基于改進(jìn)試驗(yàn)的瀝青與集料低溫黏結(jié)性能評價(jià)

王曄曄 秦耀藝 李彬彬

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

瀝青混合料面層是與空氣、行車荷載等直接接觸的最表層，在運(yùn)營期內(nèi)要經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用，而經(jīng)過凍融循環(huán)的瀝青混合料在車輛荷載的作用下，如果低溫性能不足，極易引起瀝青混合料面層的松散、坑槽等損壞，從而影響瀝青路面的使用質(zhì)量和壽命[1]。

根據(jù)復(fù)合材料理論，瀝青混合料在凍融循環(huán)條件下出現(xiàn)的損傷不利位置多位于集料與瀝青的黏結(jié)面以及粗集料之間的膠漿連接面。因此，集料與瀝青及膠漿的界面黏結(jié)性能對瀝青混合料的凍融耐久性，尤其是低溫狀態(tài)下受冰荷載作用的力學(xué)行為有重要影響[2]。但是查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，目前關(guān)于瀝青混合料低溫性能方面的研究主要集中在瀝青材料或者瀝青混合料方面，關(guān)于瀝青與集料在低溫條件下的黏結(jié)性研究不足[3-5]。為此，本文以現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）中的“瀝青與集料的低溫黏結(jié)性試驗(yàn)”（T 0660-2000）為基礎(chǔ)，針對該方法存在的不足，改進(jìn)了試驗(yàn)方法，以便更科學(xué)地判定不同膠結(jié)料與石料在低溫條件下的黏結(jié)性能，以指導(dǎo)各結(jié)構(gòu)層瀝青結(jié)合料的選擇。

1 瀝青與集料低溫黏結(jié)性試驗(yàn)方法分析

通過對T0660-2000 試驗(yàn)方法規(guī)定的試驗(yàn)儀器、材料、流程等進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該方法存在著明顯的不確定因素。

1.1 缺少標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備

T0660-2000 試驗(yàn)方法中對試驗(yàn)器具、材料、方法和步驟等有明確規(guī)定，但是目前市場上并沒有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)過程中難以保證儀器具有足夠的精確性，從而保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。對此，開發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)備，將擊實(shí)高度、擊實(shí)鋼球、標(biāo)準(zhǔn)方盤、集料位置固定方格網(wǎng)、集料套篩等制成標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，以降低試驗(yàn)儀器誤差，提高試驗(yàn)的穩(wěn)定性、科學(xué)性。

1.2 集料粒徑要求范圍過寬

T0660-2000 試驗(yàn)方法中使用的集料粒徑為4.75~9.5mm，集料大小差別較大，使得粒徑對試驗(yàn)結(jié)果穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。對此，本文開展了細(xì)化粒徑后的集料與瀝青的低溫黏結(jié)性試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 不同粒徑玄武巖與基質(zhì)瀝青低溫黏結(jié)性試驗(yàn)

從表1中可以看出：集料粒徑為4.75~6mm 時(shí)，集料掉落數(shù)量和掉落質(zhì)量顯著小于粒徑在6mm以上的集料，6~8mm 的集料掉落數(shù)量和質(zhì)量小于8~9.5mm 檔集料，說明4.75~9.5mm 檔集料內(nèi)部的粒徑組成對試驗(yàn)結(jié)果具有顯著嚴(yán)重影響，集料粗細(xì)程度不同時(shí)，對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，因此需要嚴(yán)格控制試驗(yàn)所用集料的粒徑組成。如果試驗(yàn)時(shí)使用6mm 和8mm 方孔篩對4.75~9.5mm 檔集料進(jìn)行二次篩分，采用粒徑為6~8mm 的集料進(jìn)行試驗(yàn)可大幅度提高試驗(yàn)穩(wěn)定性。

1.3 集料表面瀝青膜厚度無法保證

規(guī)范中要求集料表面覆蓋1mm 的瀝青，但操作過程只規(guī)定“鋼板不得傾斜，以防瀝青流向一邊”，無法保證瀝青膜厚度和均勻性[6]。對此，本文采用水準(zhǔn)尺控制方盤保持水平，同時(shí)采用振動(dòng)臺以低頻低幅振動(dòng)使瀝青或?yàn)r青膠漿形成厚度均勻的瀝青膜，減小了試驗(yàn)條件的差異性。同時(shí)還探討了瀝青膜厚度對試驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)果表明，瀝青膜厚度1mm是合理的。

1.4 集料擺放主觀性較大

T0660-2000 試驗(yàn)方法中提出要保證集料的擺放大體均勻，但實(shí)際操作中集料的擺放較為主觀和隨意，對試驗(yàn)結(jié)果具有一定影響。因此，本文設(shè)計(jì)出集料位置固定方格網(wǎng)，以完全固定住每一顆集料的位置，每一次試驗(yàn)每一個(gè)位置集料所受的沖擊能量保持一致，提高了試驗(yàn)精度。

2 瀝青與集料低溫黏結(jié)性試驗(yàn)過程

（1）按要求完成鐵架、底座、鋼板、集料回收槽等組裝，保持鐵架及底座水平，調(diào)整鐵架下底面高度距鋼板表面500mm。調(diào)整集料回收槽與鋼板位置，使鋼球自鐵架落下后恰好落在鋼板正中央。

（2）分別使用4.75mm、9.5mm 標(biāo)準(zhǔn)方孔篩對碎石集料進(jìn)行初篩，得到粒徑4.75~9.5mm的集料，然后使用5.6mm、8mm 方孔篩對粒徑4.75~9.5mm 的集料進(jìn)行進(jìn)一步篩分，從粒徑5.6~8mm碎石中挑選出100顆形狀規(guī)則、接近立方體的碎石，洗凈后置于（105±5）℃的烘箱中烘干備用。

（3）將鋼板放置在溫度為（105±5）℃的烘箱中加熱備用。

（4）按T0602-2011 試驗(yàn)方法的規(guī)定對瀝青進(jìn)行加熱，然后將預(yù)熱后的鋼板放在平臺上并使用水準(zhǔn)尺調(diào)整鋼板處于水平狀態(tài)后，立即向鋼板中倒入熱瀝青40g，并放置在混凝土振動(dòng)臺上高頻低幅振動(dòng)20s，以使瀝青在鋼板表面形成1mm的均勻薄膜。

（5）將鋼板放置在常溫環(huán)境中進(jìn)行冷卻，同時(shí)使用方格網(wǎng)在瀝青上均勻地放100 顆準(zhǔn)備好的碎石，共10排，每排10顆。

（6）按規(guī)范要求進(jìn)行敲擊，計(jì)算被振落的集料數(shù)量占總集料數(shù)量的百分率。

3 集料與膠結(jié)料低溫黏結(jié)性評價(jià)

3.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用3種石料、3種瀝青，在粉膠比0.8的條件下進(jìn)行瀝青與集料低溫黏結(jié)性試驗(yàn)，結(jié)果見表2。從表2 可以看出：

表2 不同類型集料與膠結(jié)料低溫黏結(jié)性試驗(yàn)結(jié)果

（1）改性瀝青與集料之間具有更好的黏結(jié)性能，其中橡膠瀝青與集料的黏結(jié)性更好，這是因?yàn)楦男詾r青具有較高的黏度，使得改性瀝青與集料間具有良好的黏結(jié)性能；

（2）不同類型集料與瀝青的黏結(jié)性能有所差異。石灰?guī)r呈堿性，與瀝青有較好的黏結(jié)性；花崗巖雖然含有較多的酸性成分，但由于表面粗糙，因此在低溫條件下與膠結(jié)料也具有較好的黏結(jié)性能。

由于表2中3種集料與橡膠瀝青的試驗(yàn)均無掉落，為增加掉落率，使用粒徑為9.5mm 的集料重新進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3 各類集料（9.5mm）與膠結(jié)料的低溫黏結(jié)性試驗(yàn)結(jié)果

由表3 結(jié)果可以看出：對于粒徑為9.5mm 的集料，采用橡膠瀝青進(jìn)行低溫黏結(jié)性試驗(yàn)時(shí)，掉落的集料依然很少，顯示了橡膠瀝青優(yōu)異的黏結(jié)性能。同時(shí)，當(dāng)結(jié)合料為純?yōu)r青時(shí)，使用6~8mm 檔集料可以明確反映瀝青與集料類型對瀝青與集料低溫黏結(jié)性的影響；當(dāng)結(jié)合料為瀝青膠漿時(shí)，采用粒徑較小的集料無法區(qū)分不同瀝青與集料黏結(jié)性的差異，因此需要適當(dāng)增大集料粒徑。此時(shí)，集料與瀝青或?yàn)r青膠漿的黏結(jié)性能具有相似的規(guī)律。

3.2 膠結(jié)料與集料低溫黏結(jié)性損傷機(jī)理

以上試驗(yàn)結(jié)果只能反映出集料與瀝青及膠漿之間的黏結(jié)性特點(diǎn)，如果要研究其損傷機(jī)理，還需要結(jié)合試件低溫下的破壞模式對其進(jìn)行分析。集料與瀝青在單次敲擊后的破壞模式如圖1 所示。由圖1 結(jié)果可以看出，對于未摻礦粉的基質(zhì)瀝青和SBS 改性瀝青，低溫敲擊鋼板時(shí)，破壞部位主要為瀝青與鋼板之間。但是，對于摻入礦粉的兩種瀝青膠漿，一次敲擊無法造成試件破壞，只有連續(xù)敲擊數(shù)次才可導(dǎo)致集料與膠漿脫離，或者試樣整體從鋼板脫落。集料與瀝青膠漿低溫敲擊破壞如圖2所示。

圖1 集料與瀝青低溫敲擊破壞圖

圖2 集料與瀝青膠漿低溫敲擊破壞圖

由圖1、圖2對比可以看出：與前文試驗(yàn)結(jié)果相反，瀝青膠漿與集料間的粘結(jié)效果要比瀝青差。原因在于，當(dāng)集料與瀝青相互作用時(shí)，集料在瀝青中會(huì)因自重而不斷下沉，直至穩(wěn)定，此時(shí)集料和鋼板之間存在一定間隙，形成如圖3（a）所示的薄瀝青膜；而集料四周的瀝青量較多，接觸面積更大，形成的瀝青膜會(huì)更厚，使得集料與鋼板間的薄瀝青膜成為薄弱面，在敲擊時(shí)出現(xiàn)損傷。同時(shí)，由于鋼板表面光滑，與瀝青間的表面能遠(yuǎn)小于集料與瀝青，使得鋼板與瀝青間的粘結(jié)力較低，容易分離。

圖3 集料與瀝青及膠漿粘結(jié)示意圖

集料與瀝青膠漿相互作用時(shí)，礦粉的存在使得瀝青膠漿具有較大模量，從而使集料在重力作用下下沉較短的距離即可與膠漿摩擦力達(dá)到平衡，使得集料與鋼板間存在較厚的瀝青膜，如圖3（b）所示。這時(shí)，石料四周和底部的瀝青膜均較厚，敲擊時(shí)的最不利位置分別在鋼板與膠漿的界面和石料與膠漿的界面，故出現(xiàn)圖4所示的2種破壞模式。

對于集料與橡膠瀝青的低溫敲擊試驗(yàn)，由于橡膠瀝青具有較高的黏度，在制作試件時(shí)，必須提高瀝青加熱溫度以使橡膠瀝青正常流動(dòng)，從而確保試件瀝青膜厚度達(dá)到1mm，而將集料放入橡膠瀝青后，只能下沉極短距離，使得集料與橡膠瀝青結(jié)合面成為薄弱面，在低溫敲擊時(shí)發(fā)生破壞如圖4（a）。對于橡膠瀝青膠漿，集料與膠漿間除上述不利位置外，膠漿與鋼板間也易發(fā)生剝離，如圖4（b）。

4 結(jié)束語

本文在對現(xiàn)行規(guī)范中瀝青與集料的粘結(jié)性試驗(yàn)方法進(jìn)行詳細(xì)研究的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了試驗(yàn)方法，并開展了石灰?guī)r、花崗巖、玄武巖3 種巖性集料與3 種瀝青及其膠漿的低溫粘結(jié)性能試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)行規(guī)范提出的集料與瀝青低溫粘結(jié)性試驗(yàn)方法并不完善，存在多種可能影響試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性、科學(xué)性的因素，有必要對該試驗(yàn)方法加以改進(jìn)和完善。

（2）相對于基質(zhì)瀝青，改性瀝青與集料的粘結(jié)性能更好，其中橡膠瀝青又明顯優(yōu)于SBS改性瀝青。

（3）集料類型對瀝青與集料的粘結(jié)性能有一定影響。一般來說，堿性集料與瀝青間的粘結(jié)性較好，其中花崗巖雖含有較多酸性成分，但由于表面粗糙，使得其與瀝青的粘結(jié)性良好。同時(shí)，當(dāng)瀝青的黏度較大時(shí)，集料類型對瀝青與集料粘結(jié)性的影響較小。

（4）對于集料與瀝青的低溫粘結(jié)性破壞試驗(yàn)，當(dāng)采用的膠結(jié)料黏度較低時(shí)，破壞多發(fā)生在鋼板與瀝青之間，從而可有效區(qū)分集料類型的影響；當(dāng)采用的膠結(jié)料黏度較大時(shí)，集料類型對試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，可以用于研究不同結(jié)合料的粘結(jié)效果。如果需要分析集料類型的影響，可以適當(dāng)增大集料粒徑。