基于酸碱性评价的砾石骨料与沥青黏附性分析

张正宇 何建新 开鑫

摘 要：为分析砾石骨料与沥青黏附性，结合具体工程实例从骨料酸碱性出发，采用岩相法、SiO2含量法和碱度模数法研究了砾石骨料的酸碱性，再通过水煮法与光电比色法测得沥青剥落率。结果表明：3种酸碱性判定方法的结果存在差异，岩相法仅适用于常见岩石的初步判定，碱度模数法考虑了岩石中碱性氧化物的含量，比SiO2含量法的测定结果更精确;光电比色法与水煮法测得各岩石的剥落率规律一致，光电比色法测得剥落率60%左右对应水煮法黏附性等级4级和5级的界限;各岩石采用碱度模数法测得酸碱性与光电比色法测得剥落面积排序一致，酸性越强的岩石表面沥青膜剥落率越高。

关键词：砾石骨料;酸碱性;黏附性;光电比色法

Abstract： In order to study the effect of cement on the adhesion of gravel aggregate and asphalt mortar， the gravel aggregate and alkaline aggregate were selected to be grouped by the method of water boiling and photoelectric colorimetric test to determine the adhesion of aggregates with different bitumen mortar. The results show that cement can effectively improve the chemical properties of aggregate interface， the gravel aggregate and asphalt adhesion after cement treatment is increased by 14.6% and the gravel aggregate and asphalt adhesion is increased by 0.2% after alkaline stone powder treatment;on the other hand， cement can effectively improve the structure of mortar， gravel aggregate and cement asphalt mortar adhesive ratio stone powder asphalt mortar high 27%， the adhesion of gravel aggregate and cement bitumen mortar is 18.3% higher than that of alkaline aggregate and stone powder asphalt mortar， which indicates that cement can improve the adhesion of gravel aggregate and asphalt mortar.

Key words： gravel; asphalt mortar; adhesion; photoelectric colorimetry

1 引 言

以往的试验研究表明，骨料是否为碱性直接关系到心墙沥青混凝土的强度、渗透性和水稳定性等重要性能[1]，但碱性骨料资源有限、不易开采、人工破碎的成本较高，且会对环境产生污染。砾石骨料因具有分布范围广、可就地取材、能够降低工程造价[2]的特点被工程建设广泛采用。然而，砾石骨料组成具有多样性，《水工沥青混凝土试验规程》[3]中粗骨料与沥青的黏附性试验（水煮法）主观性较强。为减少砾石骨料黏附性测定的主观因素影响，张应波等[4]随机选取某工程中50个具有代表性的天然砂砾石石料采用传统的水煮法进行黏附性试验，结果表明仅有一半砾石骨料黏附等级≥4级，其余均不能满足规范要求。杨耀辉等[5]研究了几种骨料酸碱性判定方法存在的问题以及应用范围，认为不同方法可能得出不同的判定结果。王瑞林等[6]依據表面自由能理论得出破碎砾石骨料中黏附性最差的岩石可以代表砾石骨料总体黏附性能。Curtis[7]研究了石料界面与沥青的交互作用后认为，石料与沥青交互作用主要由石料的化学成分决定。已有的研究中，评价石料与沥青胶浆黏附强度的试验大多限定于定性的单因素分析，但黏附强度的形成是多因素混杂的物理化学过程，寻求一种客观评价砾石骨料黏附性的方法显得尤为重要。

笔者结合工程实例，将砾石骨料经岩相鉴定后分组，先采用岩相法、SiO2含量法和碱度模数法评价各组骨料酸碱性，再用水煮法初步判定酸碱性与骨料剥落率之间的关系，最后采用光电比色法将各组骨料与沥青的黏附性量化，综合客观地评价砾石骨料酸碱性与黏附性的关系，提出了实际工程中判定砾石骨料黏附等级的方法，以期为砾石骨料在心墙沥青混凝土中的应用提供参考。

2 材料与方法

2.1 试验材料

试验所用原材料为克拉玛依石化公司生产的70号（A级）道路石油沥青（技术性能见表1）、尼雅河下游6～7 km处砂石料场破碎砾石骨料。经检测，所有的原材料均满足规范要求。

2.2 试验方法

2.2.1 岩相法

岩相法即《水工混凝土试验规程》[8]中的骨料碱活性检验，目的是鉴定所用骨料（包括砂、石）的种类和成分，从而确定碱活性集料的种类和数量。具体方法是把初步选用的骨料的岩石颗粒制成薄片，在偏光显微镜下鉴定矿物组成、结构等，再参考已有的标准确定岩石的名称。然后，计算碱活性矿物含量，判定是否属于碱活性骨料。同理，该方法应用到砾石骨料酸碱性评价上是可行的。本研究中砾石骨料委托新疆维吾尔自治区矿产实验研究所进行岩相鉴定，可知道岩石名称、结构和矿物成分，借此可判定各骨料的酸碱性。应用此法快捷简便，但仅能对常见岩石进行酸碱性判定，实际工程中可作为初步判断方法。

2.2.2 SiO2含量法

《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》[1]中提到，岩石按SiO2含量小于45%、45%～52%、52%～65%、大于65%可分为超基性岩石、碱性岩石、中性岩石、酸性岩石。这样，可对不同巖石进行化学成分分析后判断其酸碱性。

2.2.3 碱度模数法

实际工程中评价沥青混凝土骨料酸碱性通常使用碱度模数M指标[9]，方法是先测定岩石中SiO2、CaO、MgO、FeO的含量，再代入下式可求出M值：

2.2.4 水煮法

水煮法主观因素较多，适用于工程实践，方法是选取粒径13.2～19.0 mm接近立方体的骨料洗净烘干后裹附沥青，然后在微沸状态的水中浸煮3 min后观察骨料表面沥青胶浆的剥落程度，骨料剥落率是通过2名试验人员分别进行统计并取平均值得出，再根据表2判定黏附性等级。

2.2.5 光电比色法

光电比色法是将2.36～4.75 mm粒径的骨料200 g裹附沥青胶浆后，在室温下放置24 h，称取100 g混合料置入温度为60 ℃、浓度为0.01 mg/mL的200 mL酚藏花红溶液中静置2 h，采用722型分光光度计（见图1）测定溶液的吸光度，再根据预先测定的吸光度与浓度标准曲线（见图2），计算出沥青胶浆的剥落率，计算公式如下。

3 结果分析

3.1 岩相鉴定结果分析

各岩样照片见图3。

1样石为蚀变凝灰质岩屑长石细砂岩，主要由陆源碎屑和少部分火山碎屑组成，岩石破碎蚀变强烈，主要为钙化、硅化、绢云母化。陆源碎屑有石英屑、长石屑及岩屑，石英屑次棱-次圆状，主要为细砂，不均匀分布，多沿边缘被次生石交代，并见结晶现象。长石为斜长石，次圆状，双晶发育，局部被绢云母替代。岩屑次圆状，其成分主要为英安岩、凝灰岩岩屑。其中混有少部分火山碎屑，有晶岩、屑岩，呈棱角状不均匀分布。粉砂屑为细粉砂，是次棱-次圆状石英屑及斜长石屑，粒径较小，大部分被绢云母、次生石英交代。

2样石为钙质岩屑长石粉-细砂岩。岩石由陆源碎屑和胶结物组成，陆源碎屑粒径跨度大，但其粒径大部分在0.06～0.25 mm之间，为细砂岩，其内约有5%的陆源碎屑的粒径在0.006～0.06 mm之间，为粉砂屑。陆源碎屑由长石、石英和岩屑组成。长石次棱角状-次圆状，为钾长石和斜长石，两者含量相当，斜长石偶见聚片双晶，泥化、绢云母化、碳酸盐化，钾长石蚀变不明显，部分泥化，个别可见绿帘石化;石英次棱角状次圆状，表面较脏浊;岩屑圆状-次圆状，多为泥硅质岩屑。镜下还可见微量绿帘石和个别锆石。胶结物主要为方解石。

3样石为玄武质火山角砾岩，岩石中火山角砾粒径大，镜下可见最大为11 mm，手标本上最大的角砾粒径为18 mm。角砾次圆状，为杏仁状玄武岩角砾，但各个角砾结构并不相同，矿物含量也不相同，相同处为杏仁体均由绿泥石填充。岩石中胶结物由绿泥石、黏土矿物和隐晶质组成。

4样石为糜棱岩，岩石受动力变质作用，斜长石、石英有碎裂，形成碎斑和碎基，部分斜长石碎斑与石英、黑云母构成眼球构造。斜长石碎斑，其长轴定向分布，泥化，部分还可见碳酸盐化，个别已错开;石英碎斑他形粒状，多分布于斜长石边，少见，表面干净。碎基中斜长石、钾长石与石英相间分布，钾长石未见明显蚀变，斜长石蚀变同碎斑;黑云母片状，绿泥石化，呈条带状分布，在黑云母条带中零星分布微量片状白云母;绿帘石半自形他粒状，多呈连晶状分布，其长轴定向分布，定向方向与黑云母条带方向一致;榍石半自形他粒，少见;磷灰石自形柱粒状，镜下分布较均匀;金属矿物他形粒状。

5样石为石英岩，岩石矿物组成简单，绝大部分为石英，次为方解石，见微量金属矿物。石英半自形-他形粒状，按其粒径可细分为两类，一类粒径粗大，为1.1～3.8 mm，表面多碎裂并波浮消光;另一类粒径细小，为0.03～0.15 mm，呈集合体团粒状分布于石英间。金属矿物他形粒状，分布于石英粒间或其粒中。

由岩相鉴定结果可知，1#样石为蚀变凝灰质岩屑长石细砂岩、2#样石为钙质岩屑长石粉-细砂岩、3样石为玄武质火山角砾岩、4#样石为糜棱岩、5#样石为石英岩。根据《水工沥青混凝土施工规范》[10]，1～5样石均为酸性岩石。

3.2 SiO2含量法与碱度模数法结果分析

各样石化学成分分析结果见表3。

计算可得该砾石骨料总体SiO2含量为57.21%，属于中性骨料。

将表3中SiO2、CaO、MgO、FeO的含量代入式（1）可知：1样石M=0.23，为酸性岩石;2#样石M=0.17，为酸性岩石;3#样石M=0.33（保留3位小数为0.334），为酸性岩石;4#样石M=0.33（保留3位小数为0.330），为酸性岩石;5样石M=0.46，为酸性岩石。

两种方法的测定结果有所差异：SiO2含量法测得1、3、4样石为中性岩石，5#样石为碱性岩石，而碱度模数法测定结果是5种样石均为酸性。可见，同一种岩石这两种方法测其酸碱性结果是不同的。

SiO2含量法测得的样石酸性排序：2>1>4>3>5;碱度模数法测得的样石酸性排序：2>1>3>4>5。其中3#和4#样石的排序有区别，原因是3#和4#样石SiO2含量很接近，但是碱度模数法考虑了岩石中主要碱性物质CaO、MgO、FeO的含量情况，使结果更加精确。总体而言，两种方法得出的岩石酸碱性规律是一样的，碱度模数法精确性更高。

3.3 水煮法与光电比色法结果分析

水煮法试验测定结果见表4、光电比色法试验测定结果见表5。

由表5可以看出，1、2、3、4、5#样石的剥落率分别为65.5%、69.5%、61.1%、58.5%、53.7%，砾石骨料混合料剥落率为62.8%。样石按剥落面积从大到小排序为2>1>3>4>5#。这与碱度模数法排列顺序相同，进一步证明了碱度模数法的精确性。

本文判定砾石骨料的酸碱性采用了3种方法。其中，岩相法局限性较大，只能初步判定常见岩石酸碱性，并存在一定主观性;SiO2含量法和碱度模数法均需测出SiO2含量，但两种方法测定的结果存在一定差异，SiO2含量法简单直接，但是碱度模数法考虑的因素更多，结果更精确，这是造成两种方法测得酸碱性3#样石和4#样石排序不同的主要原因。

对比光电比色法测得各样石的剥落率，剥落面积从大到小排序与碱度模数法酸碱性排序呈正相关，与SiO2含量法排序基本正相关。说明酸碱性是造成骨料黏附性差别的重要因素，进而也是造成水稳定性差别的重要因素[11]，沥青混凝土水稳定性随着SiO2含量的增加呈线性衰减的趋势，这与笔者得出的黏附性规律是一致的。

采用加权平均的方法计算砾石骨料整体的SiO2含量为57.21%，最接近3#样石55.53%和4#样石56.20%，从光电比色法结果中可以看出砾石骨料整体剥落率为62.8%，也极为接近3#样石61.1%和4#样石58.5%，表明3#、4#样石的黏附性等级可代表该砾石骨料整体的黏附性等级。

3.4 工程应用探讨

受到设备和人员等条件的限制，水煮法依旧是实际工程中最简便易行的砾石骨料黏附性判定方法。但水煮法受主观因素影响较多，一方面规范中要求的加热条件是使烧杯中的水保持微沸状态，但不允许有沸开的泡沫，保持微沸状态具有一定难度，人为控制这个状态就无法排除主观因素;另一方面在于黏附力等级的判定，完全凭借试验人员观察骨料沥青膜剥落情况，误差过大，仅4级和5级的判定结果准确性较高。光电比色法将黏附指标完全量化，但由于试验过程中水参与破坏的情况与水煮法不同，测得剥落率较大。光电比色法与水煮法测得各岩石的剥落率规律一致，光电比色法测得剥落率60%左右，是水煮法骨料黏附性等级4级和5级的界限。

工程实践中，使用水煮法测定砾石骨料中与整体SiO2含量相近的岩石剥落面积，即可判定砾石骨料整体的黏附性等级。

4 结 论

（1）砾石骨料采用不同的酸碱性判定方法所得结果不同，岩相法具有局限性并存在主观因素;SiO2含量法与碱度模数法均需对骨料进行化学成分分析，SiO2含量法直接根据骨料SiO2含量判定酸碱性，碱度模数法考虑了骨料中的碱性物质使结果更精确。

（2）骨料的酸碱性主要受SiO2含量影响，碱性氧化物含量影响次之。碱度模数法测得酸碱性与剥落率相关性最高，骨料酸性越强，表面沥青膜剥落面积越大。

（3）光电比色法测得剥落率60%左右是水煮法黏附性等级4级和5级的界限。工程实践中，使用水煮法测定砾石骨料中与整体SiO2含量相近的岩石剥落面积，即可判定砾石骨料整体的黏附性等级。

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【责任编辑 赵宏伟】