)間的增長(zhǎng)，瀝青與集料黏附性逐漸減弱，同時(shí)增加水的侵入作用，加快混合料的破壞速度，因此，蠕變斜率增大。對(duì)比4種瀝青混合料的整體變化，蠕變斜率從大到小依次是：未摻加抗剝落劑>胺類(lèi)抗剝落劑>消石灰>TR，說(shuō)明抗剝落劑能夠提高花崗巖瀝青混合料抗水損害性能和長(zhǎng)期路用性能，改善效果依次是：TR>消石灰>胺類(lèi)抗剝落劑。

消石灰能夠與瀝青中的有機(jī)酸反應(yīng)生成鈣鹽，提高瀝青強(qiáng)度，同時(shí)消石灰黏附在花崗巖表面，與空氣和水接觸后生成碳酸鈣，將花崗巖表面轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性，改善花崗巖與瀝青的黏附性，從而提高花崗巖瀝青混合料抗水損害性能，但此種方法形成的堿性膜在使用過(guò)程中容易破壞，因此長(zhǎng)期路用性能較低。胺類(lèi)抗剝落劑一方面可以增加瀝青的表面張力，減小與集料的接觸角，使集料與瀝青的黏附功增大，從而提高與集料的黏附性；另一方面是使酸性石料表面形成一個(gè)堿性的表面電離層，以便帶酸性的瀝青與其之間有強(qiáng)的結(jié)合，以達(dá)到提高瀝青與集料黏附性的目的，胺類(lèi)抗剝落劑抗高溫、老化性能較差，在混合料拌和、使用中極易分解，降低有效成分含量，因此，此類(lèi)花崗巖瀝青混合料長(zhǎng)期路用性能最差。TR為復(fù)合改性劑，能夠與瀝青反應(yīng)，改變花崗巖表面官能團(tuán)，使瀝青與花崗巖之間以化學(xué)鍵連接，增加花崗巖黏附性，并且，巖瀝青也具有改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的作用；同時(shí)，巖瀝青還能夠提高混合料的高溫性能，增加混合料抗車(chē)轍能力。TR-500S的復(fù)合改性方式，使其花崗巖混合料長(zhǎng)期路用性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種抗剝落劑拌制的花崗巖瀝青混合料。

為清楚表述花崗巖瀝青混合料加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)的變化，現(xiàn)將結(jié)構(gòu)變化過(guò)程用圖5表示出來(lái)，通過(guò)結(jié)構(gòu)模擬圖可以清楚瀝青混合料從成型→碾壓→破壞的結(jié)構(gòu)變化。從圖5(a)可以看出：瀝青混合料剛成型時(shí)內(nèi)部存在一定的空隙，集料的骨架結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，但仍有部分粗集料未相互接觸，不能形成完整骨架網(wǎng)，降低混合料承載能力；圖5(b)經(jīng)過(guò)加載，混合料結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，且在不斷的加載過(guò)程中，混合料中的集料產(chǎn)生微小位移，致使受力狀態(tài)更加完善，提高混合料的抗車(chē)轍能力，車(chē)轍蠕變斜率降低。圖5(c)中瀝青混合料試件破壞，由于高溫、水和荷載的不間斷作用，瀝青黏附性降低，瀝青從集料表面剝落，僅靠集料骨架作用不足以抵抗外部荷載，在此階段車(chē)轍蠕變斜率又繼續(xù)增大。

圖5 瀝青混合料結(jié)構(gòu)模擬變化

瀝青與集料黏附性和瀝青混合料的長(zhǎng)期路用性能關(guān)系密切，在集料類(lèi)型統(tǒng)一的條件下，瀝青黏附性決定瀝青混合料性能，同理，瀝青混合料長(zhǎng)期路用性能也同樣可以分析抗剝落劑對(duì)瀝青黏附性的改善效果。3種抗剝落劑對(duì)瀝青的改善效果從高到低依次是：TR、消石灰、胺類(lèi)抗剝落劑。

4 結(jié)論

(1)從凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果可以得出，抗剝落劑可以顯著提高瀝青與花崗巖的黏附性，其改善效果從高到低依次是：TR-500S>消石灰>安類(lèi)抗剝落劑。

(2)從漢堡試驗(yàn)結(jié)果可以得出，抗剝落劑對(duì)花崗巖瀝青混合料抗水損害性能和高溫抗車(chē)轍性能有所提高，花崗巖瀝青混合料綜合性能規(guī)律與結(jié)論(1)相同。

(3)對(duì)比4種花崗巖瀝青混合料試件加速加載試驗(yàn)結(jié)果，抗剝落劑能夠提高花崗巖瀝青混合料長(zhǎng)期路用性能，消石灰和胺類(lèi)抗剝落劑提高幅度較低，TR-500S對(duì)花崗巖瀝青混合料改善效果最好，承載次數(shù)達(dá)到空白試驗(yàn)組的3.1倍。

(4)分析加速加載試驗(yàn)過(guò)程中車(chē)轍變化趨勢(shì)，可以將加載過(guò)程分為3個(gè)階段，第一階段主要變化為混合料空隙降低和集料結(jié)構(gòu)重組，第二階段混合料結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，車(chē)轍蠕變斜率相對(duì)較低，第三階段混合料試件破壞，車(chē)轍蠕變斜率繼續(xù)增大。