酸性骨料在瀝青混凝土面層中的應(yīng)用

柯俊濤，吉婷

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川成都 610091)

1 概述

隨著高速公路的建設(shè)，瀝青路面對集料的要求越來越高。在很多施工項目中，石灰?guī)r等堿性集料與瀝青的粘附性好，使用也較為廣泛;而花崗巖、砂巖、石英巖等酸性巖石雖然堅硬，耐磨性強，能充分發(fā)揮集料之間的嵌擠作用，但其與瀝青的粘附性差，容易在水的作用下造成瀝青膜的剝落，導(dǎo)致瀝青路面的松散、坑槽等水損壞。故在工程使用中，酸性骨料不能得以廣泛推廣。本工程項目附近盛產(chǎn)酸性鵝卵石骨料，為使用卵石破碎得到的卵碎石做粗骨料，在工程實際中采用了在瀝青中加入優(yōu)質(zhì)抗剝落劑，用水泥代替部分礦粉，嚴(yán)格控制瀝青及瀝青混合料溫度，以保證石料的表面狀態(tài)等改善方法，取得了很好的效果。

2 瀝青與集料的粘附機理

瀝青在瀝青混合料中的功用首先是將各種粗細(xì)集料粘結(jié)在一起，成為一個整體，正因為如此，瀝青被稱為結(jié)合料或膠粘劑。在沒有水的情況下，瀝青與集料的粘結(jié)一般不會有任何問題，但水的存在將使瀝青與集料的粘附性成為問題。由于水比瀝青更容易浸潤集料的表面，降低瀝青與集料之間的粘附性，甚至喪失粘結(jié)力，并有可能導(dǎo)致瀝青混合料水損害破壞。

瀝青是一種極性物質(zhì)，其極性的強弱與瀝青中的表面活性物質(zhì)，如瀝青酸和瀝青酸酐的含量有關(guān)，當(dāng)瀝青與酸性石料接觸時，瀝青中的酸性物質(zhì)不能與酸性石料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，只能產(chǎn)生分子間力的作用，即物理吸附，故粘性不強。當(dāng)其與堿性石料接觸時則可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生一種不溶于水的化合物，形成化學(xué)吸附?；瘜W(xué)吸附作用強于物理吸附，故其粘附力強。所以，瀝青與集料的粘附性直接影響瀝青路面的使用質(zhì)量和耐久性。

3 骨料的巖相分析

工程附近有豐富的河卵石，但石灰?guī)r等堿性巖石數(shù)量極少。經(jīng)取河卵石樣品送武漢工大交通工程有限責(zé)任公司進(jìn)行巖相分析，在Axioskop 40光學(xué)顯微鏡薄片觀察并經(jīng)分析得出:其主要礦物為石英，含量在85%以上;白云母含量為10%～15%，屬酸性巖。

4 酸性骨料與瀝青粘附性的改善措施

為保證工程質(zhì)量且考慮實際成本及施工可操作性等因素，為科學(xué)合理地使用現(xiàn)有酸性卵碎石作為瀝青面層混合料的粗骨料，通過以下方法指導(dǎo)現(xiàn)場施工且經(jīng)施工前檢測得出瀝青混合料各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求。

4.1 在瀝青中加入優(yōu)質(zhì)的抗剝落劑

4.1.1 抗剝落劑的選擇

使用抗剝落劑的目的是增強瀝青與酸性集料之間的粘附能力，使其具有良好的抗熱老化性及抗水損害性，延長路面的使用壽命，降低和減少維護(hù)成本。其實質(zhì)上是一種“介面劑”，與集料表面形成物理吸附或依靠其特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)與集料進(jìn)行化合反應(yīng)以形成強而有力的化學(xué)紐帶，從而提高瀝青與集料的粘附性。瀝青混凝土面層用抗剝落劑宜采用非胺類化合物，應(yīng)選用有較強抗老化性能、與瀝青配伍性能良好、符合環(huán)保性能的產(chǎn)品.目前市場上還存一些胺類產(chǎn)品，其缺點為:一是耐熱穩(wěn)定性差，遇高溫后具有揮發(fā)性，耐久性較差;二是形成物理吸附，對酸性石料的吸附能力非常有限;三是部分抗剝落劑本身不抗水，且有刺激性氣味和毒性。所以，本工程選用的是由國內(nèi)專業(yè)廠家生產(chǎn)的非胺類抗剝落劑，摻量為瀝青用量的0.3%。

4.1.2 瀝青與集料的粘附性試驗

本試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》JTG E20-2011中T0616-1993的要求和方法進(jìn)行操作。因本項目集料最大粒徑為26.5 mm，故采用水煮法。已有研究表明，瀝青的薄膜加熱老化試驗的受熱過程相當(dāng)于瀝青混合料的拌合過程老化，對摻加抗剝落劑的瀝青立刻進(jìn)行水煮法粘附性試驗有可能使某些不耐熱的劣質(zhì)抗剝落劑蒙混過關(guān)，故必須對摻加抗剝落劑的瀝青進(jìn)行老化試驗后再進(jìn)行粘附性試驗。因此，本工程在兩種情況下進(jìn)行了瀝青與粗集料的粘附性試驗:一種為粗集料與不加抗剝落劑的瀝青的試驗;另一種是用粗集料與老化后的、摻加了抗剝落劑的瀝青的試驗。工程使用的瀝青為70#A 級道路石油瀝青，試驗結(jié)果見表1、2。

表1 瀝青與集料粘附性試驗結(jié)果表

4.1.3 抗剝落劑的使用方法

將瀝青抗剝落劑按試驗配合比中規(guī)定的摻配比例投入瀝青貯罐內(nèi)處于熱熔狀態(tài)的瀝青中，開動瀝青泵將混合液泵入另一瀝青貯罐中，再將混合液泵回瀝青貯罐，反復(fù)泵拌4～5次，則抗剝落劑就可以均勻分布于瀝青中;抗剝落劑的加入非常重要，應(yīng)嚴(yán)格按最佳摻量加入，并建立抗剝落劑加入臺帳，相關(guān)責(zé)任人每次加入都要確認(rèn)簽字。

4.2 用水泥替代部分礦粉

用水泥替代部分礦粉，可以增加填料的堿性。但摻量必須控制在2%以內(nèi)，當(dāng)摻量超過3%后，很大程度上改變了瀝青混凝土的回彈模量、泊松比，路面的受力模式可能會變化?？紤]到本工程配合比設(shè)計時細(xì)骨料已選用石灰?guī)r機制砂且礦粉摻量為3%，瀝青中也已加入了抗剝落劑，故選擇使用1%的水泥代替1%的礦粉。需要注意的是:當(dāng)摻加水泥后，由于其比表面要比石粉大得多，設(shè)計的最佳瀝青用量通常需要增加0.2%～0.4%左右，為此，需要重新進(jìn)行配合比設(shè)計。加入水泥后，混合料各項指標(biāo)仍應(yīng)滿足設(shè)計要求。

4.3 保證石料的表面狀態(tài)

光滑的石料表面瀝青易于浸潤，遇水后易脫落，粘結(jié)不牢，石料表面粗糙，形成凹凸不平的表面，不僅增加了表面積，使石料增多了與瀝青接觸的機會，當(dāng)瀝青嵌入凹穴中，固化后形成牢固的機械嵌鎖力，使瀝青與石料牢固粘結(jié)。石料表面的清潔程度對瀝青的粘附性也有很大影響，如石料表面裹覆粘土，將阻隔瀝青與石料的接觸，影響瀝青浸潤。

本工程要求碎石加工場采用新鮮、堅硬、潔凈的卵礫石(應(yīng)選用粒徑8 cm 以上的卵礫石并盡量剔除軟弱顆粒)軋制的碎石，并具有足夠的強度和耐磨耗性。其顆粒形狀應(yīng)具棱角、接近立方體，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范的要求且必須保證卵礫石軋制的集料中具有兩個或兩個以上的破碎面的比例不得小于80%，具有一個破碎面的比例不小于90%。

表2 粗骨料檢測結(jié)果表

4.4 嚴(yán)格控制施工溫度

當(dāng)瀝青溫度升高時，瀝青粘度降低，流動度增大，便于瀝青在石料表面自由展開，促進(jìn)浸潤，以提高瀝青與石料的粘附性。在實際施工中，應(yīng)嚴(yán)格掌握瀝青和集料的加熱溫度以及瀝青混合料的出廠溫度，集料溫度應(yīng)比瀝青溫度高10℃～15℃。普通瀝青混合料的的施工溫度宜根據(jù)135℃及175℃條件下測定的粘度——溫度曲線確定(即以粘度0.17PaS±0.02PaS 時的等粘溫度作為拌和溫度)。具體施工中的溫度控制情況見表3。

5 瀝青混合料的水穩(wěn)定試驗

通常，對瀝青混合料的試驗均采用新拌瀝青混合料進(jìn)行，對于這一點，學(xué)術(shù)界一直存在疑問。因為瀝青和其它材料不同，它在使用過程中有一個老化過程，瀝青路面的損壞也往往發(fā)生在不同的時期。瀝青路面的水損害主要是瀝青與集料的粘附性逐漸喪失造成的，它是經(jīng)過相當(dāng)?shù)臅r間才發(fā)生，尤其是對于摻加抗剝落劑的混合料進(jìn)行效果評價時更應(yīng)該使用經(jīng)過長期老化的瀝青混合料進(jìn)行。

按照配合比設(shè)計要求，選定骨料級配及瀝青用量配制出瀝青混合料后，按照規(guī)范JTG E20-2011中T 0734-2000(熱拌瀝青混合料加速老化方法)模擬老化后，按照ASTM D4867標(biāo)準(zhǔn)做水損害試驗。如果劈裂抗拉強度比大于75%，該混合料滿足設(shè)計要求，否則需對上述改良方法重新進(jìn)行評價。

5.1 ASTM D4867試驗過程

(1)把瀝青混合料從烘箱中取出，做馬歇爾擊實，每次制作最少6個試件，其中一半用于干燥條件試驗，另一半用于潮濕條件試驗;

(2)擊實后試件空隙率應(yīng)為7%±1%，冷卻至室溫并脫模;

(3)按規(guī)定的方法測定混合料的最大理論密度，測量試件的直徑、高度和毛體積相對密度，計算試件的空隙率，對于不符合要求的作廢;

(4)將試件分成2組，其中一組作為干燥條件試驗的試件，在室溫下存放，直至劈裂試驗前放入25℃水中20 min;

(5)另外一組供潮濕狀態(tài)試驗的試件先放入一真空容器中，向容器注入蒸餾水浸沒試件，在短時間內(nèi)(5～10 min)施加70 kPa 或525 mm 高水銀柱真空。取出試件，計算毛體積密度并計算飽水率。飽水率應(yīng)控制在55%～80%之間，如果飽水率不符合要求，應(yīng)調(diào)整真空度，使試件的飽水率符合要求。當(dāng)試件飽水率大于80%時候，應(yīng)作廢;

(6)把試件放入60±1℃水浴中24 h;

(7)調(diào)整試件溫度，把試件放入25±1℃的水浴中1 h;

(8)測量試件的高度和體積，計算試件的吸水率和飽水率，如果飽水率大于80%可以接受;

(9)將干燥條件下的試件同樣放入水中保持20 min，然后與潮濕狀態(tài)下的試件同時進(jìn)行劈裂試驗，試驗壓條寬13 mm，測定劈裂抗拉強度，加載速率為50 mm/min，計算劈裂抗拉強度比=潮濕條件下試件抗拉強度/干燥條件下試件抗拉強度×100%。

5.2 水損害試驗結(jié)果

按要求進(jìn)行試驗并劈開潮濕條件下的試件，觀察其斷面，具體結(jié)果如表4所示。

表4 老化后的瀝青混合料水損害試驗結(jié)果表

6 結(jié)語

(1)當(dāng)工程項目附近只有酸性骨料、無其它可供選擇的料源時，可以考慮使用加入優(yōu)質(zhì)抗剝落劑、水泥代替部分礦粉、控制溫度和保證骨料表面狀態(tài)等方法進(jìn)行處理;

(2)用美國的ASTM D4867標(biāo)準(zhǔn)檢測老化后的瀝青混合料的水損害，方法簡便且指導(dǎo)意義強。這些改良方法既保證了工程質(zhì)量，又節(jié)省了工程成本，施工可操作性強，值得大力推廣。