基于膠漿組分調(diào)整的瀝青混凝土抗水損害研究

周云華

(葛洲壩集團試驗檢測有限公司,宜昌 443002)

我國經(jīng)濟建設在過去幾十年里取得了突出的成就，這離不開交通運輸系統(tǒng)的支撐。發(fā)達的交通網(wǎng)絡為經(jīng)濟快速發(fā)展提供了堅實的保障，截至2020年末，全國公路總里程達到519.81萬km，鐵路和水路里程則分別為14.6萬km和12.77萬km，公路里程占比超過90%，所以公路建設對整個運輸體系而言尤為重要。因瀝青混凝土路面具有噪音小、舒適性好、抗滑耐磨及平整度高等優(yōu)勢，這一路面形式在我國中高等級公路建設中被廣泛采用。但近年來，隨著交通量的迅速增長，瀝青混凝土路面極易產(chǎn)生早期病害，如出現(xiàn)掉粒、剝落、坑槽等水損害現(xiàn)象，這嚴重威脅到路面的行車安全。針對瀝青混凝土路面的水損害問題，學者們圍繞原材料類型、設計方法、施工技術(shù)及氣候特征等方面開展了一系列的改善研究[1-3]，也確定了一些可有效改善瀝青混凝土抗水損害性能的技術(shù)措施。

基于前人取得的成果，同時為了使研究更具有針對性，首先總結(jié)了水對瀝青混凝土路面的主要破壞形式；在此基礎上，考察了瀝青膠漿組分調(diào)整這一技術(shù)方案對瀝青混凝土抗水損害性能的改善效果。

1 水對瀝青路面的破壞形式

瀝青膠漿與集料間粘附性能以及瀝青膠漿內(nèi)部粘聚性能的喪失是水分對瀝青路面的破壞形式之一。在瀝青混凝土中，集料主要起形成嵌擠骨架的作用；填料和瀝青則主要參與形成瀝青膠漿，瀝青膠漿起到填充和粘結(jié)嵌擠骨架的作用[4]，使之成為有強度的整體。降雨時，大部分雨水會流向路面兩側(cè)，路表殘留的水也會逐漸蒸發(fā)掉，但少部分進入瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水會長期滯留。當車輛通過時產(chǎn)生動水壓力，在動水壓力作用下，極易造成瀝青膠漿膜與集料表面發(fā)生分離。瀝青膠漿膜出現(xiàn)部分剝落后，水分則更容易到達瀝青膠漿和集料的粘附界面上，集料表面具有親水性，導致瀝青膠漿和集料間的粘結(jié)作用變?nèi)?，進一步加劇了瀝青膠漿膜的剝落。同時水分不僅對瀝青膠漿與集料間的粘結(jié)性能有影響，還會影響到瀝青膠漿內(nèi)部的粘聚特征。在水分長期作用下，瀝青逐漸乳化因而內(nèi)部的粘聚性能下降，造成瀝青膠漿在動水壓力下更加容易被剝落。

嵌擠骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的喪失是水分對瀝青路面的另一種破壞形式。持續(xù)性降雨過程可能導致部分水分長期滯留在瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，季節(jié)性氣溫交替作用(凍融循環(huán))造成瀝青路面內(nèi)部集料形成的嵌擠骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)：冬季發(fā)生持續(xù)的凍脹作用，水結(jié)成冰體積膨脹，路面空隙率變大；氣溫回升后，冰融化成水體積收縮，但瀝青路面的空隙變化已不可恢復。這種季節(jié)性水損害使嵌擠骨架承載力下降，在荷載作用下逐漸失穩(wěn)。

基于第一種破壞形式，從瀝青膠漿組成調(diào)節(jié)方面針對性地開展了研究工作：選擇性能更優(yōu)的SBS改性瀝青替代基質(zhì)瀝青使用，提高瀝青膠漿與集料間的粘結(jié)性能以及瀝青膠漿內(nèi)部的粘聚性能；另外，瀝青呈現(xiàn)弱酸性，采用高堿性的消石灰替代石灰石礦粉，可改善填料與瀝青的相容性，進一步增強瀝青膠漿與集料間的粘結(jié)性能以及瀝青膠漿內(nèi)部的粘聚性能。

2 瀝青混凝土的水穩(wěn)定性分析

2.1 原材料

粗集料和細集料選用花崗巖，填料選用石灰石礦粉和消石灰。瀝青選用70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)和《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)分別對集料、填料和瀝青進行基本物理性能指標測試[5,6]。結(jié)果表明選用的原材料基本性能指標合格，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求[7]。

2.2 試驗方法

首先按照馬歇爾標準試驗方法設計及制備瀝青混凝土試件，選用的級配為AC-13型，花崗巖粗集料、花崗巖細集料和填料的體積摻量分別為54%、41%和5%。共使用到6種填料：消石灰替代石灰石礦粉的體積比例分別為0、20%、40%、60%、80%、100%，同時還使用到2種瀝青：70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，因此共涉及12種瀝青混凝土。由于填料摻配比例很小，雖然消石灰和石灰石礦粉的級配有所差別，但兩者按照不同體積比例摻配時對瀝青混凝土的合成級配影響較小，12種瀝青混凝土的合成級配非常接近，合成級配曲線如圖1所示。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的標準方法開展瀝青混凝土的殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗和凍融劈裂強度比試驗[5]。

2.3 結(jié)果與討論

殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，在未加入消石灰時，基質(zhì)瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩(wěn)定度分別為80.2%和84.6%。瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩(wěn)定度通常都在85%以上，尤其在使用SBS改性瀝青時，這說明采用花崗巖制備的瀝青混凝土水穩(wěn)定性不佳。加入消石灰且當其摻入量在60%以內(nèi)時，隨著消石灰摻量的增加，基質(zhì)瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩(wěn)定度都逐漸提高。而當消石灰摻入量超過60%時，無論是否使用SBS改性瀝青，瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩(wěn)定度都不再表現(xiàn)出逐漸增長的趨勢，反而出現(xiàn)一定幅度的下降。尤其對于基質(zhì)瀝青混凝土而言，當消石灰摻量由60%提高至80%時，殘留馬歇爾穩(wěn)定度的下降還較為明顯。說明消石灰在填料中所占的比例并不是越高越好。

凍融劈裂強度比試驗結(jié)果如圖3所示，未摻入消石灰時，基質(zhì)瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件的凍融劈裂強度比分別為75.5%和78.9%。瀝青混凝土試件的凍融劈裂強度比一般都能達到80%以上，而試驗中即便使用了SBS改性瀝青，試件的凍融劈裂強度比還是小于80%，這同樣說明采用花崗巖制備的瀝青混凝土水穩(wěn)定性差。加入消石灰后，瀝青混凝土抵抗凍融破壞的能力有了明顯提升。但不同于殘留馬歇爾穩(wěn)定度的變化規(guī)律，不管是基質(zhì)瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件，凍融劈裂強度比均是在消石灰摻量為80%時達到最大，分別為86.3%和89.2%。但隨著消石灰摻量進一步提高到100%，基質(zhì)瀝青混凝土試件和SBS改性瀝青混凝土試件的凍融劈裂強度比都出現(xiàn)了下降，前者下降更明顯。因此，凍融劈裂強度試驗結(jié)果同樣表明消石灰在填料中的占比也不是越高越好。考慮到消石灰從60%提高到80%時，兩類瀝青混凝土試件的凍融劈裂強度比上升幅度都比較小，綜合考慮殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比試驗結(jié)果，推薦將消石灰在填料中的體積占比控制在60%左右。這也在一定程度上節(jié)約了成本。

從圖2和圖3中還可看出，無論消石灰摻量如何，SBS瀝青混凝土試件的殘留馬歇爾穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比總高于基質(zhì)瀝青混凝土試件，說明SBS改性瀝青也為花崗巖瀝青混凝土水穩(wěn)定性的提高做出了積極貢獻，這主要源于SBS改性瀝青優(yōu)異的粘結(jié)性能。因此，建議在高等級公路或水穩(wěn)定性要求較高的路面將消石灰和SBS改性瀝青結(jié)合起來使用。

3 結(jié) 論

通過殘留馬歇爾穩(wěn)定度試驗和凍融劈裂強度比試驗分析了采用消石灰和SBS改性瀝青調(diào)節(jié)瀝青膠漿成分從而改善花崗巖瀝青混凝土水穩(wěn)定性的可行性。結(jié)果表明，消石灰和SBS改性瀝青均能顯著改善瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，建議將消石灰的摻量(替代礦粉的體積比例)控制在60%左右，對于水穩(wěn)定性要求較高的路面建議將消石灰與SBS改性瀝青結(jié)合起來使用。