砾石沥青混合料水稳定性复合改善技术研究

郭寅川，魏自玉，申爱琴，赵天源

(1. 长安大学 教育部特殊地区公路工程重点实验室，陕西 西安 710064；2. 路易斯安那州立大学 路易斯安那州交通研究中心，路易斯安那州 巴吞鲁日 70803，美国)

0 引 言

随着高速公路建设的快速发展，原材料资源消耗巨大，优质石料逐渐匮乏，但是我国砾石资源较为丰富，如能通过适当的技术途径将砾石用于高速公路沥青路面建设中，将会大大减轻石料供应压力，降低公路建设成本。但有关资料显示，砾石主要成分为SiO2，岩性表现为弱酸性[1-2]，砾石与同为酸性的沥青之间黏附性较差，若将其直接用于沥青混合料中易产生严重的水损害问题[3]。

近年来，许多学者就沥青与酸性石料的黏附性及改善措施进行了大量的研究，国内外大量研究表明[4]，掺加化学抗剥落剂是提高沥青混合料中沥青与酸性石料黏附性的有效途径。目前常采用改善酸性石料黏附性的材料还有水泥、消石灰粉[5]。钱晓鸥[6]研究了抗剥落剂对沥青与酸性石料黏附性的改善效果，黏附性等级提高较明显，性能稳定，经耐久性抗老化试验验证，老化前后差异不明显；王延海[7]研究了不同抗剥落剂对短期老化及长期老化的沥青混合料的水稳定性能，结果表明掺加消石灰、胺类抗剥落剂及非胺类抗剥落剂的沥青混合料，其残留稳定度及TSR值均有所降低，胺类抗剥落剂降低幅度最大，消石灰次之，但是掺加消石灰的沥青混合料残留稳定度及TSR仍满足规范要求。研究发现水泥和消石灰粉能与沥青有机酸发生反应生成吸附能力极强的物质；水泥和消石灰粉均可以碱化骨料，在沥青混合料中掺加2%左右的水泥或石灰并不会带来更多的路面病害，其耐久性较好；抗剥落剂主要通过自身极性基团与酸性集料结合、亲油团与沥青结合的方式达到抗剥落的效果。

总之，现有的研究主要集中在酸性碎石与沥青的界面黏附性方面，而针对破口砾石与沥青的界面黏附性研究却非常少，如何提升沥青与破碎砾石界面黏附性能还鲜有研究。众所周知，砾石经过长年的自然风化或流水的冲刷作用，表面变得光滑无棱角，即使将大砾石破碎加工后，其破口砾石表面的粗糙度远不如碎石，而且依然还存有光滑面。此外，砾石主要成分为SiO2，含量高达90%，可见，破碎砾石的表面性状不同于一般酸性石料，导致其与沥青之间的黏结能力更差。因此，为了系统研究不同外加剂种类、掺配方案以及掺量对沥青与破碎砾石之间黏附性的影响规律及改善效果，笔者选择无机改性材料(水泥、消石灰粉)及有机改性材料(化学抗剥落剂)作为改性材料，通过不同方案的水稳定性试验分析不同掺配方案对砾石沥青混合料水稳定性能的提升效果；借助拉拔试验对沥青与破碎砾石界面黏附性的提升效果进行定量分析。研究结果为砾石在沥青路面建设中的应用和推广提供理论及技术依据。

1 原材料及试验方案设计

1.1 原材料

本研究采用中海油70 #A级道路石油沥青，其技术指标见表1；集料为破碎砾石，主要技术指标见表2；所用矿粉为潼南塘坝矿粉厂生产，表观相对密度为2.673。

无机改性材料选择水泥和石灰，水泥采用重龙山P.C32.5型，其技术指标符合相关技术要求；石灰为200目消石灰粉。

有机改性材料选用固体抗剥落剂AMRⅠ型和液体抗剥落剂AMRⅡ型。

经检测以上材料均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

表1 中海油70 #沥青技术指标Table 1 CNOOC(China National Offshore Oil Corporation)70# asphalt technical indicators

表2 破碎砾石技术指标Table 2 Crushed gravel technical indicators

1.2 矿料级配组成

本研究依托实体工程，设计了中面层所用的AC-20C砾石沥青混合料，其级配见表3。通过马歇尔试验，计算了砾石沥青混合料的最佳油石比及相关体积指标，见表4，均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

1.3 试验方案设计

国内外大量研究表明[8-9]：水泥和消石灰粉为碱性物质可附着在酸性石料表面使其碱性化，而抗剥落剂可以通过自身的极性基团与酸性集料结合、亲油团与沥青结合的方式来达到抗剥落效果。为了提升破碎砾石与沥青的黏附性，提高砾石沥青混合料的水稳定性，采用水泥、石灰等无机材料以及抗剥落剂作为复合改性剂，通过单掺或复配掺入等不同方式对砾石沥青混合料进行改性，以增强砾石与沥青的界面黏结状况。在前人研究成果及课题组大量探索性试验的基础上，设计了14种单掺及复配掺入等改性方案，其中化学抗剥落剂是占沥青的质量比例；水泥及消石灰粉是替代部分矿粉，占集料的质量比例。通过残留稳定度及冻融试验研究了改性材料种类及掺量对砾石沥青混合料水稳定性能的影响规律；基于拉拔试验研究了复掺外加剂对沥青与砾石界面黏附性改善效果。不同改性材料单掺及复配掺入试验方案见表5。

表3 AC-20C砾石沥青混合料合成级配Table 3 AC-20C gravel asphalt mixture synthetic gradation

表4 AC-20C砾石沥青混合料体积指标Table 4 AC-20C gravel asphalt mixture volume index

根据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对砾石沥青混合料水稳定性进行残留稳定度试验和冻融劈裂强度试验。

2 结果与分析

2.1 水稳定性试验结果与分析

将水泥、消石灰粉及化学抗剥落剂分别以不同掺量单掺入砾石沥青混合料中，其冻融劈裂强度随不同改性材料掺量的变化结果见表6及图1。

表5 不同改性材料单掺、复掺试验方案Table 5 Test schemes of single and compound addition of different modified materials

表6 不同改性材料种类及掺量下的砾石沥青混合料冻融劈裂强度试验结果Table 6 Test results of freeze-thaw splitting strength of gravel asphalt mixtures with different kinds of modified materials and dosages

图1 不同改性材料单掺下的砾石沥青混合料TSR值Fig. 1 TSR values of gravel asphalt mixtures with single admixture of different modified materials

由表6可知，不掺加任何改性材料时，砾石沥青混合料的冻融劈裂强度值未能满足规范要求，而掺加一定剂量的水泥、石灰或抗剥落剂的砾石沥青混合料，可以明显提高其冻融劈裂强度比，改善水稳定性能。

由图1可知，水泥和消石灰随着掺量的增加，其TSR值有先增大后减小的趋势，其掺量为1.0%时，改善效果最好，TSR值分别为82.8%、78.4%。掺加化学抗剥落剂的砾石沥青混合料能够明显提高冻融劈裂强度比，增加砾石与沥青之间的黏附性，提高混合料的水稳定性能，AMRⅠ型抗剥落剂黏附性改善性能优于AMRⅡ型，当AMRⅠ型抗剥落剂掺加剂量为0.4%时，改善效果最优，TSR值达到85.1%，较对照组提高了20%。

掺加水泥和石灰的砾石沥青混合料对冻融劈裂强度值影响较小，而抗剥落剂的掺入效果显著，对比方案S0与方案S8，掺量0.4%AMRⅠ型抗剥落剂其冻融前后的劈裂强度值分别为1.21、1.03 MPa，比对照组分别提高了40.7%、68.9%。无论是TSR值还是冻融循环前后的劈裂强度值，均可说明抗剥落剂对砾石沥青混合料水稳定性改善效果优于水泥与消石灰粉。

2.2 改性材料复配时砾石沥青混合料水稳定性结果与分析

为了充分发挥各改性材料的优势并探讨其改性机理，基于上述试验，笔者进一步将水泥、石灰等有机改性材料与化学抗剥落剂复配后对砾石沥青混合料水稳定性能进行研究，其冻融劈裂强度比和浸水马歇尔试验残留稳定度值见表7及图2、图3。

图2 改性材料复配后砾石沥青混合料冻融劈裂强度比试验结果Fig. 2 Test results of freeze thaw splitting strength ratio of the gravel asphalt mixture after adding compound modified materials

图3 改性材料复配后砾石沥青混合料残留稳定度试验结果Fig. 3 Test results of residual stability of compound modified gravel asphalt mixture

由图2、图3可知，当未掺加任何改性材料时，砾石沥青混合料的冻融劈裂强度比TSR仅为70.9%，残留稳定度为75.5%，皆不满足规范要求，这是由于砾石为酸性集料，表面微观结构比较平顺，微观比表面积较小，不利于沥青与砾石集料之间的黏结和吸附。当在砾石沥青混合料之间加入水泥、消石灰粉、抗剥落剂、或将其进行复掺时，砾石沥青混合料的TSR值皆在75%以上，残留稳定度均大于80%，这充分说明水泥、消石灰粉及抗剥落剂均能改善破碎砾石与基质沥青之间的黏附性，有利于提高砾石沥青混合料的水稳定性。

对比复掺试验可知，同时掺加水泥和抗剥落剂，可以大幅度的提高砾石沥青混合料的水稳定性能，而且随水泥用量的增加，改善效果也更显著。当掺加0.4%AMRⅠ型抗剥落剂和1.0%水泥时，其TSR值和残留稳定度分别为90.9%、92.6%，分别提高了28.8%、22.6%。复掺法对砾石沥青混合料水稳定性改善效果更为显著。

2.3 沥青与砾石界面拉拔试验结果及分析

2.3.1 拉拔试验

为了定量分析不同改性材料对沥青与破碎砾石界面黏附性的提升效果，选择PosiTest AT-A型拉拔仪测试沥青在破碎砾石表面的附着力，通过测量沥青与集料界面发生破坏时的拉应力，来定量表征沥青与集料界面黏附性。

本研究选用粒径在9.5～13.2 mm之间的破碎砾石集料若干，砾石各表面打磨成规则形状，并将上表面打磨平整；在小容器内拌制水泥砂浆，将打磨好的砾石颗粒压入砂浆内，对水泥砂浆加水养护7天，防止砂浆开裂，保证集料与砂浆结合牢固；将沥青加热到一定温度，并加入不同种类及剂量的外加剂，具体方案见表8，用毛刷沾取加热后的沥青，均匀涂刷在砾石颗粒的上表面，控制沥青膜的厚度尽量薄；待集料颗粒与其表面的沥青冷却至室温时，将拉拔仪附带的A、B胶均匀拌合，并涂抹在直径为20 mm的金属锭子底面，将锭子与沥青表层进行黏结，静置24 h后进行拉拔试验。

2.3.2 结果与分析

通过设计的拉拔试验，对沥青与破碎砾石界面的拉拔力进行测试，其试验结果见表8。

表8 不同方案沥青与破碎砾石界面拉拔力Table 8 Pullout force between asphalt and broken gravel surface in different schemes

由表8可知，将水泥、石灰及化学抗剥落剂单掺或复掺入砾石沥青混合料中，可以明显提高沥青与破碎砾石界面拉拔力，即沥青与砾石界面黏附性得以改善。

当3种改性材料分别掺入砾石沥青混合料时，拉拔力较基准组分别提高了8.5%、6.6%、14.1%，0.4%掺量AMRⅠ型抗剥落剂改善效果显著，这可能是因为：抗剥落剂的加入极大的增强了砾石与沥青界面的黏附性，一方面通过降低沥青与集料的界面张力，减小沥青与集料的接触角，来改善沥青在集料表面的铺展程度，使沥青与砾石的黏附功增大，从而达到黏附性增强的效果；另一方面，抗剥落剂是由极性基团和非极性基团组成，非极性基团与沥青有很强的结合力，极性基团带有正电荷，与酸性集料表面所带的负电荷二者异性相吸，发生化学反应，从而提高沥青与集料的黏附性[10]。

将抗剥落剂与水泥或石灰复合掺加，可以大幅度提高拉拔力，改善沥青混合料的黏附性。当掺加0.4%AMRⅠ抗剥落剂与1.0%水泥时，拉拔力较基准组提高了36.6%，水泥和抗剥落剂复合作用可能进一步改善了沥青在砾石表面的铺展程度，减小了两者之间的接触角，从而使沥青与砾石界面黏附性增强效果达到最优。

3 砾石表面微观结构分析及砾石沥青混合料水稳定性改善机理

3.1 破碎砾石表面微观结构分析

借助SEM扫描电镜，对破碎砾石试样断面进行微观分析，同时选择石灰岩碎石进行对比研究，并利用扫描电镜自身配备的X射线能谱仪对其表面的微观成分进行分析，从物理构造的角度分析砾石表面微观形貌对其宏观性能的影响。破碎砾石与石灰岩碎石的微观结构分别见图4、图5。

图4 500倍破碎砾石微观结构Fig. 4 A electron microscopic photo of 500 times crushed gravel

由图4、图5可知：石灰岩碎石具有良好的微观形貌，表面微观结构凹凸起伏变化明显，微观表面较为粗糙，拥有较大的微观比表面积，有利于沥青与石料之间的黏结吸附；在相同倍数下，破碎砾石内部孔隙率大，结构疏松，表面微观结构比较平顺，微观比表面积较小，不能使沥青与集料充分接触，这可能是导致沥青与砾石集料界面黏结力较差的重要原因。

石料表面不同组成元素经过电镜扫描后所反应出的能量值皆有不同，石灰岩及砾石破碎面扫描元素能谱图见图6、图7，其元素原子百分比见表9。

表9 石灰岩与砾石原子百分比Table 9 Atomic percentage of limestone and gravel

图6 石灰岩破碎面扫描元素能谱Fig. 6 Scanning element energy spectrum of limestone crushing surface

图7 砾石破碎面扫描元素能谱Fig. 7 Scanning element energy spectrum of gravel fracture surface

由图6可知，在扫描视域面积内元素成分较为复杂，其中钙、镁、氧元素峰值较高，而硅元素的含量较少，原子百分比为0.31，分子结构组成主要为CaCO3和MgO，呈碱性的石灰岩可能会与酸性沥青发生一系列化学反应，增强石灰岩与沥青界面的黏附性。由图7及表9可知，破碎砾石的主要元素为Si和O，两者所占比例超过99%，分子结构主要为SiO2，即砾石组成结构中主要成分为石英，因此呈酸性的沥青很难吸附在砾石表面，这也是破碎砾石与沥青界面拉拔力较小的原因之一。

3.2 砾石沥青混合料水稳定性改善机理

根据表面能理论[11]，沥青与砾石集料之间的黏附作用是由能量作用原理即沥青润湿破碎砾石表面而形成的。由于水与破碎砾石之间的润湿能力要比沥青与破碎砾石之间的润湿能力强，因此水可以侵入沥青—石料界面，形成沥青—水—石料形式的表面接触，造成沥青从破碎砾石表面剥落。

由表5可知，当向砾石沥青混合料中掺加1%水泥时，其冻融劈裂强度TSR值较基准组S0提高了16.8%；当向砾石沥青混合料中掺加0.4%AMRⅠ型抗剥落剂+1.0%水泥时，其TSR值和残留稳定度分别为90.9%、92.6%，较基准组分别提高了28.8%、22.6%。这是因为：水泥颗粒细小，比表面积较大，且其中碱性成分含量高，因此水泥具有较高的活性，在砾石沥青混合料拌合时添加水泥，可以在砾石表面形成碱性覆盖层，使得沥青与破碎砾石之间的润湿能力比水与破碎砾石之间的润湿能力强，显著改善了沥青与破碎砾石界面之间的黏附性能。

同时，水泥覆盖在砾石表面也会形成多孔、粗糙的表面层，增加沥青与砾石之间的接触面积，而抗剥落剂的加入能降低沥青与集料的界面张力，减小沥青与集料的接触角，改善沥青在集料表面的铺展程度，两者的共同作用使得沥青与砾石的黏附功增大，达到黏附性增强的效果，从而有效改善了砾石沥青混合料的水稳定性能[12-13]。

4 结 论

1)水泥、消石灰粉及化学抗剥落剂单掺入砾石沥青混合料中，可以大幅度提高混合料的冻融劈裂强度TSR、残留稳定度值及沥青与破碎砾石之间的拉拔力，增强沥青与破碎砾石界面黏附性，改善砾石沥青混合料的水稳定性，掺量为0.4%AMRⅠ型抗剥落剂的改善效果优于水泥及消石灰粉。

2)将水泥、消石灰粉等无机改性材料与抗剥落剂进行复配改性，复掺0.4%AMRⅠ抗剥落剂+1%水泥时效果最优，其冻融劈裂强度比TSR和残留稳定度，比对照组分别提高了28.8%和22.6%，且优于混合料单掺0.4%AMRⅠ型抗剥落剂时的改善效果。

3)通过SEM扫描电镜对破碎砾石试样断面进行微观分析，发现砾石表面孔隙率大，结构疏松，表面微观结构比较平顺，微观比表面积较小，不能使沥青与集料充分接触。且砾石的主要成分为石英，与呈酸性的沥青黏结性较差，宏观上表现为砾石沥青混合料的抗拉拔性能较差。

4)将水泥掺入砾石沥青混合料中，可使砾石表面形成多孔、粗糙的表面层，增加沥青与砾石之间的接触面积，而抗剥落剂的加入能降低沥青与集料的界面张力，减小沥青与集料的接触角，改善沥青在集料表面的铺展程度，两者的共同作用使得沥青与砾石的黏附功增大，达到黏附性增强的效果。