不同处治方法下酸性闪长岩沥青混合料长期水稳性能室内试验

谭波， 刘学文

(桂林理工大学 广西建筑新能源与节能重点实验室， 广西 桂林 541004)

随着沥青路面的快速发展，沥青路面的水损坏问题日益受到人们的关注，特别是高温多雨的南方地区的水损坏现象尤为突出[1].研究表明，集料的酸碱性是影响沥青混合料水稳定性的关键因素，酸性集料与沥青的粘附性较差，遇水极易剥离而出现水损坏现象[2-5].在某些高速公路项目沿线，酸性集料料源丰富，且公路建设任务繁重，若不能因地制宜地改善并利用酸性集料，势必造成环境破坏、投资增大、工程造价提高、建设工期延长等问题.

目前，改善酸性集料水稳定性的常用方法是用水泥或消石灰替代矿粉、抗剥落剂改性沥青等[5-10].谢海超等[11]将水泥作为填料，极大地改善酸性集料沥青混合料的水稳定性.张宜洛[12]对酸性花岗岩分别掺加抗剥落剂和消石灰，两种方法均可提高花岗岩沥青混合料的水稳定性.彭振兴等[13]对胺类与非胺类的抗剥落剂性能进行研究，发现非胺类抗剥落剂具有更好的热稳定性和水稳定性.张伟[14]使用水泥、矿粉和抗剥落剂对酸性卵石沥青混合料的填料进行处理，铺筑试验路观测后，发现路用性能良好.张文涛[2]对花岗岩掺加抗剥落剂和消石灰后，铺筑试验路，发现其具有良好的抗水损坏性能.吴登睿[10]依托四川省成都第二绕城高速公路分别试铺单掺水泥、胺类抗剥落剂、消石灰的试验路段，发现单掺消石灰的路面抗水损坏性能优于单掺水泥，单掺水泥的路面抗水损坏性能优于单掺胺类抗剥落剂.以上研究均通过冻融劈裂试验测试酸性集料沥青混合料的水稳定性，也有其他学者通过反复冻融劈裂试验测试混合料的长期水稳定性，但考虑到自然环境下的路面除了受到冻融破坏外，还受到高温、老化的影响.因此，本文通过反复冻融烘劈裂试验评价消石灰水浸泡集料、水泥替代矿粉和抗剥落剂改性沥青3种处治方法下酸性闪长岩沥青混合料的长期水稳定性能.

1 原材料

1.1 沥青与抗剥落剂改性沥青的基本性能

对70#基质沥青与加入XT-1型非胺类抗剥落剂改性后的沥青(抗剥落剂改性沥青)开展基本技术指标的测试，结果如表1所示.由表1可知：改性前与改性后的沥青基本性能均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求；与改性前的沥青相比，改性后的沥青的针入度、针入度指数和延度增大，软化点降低，这可能是由于添加抗剥落剂后，沥青中的轻质成分相对增加，而沥青质含量相对降低，导致沥青的针入度、延度增大，软化点降低.此外，抗剥落剂的非极性基团与沥青发生吸附作用，使沥青的内部分子链更加紧密，分子间作用力增大，分子间所需能量增多，导致针入度指数增大.改性后的沥青流动性增大，与石料的包裹更加紧密，从而增强了水稳定性.

表1 70#基质沥青与抗剥落剂改性沥青的基本技术指标Tab.1 Basic technical indexes of 70# matrix asphalt and modified asphalt with anti-stripping agent

1.2 闪长岩集料

1.2.1 闪长岩集料的酸碱性测试 目前，检测石料酸碱性的常用方法主要有pH值法、碱值法和Zeta电势法等，但pH值法不能很好地表征石料的酸碱性，而碱值法和Zeta电势法可以快速地定量集料的酸碱性[15-16].因此，通过JTG E42-2005《公路工程集料试验规范》的碱值试验判断集料的酸碱性，但考虑到石料中的钙盐与稀硫酸反应生成微溶于水的硫酸钙，硫酸钙覆盖在反应物表面会阻碍反应的进行，故采用集热式搅拌恒温油浴锅，使反应更充分，结果更准确.

将100 mL标准稀硫酸溶液(0.25 mol·L-1)分别与分析纯碳酸钙粉末((2.000 0±0.000 2) g)、已研磨好的闪长岩(红)、闪长岩(黑)、花岗岩及石灰岩(均为(2.000 0±0.000 2) g)在集热式搅拌恒温油浴锅中冷凝回流反应30 min，用精密酸度计测定反应后溶液上层清液的pH值，并根据pH值计算氢离子的浓度.由碱值试验结果可知：闪长岩(红)、闪长岩(黑)、花岗岩、石灰岩的碱值分别为0.35，0.34，0.34，0.85，故判断闪长岩和花岗岩均为酸性集料，石灰岩为碱性集料.

1.2.2 闪长岩集料的物理力学性能测试 酸性闪长岩集料均来自广西浦北至北流高速公路沿线，对粒径分别为19.00～26.50，16.00～19.00，13.20～16.00，9.50～13.20，4.75～9.50，2.36～4.75 mm的闪长岩集料和石灰岩集料进行物理力学性能测试，二者的主要技术指标，如表2所示.表2中：γa为表观相对密度；δ为吸水率；Qe为压碎值；Qa为针片状含量；Q为洛杉矶磨耗值.

由表2可知：除粘附等级外，闪长岩集料的主要技术指标均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求；酸性闪长岩与沥青的粘附性比碱性石灰岩差，需处理后才可在路面上使用；闪长岩集料的压碎值、洛杉矶磨耗值均远大于石灰岩集料，体现了酸性料硬度高、耐磨性好的优点.

表2 闪长岩集料与石灰岩集料的主要技术指标Tab.2 Main technical indexes of diorite and limestone aggregates

2 不同处治方法下沥青混合料的短期水稳定性

2.1 不同处治方法的最佳掺量

2.1.1 水泥的最佳掺量 由于水泥替代矿粉处治方法是在成型马歇尔试件中进行，故无法通过水煮法确定水泥的最佳掺量.基于JTG F40-2004规范《公路沥青路面施工技术规范》的AC-20中值级配，参照未处治酸性集料的工程经验，选用油石比为4.5%且双面击实50次成型马歇尔试件进行冻融劈裂试验，以获得水泥的最佳掺量.

水泥替代矿粉处治方法的冻融劈裂试验结果，如表3所示.表3中：w1为水泥掺量；R1为未冻融劈裂强度；R2为冻融劈裂强度；αTSR为冻融劈裂强度比，αTSR=(R2/R1)×100%.由表3可知：当水泥掺量为2%时，冻融劈裂强度比达到最大值(88%)；当水泥掺量为3%时，劈裂强度达到最大值(0.91 MPa)，但冻融劈裂强度比为85%.

综上可知，冻融劈裂强度比存在一个峰值，水泥掺量并不是越多越好，而是有一个最优的替代量，水泥的最佳掺量为2%.

表3 水泥替代矿粉处治方法的冻融劈裂试验结果Tab.3 Freeze-thaw split test results of cement instead of mineral powder treatment method

2.1.2 消石灰水及抗剥落剂的最佳掺量 用掺量为1%(澄清石灰水)，10%，20%，30%的消石灰水浸泡集料；用掺量为0.1%，0.2%，0.3%的抗剥落剂处理沥青.由于JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的水煮法(t=3 min，t为水煮时间)无法清楚地分辨添加剂处理后闪长岩集料与沥青粘附性能的优劣，故将水煮时间分别延长至6，9，12 min，由此可得消石灰水的最佳掺量为30%，抗剥落剂的最佳掺量为0.3%.水煮法的试验过程，如图1所示.

采用延长水煮时间的方法，对闪长岩与石灰岩的粘附等级进行对比分析，结果如表4所示.表4中：w2为消石灰水掺量；w3为抗剥落剂掺量.由表4可知：当水煮时间延长至9 min时，更能直观地看出集料与沥青的粘附性好坏，故推荐水煮时间为9 min.

2.2 沥青混合料的力学性能

采用3种处治方法的最佳掺量，按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中双面击实75次成型马歇尔试件，分别获得3种处治方法相应的最佳油石比(ηaar，b).在最佳油石比下，测试马歇尔稳定度(SM)、流值(s)等力学性能指标，并分析3种处治方法的力学性能优劣.马歇尔力学性能指标，如表5所示.

由表5可知：水泥替代矿粉处治方法、消石灰水浸泡集料处治方法的最佳油石比略大于抗剥落剂改性沥青处治方法；从短期力学性能上看，抗剥落剂改性沥青处治方法的马歇尔稳定度和流值优于水泥替代矿粉处治方法、消石灰水浸泡集料处治方法.

2.3 沥青混合料的短期水稳定性

采用3种处治方法的最佳掺量和最佳油石比，通过冻融劈裂试验评价酸性闪长岩沥青混合料的短期水稳定性.冻融劈裂试验结果，如表6所示.

由表6可知：3种处治方法短期水稳定性良好，均能够满足规范要求；消石灰水浸泡集料处治方法的冻融劈裂强度比为97%，是3种处治方法中的最佳方案，这是由于消石灰水浸泡集料具有改性石料表面酸碱性的作用，使闪长岩集料表面裹覆了一层碱性消石灰粉末，将原本的酸性集料改性为碱性，从而极大提高了水稳定性.

3 不同处治方法下沥青混合料的长期水稳定性

3种处治方法下酸性闪长岩沥青混合料均具有较好的力学性能和短期水稳定性.然而，相关研究表明，抗剥落剂的热稳定性较差，在高温作用下易失效，从而导致水稳定性变差，此外，在高温作用下，沥青也会缓慢老化，两者的协同作用易造成抗剥落剂改性后沥青混合料的水稳定性变差.因此，常规冻融劈裂试验无法反映沥青路面在自然环境下发生的水损坏.

为了更好地反映实际情况，并进一步验证加入外加剂后的改善效果，在JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料实验规程》的冻融劈裂方法的基础上，将冻融时间设定为8 h，并增加“烘”这一条件，室内模拟沥青混合料一天内在高温、湿雨条件下的水稳定性，并循环冻融烘1，5，10次，以评价其长期水稳定性，从而更加全面地评价处治方法的优劣.

将双面击实50次成型的试件在真空度为97.3～98.7 kPa的条件下保持15 min；试件在水中放置0.5 h后，将其放入塑料袋，加入约10 mL的水，并扎紧袋口，放入(-18±2) ℃的恒温冰箱中保持8 h(最后一次为16 h)；取出试件，撤掉塑料袋，放入(60.0±0.5) ℃的恒温水槽中保温8 h，放入60 ℃的烘箱中烘7 h(最后一次放置烘箱中8 h)，浸水1 h；取出试件，放入25 ℃的恒温冰箱中，养护不少于2 h，如此循环1，5，10次后进行劈裂试验.

冻融烘劈裂试验，如图2所示.冻融烘劈裂试验结果，如表7所示.表7中：Rh为冻融烘劈裂强度；αTSBR为冻融烘劈裂强度比，αTSBR=(Rh/R1)×100%.

由表7可得到以下3个结论.

1) 水泥替代矿粉处治方法和抗剥落剂改性沥青处治方法的冻融烘劈裂强度和劈裂强度比均呈下降趋势；水泥替代矿粉处治方法反复10次冻融烘劈裂强度为89%，长期水稳定性良好，而抗剥落性沥青处治方法反复10次冻融烘劈裂强度仅为80%，长期水稳定性较差，这说明了高温会导致沥青和抗剥落剂老化，从而降低水稳定性.

2) 消石灰水浸泡处治方法的冻融烘劈裂强度及劈裂强度比呈现出先增大后减小的趋势，反复10次冻融烘劈裂强度比达91%，长期水稳定性良好.

3) 3种处治方法在冻融劈裂试验中表现出良好的短期水稳定性，无法清楚地区分处治方式的优劣，但在反复冻融烘劈裂试验中，消石灰水浸泡石料处治方法与水泥替代矿粉处治方法的长期水稳定性较好，抗剥落剂改性沥青处治方法的长期水稳定性较差.

4 结论

采用广西浦北至北流高速公路沿线酸性闪长岩集料，对3种处治方法下酸性闪长岩沥青混合料的长期水稳定性进行评价，可得以下4个结论.

1) 与原沥青相比，抗剥落剂改性后沥青的针入度、针入度指数和延度增大，软化点降低，这使沥青的流动性变大，增强了沥青与石料的包裹性，从而改善沥青混合料的水稳定性.

2) 通过冻融劈裂试验可得水泥替代矿粉处治方法的水泥最佳掺量为2%，最佳油石比为4.8%，马歇尔稳定度为14.75 kN；通过水煮法可得消石灰水浸泡集料处治方法的消石灰水最佳掺量为30%，最佳油石比为4.7%，马歇尔稳定度为14.25 kN；通过抗剥落剂改性沥青处治方法的抗剥落剂最佳掺量为0.3%，最佳油石比为4.6%，马歇尔稳定度为14.80 kN. 通过冻融劈裂试验发现3种处治方法的短期水稳定性良好，均符合规范要求.

3) 通过冻融烘劈裂试验可以判断3种处治方法的优劣，抗剥落剂改性沥青处治方法反复10次冻融烘劈裂强度比仅为80%，长期水稳定性较差，说明高温导致沥青和抗剥落剂老化，降低了水稳定性.

4) 消石灰水浸泡处治方法具有最佳的长期水稳定性，反复10次冻融烘劈裂强度比为91%，且短期高温对其强度具有增强作用，但浸泡处理增加了工程应用的难度；水泥替代矿粉处治方法反复10次冻融烘劈裂强度比为89%，该方法工艺简单，掺加较少量水泥即可达到很好的效果.因此，水泥替代矿粉处治方法可推荐于工程应用.