酸性安山巖集料黏附性能改善研究

王 偉 羅 蓉 蔣 兵 章文進(jìn) 許 三 金 輝

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)(湖北省路橋集團(tuán)有限公司3) 武漢 430056)

0 引 言

目前，我國瀝青路面主要采用堿性集料如石灰?guī)r、輝綠巖作為瀝青混合料的組成材料，然而隨著我國高速公路的快速發(fā)展，用于公路建設(shè)的堿性石料日漸短缺[1].部分地區(qū)受限于當(dāng)?shù)貛r石礦山，產(chǎn)出的集料多呈酸性，難以滿足路面集料的品質(zhì)質(zhì)量要求.酸性集料硬度高、耐磨性優(yōu)良[2]，有利于保障路面長期服役過程中的抗滑性，但是酸性集料與瀝青同屬酸性，黏附性較差，在水的侵害作用下，容易發(fā)生水損害，降低路面使用性能[3].

本研究依托鄂洲—咸寧高速公路項目，工程采用的集料母巖為當(dāng)?shù)氐陌采綆r.安山巖屬于噴出巖，分布范圍僅次于石灰?guī)r，對開采出來的安山巖母巖進(jìn)行物理化學(xué)組分分析發(fā)現(xiàn)，該安山巖硬度高，耐磨性能好，但SiO2含量為68%左右，屬弱酸性，與同屬酸性的瀝青之間黏附性較差，如果直接用于瀝青路面建設(shè)，在雨水與車輛荷載重復(fù)作用下，集料將與瀝青剝離，路面發(fā)生水損害，嚴(yán)重影響瀝青路面的使用壽命[4].當(dāng)前，對于酸性集料的處置手段主要是在瀝青當(dāng)中添加抗剝落劑，增強(qiáng)瀝青與酸性集料的黏附性，從而提高混合料的水穩(wěn)定性.

實際工程實踐當(dāng)中主要是將改性后的瀝青制備成瀝青混合料試件進(jìn)行路用性能試驗，確定最佳的改性劑摻量，但是此方法繁瑣耗時且試驗結(jié)果依賴試驗過程，變異性較高.隨著表面自由能理論在道路工程中的運(yùn)用與發(fā)展，瀝青與集料的黏附性可以被定量測定，且已被眾多研究證明其可靠性[5].文中基于表面能理論，從微觀角度，量化集料與瀝青的黏附性，從原材料性能測試、瀝青混合料配合比設(shè)計、瀝青混合料路用性能檢驗三個方面確定抗剝落劑的最佳摻量，并進(jìn)行宏觀路用性能試驗，建立微觀指標(biāo)ER值與宏觀路用性能指標(biāo)的聯(lián)系，進(jìn)而根據(jù)表面能指標(biāo)ER值表征瀝青與集料的黏附性強(qiáng)弱.

1 原材料基本性能

1.1 集料

試驗所取的集料為安山巖，該石料在項目沿線分布范圍較廣，含量豐富，質(zhì)地堅硬.采用當(dāng)?shù)匕采綆r石料，無需遠(yuǎn)運(yùn)外地集料，可以大大降低工程造價.不同粒徑檔位集料物理力學(xué)性質(zhì)見表1～2.

表1 粗集料物理力學(xué)性能指標(biāo)

表2 細(xì)集料物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 礦粉

試驗采用石灰石礦粉作為填料，其各項物理性能及指標(biāo)見表3.

表3 礦粉物理力學(xué)性能指標(biāo)

1.3 抗剝落劑

抗剝落劑是一種有機(jī)高分子化合物，分散在瀝青相中后，與酸性集料發(fā)生物理吸附或化學(xué)反應(yīng)，形成化學(xué)鍵，從而提高瀝青與酸性集料之間的黏附性[6].試驗采用非胺類AMRII型瀝青抗剝落劑，其各項指標(biāo)見表4.

表4 AMRII型抗剝落劑基本指標(biāo)

1.4 瀝青

試驗采用SBS改性瀝青，設(shè)置0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，0.6%六個抗剝落劑摻量方案.對摻加不同含量抗剝落劑的SBS改性瀝青進(jìn)行三大指標(biāo)檢測，試驗結(jié)果見表5，均滿足規(guī)范要求.

表5 不同摻量抗剝落劑瀝青性能指標(biāo)

2 材料表面參數(shù)測試

2.1 表面能基本定義與參數(shù)

在溫度、濕度不發(fā)生改變的條件下，材料系統(tǒng)

增加單位表面積時吉布斯自由能變化的能量大小稱為表面自由能[7].基于表面能相關(guān)理論，可以從微觀角度，通過分析瀝青與集料二相體系能量的改變，提出黏附功、剝落功等指標(biāo)，從而量化有水狀態(tài)下瀝青與集料的黏附能力.

目前國際上常用的表面能參數(shù)采用三分量形式：γ為物質(zhì)的表面張力；γLW為非極性分量；γAB為極性，其中γ+為極性酸分量，γ-為極性堿分量[8]量表示形式為

(1)

每個方案試樣均進(jìn)行6次平行試驗，取其平均值作為測試值.考慮到測試環(huán)境溫度對試驗結(jié)果的影響，表面能參數(shù)測試之前，將待測的瀝青試樣、測試液體和集料試樣均置于25 ℃的室溫下，保溫至少1 h后再進(jìn)行試驗.

2.2 集料表面能測試

集料表面能參數(shù)采用蒸汽吸附法測試，相較于靜滴法，蒸汽吸附方法的測試結(jié)果精度更高，變異性更小.試驗采用定制改裝的磁懸浮重量平衡系統(tǒng)，基本原理見圖1.

圖1 磁懸浮重量平衡系統(tǒng)

表面能理論中計算各參數(shù)的Young-Dupre方程.

(2)

方程(1)有三個未知的參數(shù)，因此需要選取三種已知表面能參數(shù)的獨(dú)立測試試劑(蒸餾水、2-戊酮和甲苯)進(jìn)行測試，將三組測試試劑的試驗結(jié)果代入式(2)聯(lián)立方程組求解，結(jié)果見表6.

表6 安山巖集料表面能參數(shù)

2.3 瀝青表面能參數(shù)測試

采用全自動表面張力儀通過插板法來測定瀝青表面能參數(shù).插板法通過測定接觸角來計算瀝青表面能參數(shù)，接觸角包括前進(jìn)接觸角和后退接觸角，有研究表明，前進(jìn)接觸角在計算瀝青表面能參數(shù)時更加精確，因此論文選取前進(jìn)接觸角來進(jìn)行瀝青表面能參數(shù)的測定，測試原理見圖2.前進(jìn)接觸角指的是瀝青玻片插入溶液中形成的夾角，模擬的是集料與瀝青的黏附過程.

圖2 前進(jìn)接觸角測試示意圖

表面能參數(shù)與接觸角關(guān)系式為

(3)

將四種已知溶劑(蒸餾水、甲酰胺、乙二醇、丙三醇)的表面能參數(shù)和所測得的瀝青在四中不同溶劑中的接觸角代入式(3)，得到六個方案下SBS改性瀝青的表面能參數(shù)，結(jié)果見表7.

表7 不同抗剝落劑含量瀝青表面能參數(shù)

2.4 最佳抗剝落劑摻量

瀝青與集料之間的黏附性可以用二者的黏附功表征，但是瀝青路面發(fā)生水損害時，往往伴隨著水分侵入瀝青-集料界面，由于外界的溫度變化、車輛荷載等作用，造成瀝青從集料表面剝落.因此需要綜合考慮瀝青與集料之間的黏附功ΔGSA和有水狀態(tài)下的剝落功ΔGSAW，已有研究表明:瀝青與集料之間黏附功ΔGSA和剝落功ΔGSAW比值的絕對值可以表征瀝青與集料之間黏附性的好壞[8].

(4)

集料-瀝青二相體系的黏附功計算方法.

(5)

有水狀態(tài)下，瀝青-集料-水三相有水剝落功計算方法.

(6)

分別將瀝青與集料的表面能參數(shù)代入式(5)～(6)，計算黏附功與有水剝落功；將結(jié)果代入式(4)，得到不同抗剝落劑摻量方案下的瀝青與集料的ER值，結(jié)果見表8.

表8 安山巖與瀝青黏附性指標(biāo)

由表8可知：隨著抗剝落劑含量的增加，ER值先增大后減小.不摻加抗剝落劑時，ER值最小為1.72，0.4%摻量時達(dá)到最大，ER值為2.18，相較于不摻加抗剝落劑，ER值增加了26.7%.當(dāng)抗剝落劑摻量超過0.4%后，ER值逐漸減小，減小幅度較低.表8表明在有水的情況下，抗剝落劑摻量0.4%時，瀝青與集料黏附性最好，由此確定安山巖瀝青混合料中抗剝落劑最佳摻量為0.4%.

3 安山巖水穩(wěn)定性能驗證

3.1 混合料配合比設(shè)計

3.1.1最佳級配確定

根據(jù)幾種礦質(zhì)材料的篩分結(jié)果，結(jié)合AC-20C瀝青混合料礦料級配范圍的要求，按照試配法對其進(jìn)行了礦料組成設(shè)計.通過反復(fù)調(diào)整，最后確定礦料的合成級配曲線圖見圖3.

圖3 級配曲線圖

3.1.2最佳油石比的確定

根據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求，按照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進(jìn)行試驗，用馬歇爾試驗法確定最佳油石比.

采用合成級配制作油石比分別為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，并測定試件的體積指標(biāo)和馬歇爾穩(wěn)定度.根據(jù)試驗檢測結(jié)果，繪制油石比與馬歇爾指標(biāo)曲線圖，見圖4.

圖4 安山巖AC-20C油石比與馬歇爾指標(biāo)關(guān)系圖

在曲線圖上求取相應(yīng)于密度最大值、穩(wěn)定度最大值、空隙率中值、瀝青飽和度范圍中值的油石比α1、α2、α3、α4，計算OAC1，則OAC1=4.69，以各項指標(biāo)均符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(不含VMA)的油石比范圍OACmin～OACmax的中值作為OAC2.則OAC2=4.64，由上式可得最佳油石比為4.725，取OAC=4.665.

按照最佳合成級配和最佳油石比4.6%制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，并進(jìn)行體積指標(biāo)和馬歇爾試驗測試，試驗結(jié)果見表9.

表9 安山巖AC-20C瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

3.2 水穩(wěn)定性驗證

為了評價瀝青混合料水穩(wěn)定性能與抗剝落劑的關(guān)系，采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，通過浸水殘留穩(wěn)定度MS0和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR指標(biāo)驗證安山巖瀝青混合料水穩(wěn)定性與抗剝落劑摻量的關(guān)系.

結(jié)合相關(guān)試驗規(guī)范，進(jìn)行多組平行試驗，排除實驗誤差的干擾，取平均值作為最后的測試值，分別測定六個方案下試件的浸水殘留穩(wěn)定度比MS0和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR，試驗結(jié)果見圖5.

圖5 水穩(wěn)定性指標(biāo)與抗剝落劑摻量關(guān)系圖

由圖5可知：不摻加抗剝落劑時，試件浸水殘留穩(wěn)定度比MS0為83.3%，凍融劈裂強(qiáng)度比TSR為79.3%，均小于規(guī)范要求，隨著抗剝落劑摻量的增加，瀝青混合料試件的浸水殘留穩(wěn)定度比MS0和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR先增加后降低，當(dāng)抗剝落劑摻量0.4%時，MS0和TSR達(dá)到最大，分別是95.7%和90%，相較于不摻加抗剝落劑，增加了14.9%和13.5%，這與上面的表面能試驗結(jié)果相一致.試驗結(jié)果也表明，在實際工程中，抗剝落劑的含量并不是越多越好，過量的抗剝落劑反而會降低瀝青路面的抗水損害性能.

3.3 水穩(wěn)定性試驗與ER值的聯(lián)系

圖6為瀝青-集料ER值與瀝青混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)的關(guān)系.由圖6可知，ER值與浸水殘留穩(wěn)定度MS0和凍融劈裂強(qiáng)度比TSR具有較高的相關(guān)性，隨著ER值的增大，MS0和TSR隨之增大，因此可以通過ER值這個指標(biāo)來表征瀝青混合料的抗水損害性能.規(guī)范要求SBS改性瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度MS0不小于85，ER值應(yīng)不小于1.56；SBS改性瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比TSR不小于80，ER值應(yīng)不小于1.70.

圖6 安山巖瀝青混合料水穩(wěn)定性指標(biāo)與ER值的關(guān)系

4 結(jié) 論

1) 通過表面能方法，從微觀角度，定量確定了酸性安山巖瀝青混合料改性劑-抗剝落劑的最佳摻量為0.4%，此時，安山巖集料與瀝青的黏附性最好，抗水損害能力最強(qiáng).

2) 在宏觀方面，通過試驗對不同抗剝落劑摻量的瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得出在抗剝落劑摻量為0.4%時，瀝青混合料的水穩(wěn)定性能最好，這與表面能方法得出的抗剝落劑最佳摻量相一致.

3) 表面能評價黏附性指標(biāo)ER值與宏觀水穩(wěn)定性試驗指標(biāo)MS0、TSR具有良好的相關(guān)性，可以通過ER值來確定酸性集料改性中抗剝落劑摻量，并對瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評價.表明了基于表面能理論，從微觀角度提出的ER值指標(biāo)在評價混合料抗水損害角度的實用性和有效性.