若羌水库天然砾石在混凝土心墙黏附性试验研究

马 军，柳 莹，何建新

(1.新疆水利水电规划设计管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.新疆农业大学，新疆 乌鲁木齐 830052)

1 沥青混凝土用矿料组成与化学成分

粗骨料(2.36～19)mm粒径，采自工地的砾石骨料破碎小石，其中，心墙碾压式沥青混凝土的骨料粒径最大值Dmax是19mm。研究中讲骨料分为4类粒径分别是(2.36～4.75)、(4.75～9.5)、(9.5～13.2)、(13.2～19)mm，4种颗粒级配检测见表1。

表1 粗骨料的颗粒级配通过量百分率 单位：%

粗骨料的技术性能检测结果见表2。

表2 粗骨料的技术性能检测

经检测：粗骨料质地坚硬、新鲜，加热过程中未出现开裂、分解等不良现象；骨料总体评价为中性(偏酸性)骨料；各项性能指标均满足规范要求，可作为碾压式沥青混凝土心墙用粗骨料。

2 骨料酸碱性分析

根据送样的砾石骨料破碎料，按岩相性质分为了三类，分别为：1#为细粒蚀变含角闪石辉长岩；2#弱蚀变中细粒花岗闪长岩；3#含方解石石英岩，其中1#岩石占总质量的18%，2#岩石占总质量的76%，3#岩石占总质量的6%。各岩石样品及其切片图片如图1所示。

对该砾石骨料各样石的SiO2含量进行检测，检测步骤：第一步对样品中的化成成分进行分析鉴定，第二步根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》中相关判定方法和标准测量出样品中的SiO2含量。可以根据SiO2含量来作为标准判断样品的酸碱性。含量在45%以下的为超碱性岩石，碱性岩石SiO2含量为45%～52%，中性岩石含量在52%～65%，酸性岩石SiO2含量在65%以上。最终确定岩石的酸碱性。

其结果列于表3中，综合各样品岩石含量按质量所占比例加权平均后可认为该骨料为中性(偏酸性)岩石。

3 天然砾石骨料与沥青的黏附性试验研究

3.1 抗剥落剂对黏附性的改善作用

为对沥青与骨料黏结能力的强弱进行比较，采用DL/T 5362—2006《水工沥青混凝土试验规程》中的粗骨料黏附性等级的确定方法，即“水煮法”。

水煮法测定结果，未加抗剥落剂时，1#岩石、2#岩石黏附性等级为4级，3#岩石黏附性等级为3级，按加权平均后，黏附性等级略微的低于规范的大于等于4级的要求，可见该砾石骨料与沥青的黏附能力不强。

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第二种抗剥落剂试验中，选用非胺类沥青抗剥落剂。非胺基类抗剥落剂中表面活性剂含量居多，因此在相关性能上要优于胺类物质。适合于各种碱性或酸性石料化学键不发生破坏，水稳定性能好。本次试验为提高骨料与沥青的黏附性，通过调研，优选了国内某厂家生产的非胺类沥青抗剥落剂，进行比选试验。

试验中将热沥青中直接加入沥青抗剥落剂，普通沥青温度不小于130℃，掺量为0.3%(沥青的重量比)。在掺加抗剥落剂后，采用水煮法观察试验结果，试验的结果判定为1#岩石5级，2#岩石5级，3#岩石4级，总体评价黏附性等级为5级，掺加抗剥落剂后，骨料与沥青的黏附性能力得到较大改善，满足规范要求。两次水煮法试验结果见图2。

水煮法试验设备简单、易于操作，试验时间短、沥青剥落的情况直观明显，在工程及科学研究中应用广泛，但评定结果受人为主观因素影响大，沥青与骨料黏附性的强弱不能较好的反应。因此，在本研究中采取了电比色法，有效的将黏附性能量化，避免了人为因素对测量结果的影响，同时不会因为水煮法分级较粗而造成实验结果不精确，更适合科学有效的结果分析。为更加具体的对比两种沥青与骨料的黏附性，试验采用光电比色法进行黏附数据的分析。光电比色法是将2.36～4.75mm粒径的骨料200g裹附沥青胶浆后，于正常环境温度下静置24h，取100g混合料，将其放入藏花红水溶液中(200mL、60℃、0.01g/L)静置24h后，用722型分光光度计数据结果来进一步计算浓度的变化，进而根据图表计算出沥青胶浆的剥落率。如图3所示。

图3 酚藏花红染料标准曲线

表4 光电比色法测剥落率试验结果

采用光电比色法测定库车90号A级道路石油沥青与若羌河水库选用的破碎砾石骨料的剥落率为51.3%，加入抗剥落剂后剥落率为34.5%，剥落率明显降低，表现出较好的黏附性。因此，可以得出结论抗剥落剂可以有效增骨料与沥青的黏附度。

3.2 水泥作填料对沥青黏附性的改善效果

按照水工沥青混凝土试验规程粗骨料黏附性试验方法要求的水煮3min可以看出[6]，闪石辉长岩、花岗岩剥落面积均接近于10%，黏附性等级可定为4级，石英岩脱落面积接近20%，可定义为3级，如图4所示，均满足规程中规定黏附性4级的要求。随着时间的增长3种岩石剥落面积之间出现较大差别。在浸煮9min时测量几种岩石样品表面沥青胶浆剥落面积，超出规定范围达到30%，并且3种骨料与沥青黏附性的差别在此时间段内逐渐显露，并极速拉大。之后在9～45min时间段内样品的表面沥青膜剥落面积不断增大，但整体增速减缓，并在45min时均达到最大值，在之后保持平缓，几乎不再变化。浸煮45min时石英岩几乎完全剥落另外两种岩石，闪石辉长岩与花岗岩的剥落面积在80%以上。通过实验数据分析。从做出的图表可以看出在浸煮3min时剥落面积百分率几乎没有差别，不同岩石的剥落面积百分率在3～45min还是显现出比较大的差别，容易判断。分析实验发现砾石骨料较碱性骨料有更强的亲水性该性能导致水更容易侵蚀其表面，并使其剥落。因此大理岩在浸煮的整个过程中，表面沥青膜剥落的面积均小于细砂岩、长玢岩和花岗岩3种岩石。

从实验数据可以看出，在浸煮3min时间段内三种岩石样品等级没有较大差别。不同岩石的剥落面积百分率在3～45min还是显现出比较大的差别，容易判断。另外通过试验可以看出闪石辉长岩在试验全时间段内，其表面沥青膜剥落的面积百分率数值都低于花岗岩和石英岩，分析其主要原因是因为多数砾石骨料的亲水性较碱性骨料的更强，当水溶液中浸泡沥青混凝土时，应当将其看作是骨料、沥青和水此3种物质的共存体系，水和沥青通过竞争对骨料进行不断的浸润，因此砾石骨料表面的沥青膜更易受到水的侵蚀而剥落。

图4 沥青裹附结果

3.3 大理岩粉胶浆裹附结果分析

采用大理岩粉胶浆裹附进行进行粗骨料黏附性试验[2]，可以发现，在开始的3min时间段内，各岩石剥落情况均未发生， 3～9min时间段，石英岩首先开始发生表面沥青胶浆膜的剥落，由0增长至5%，其余两种岩石仍未发生剥落，9min后，除石英岩继续加速表面沥青胶浆膜的剥落外，花岗岩也开始出现剥落现象，至27min时，石英岩沥青胶浆膜剥落面积为20%，花岗岩为10%，而闪石辉长岩仍未出现剥落，27min后闪石辉长岩才初步开始出现剥落，最终在45min三种岩石均达到极值，后期不在发生明显变化，其中石英岩达到35%，花岗岩为15%，而闪石辉长岩维持在5%。通过结果分析得出结论，在碱性物质和沥青拌成胶浆后，沥青胶浆的结构变化、软点化、针入度和之前相比都得到一定程度的改善，并且偏酸性的砾石骨料会发生一定程度的化学吸附，使得沥青胶浆膜厚度比之前加大，薄膜剥落面积和直接相比减小。

图5 大理岩粉胶浆裹附结果

3.4 水泥胶浆裹附结果分析

在水泥胶浆裹附试验中可以看出，各种骨料黏附性在经过水泥胶浆裹附后抗剥落的效果极为明显，在试验中使用的石英岩、花岗岩及闪石辉长岩，在0～33min浸煮时间段内，均未出现沥青胶浆膜的剥落，在33min后也仅有石英岩骨料开始出现剥落现象，并在38min时达到极大值，剥落面积也仅为5%，且后期剥落面积维持不变。从实验结果可以看出水泥的碱性更强，可以有效地提升沥青胶浆的碱值，从而使得岩石骨料的黏附性有更大的提升，骨料与沥青胶浆结合更牢固。

图6 水泥胶浆裹附结果

由表5可知，用沥青分别裹附当砾石骨料与碱性骨料，表面沥青膜剥落面积后者比前者小7.5%，因此从结果分析可以看出和沥青黏附性相比碱性骨料优于砾石骨料，但是二者之间的差别并不大。

接下来是对砾石骨料表面及碱性骨料表面进行水泥处理，从实验数据来看沥青膜剥落面积分别降低了14.5%和12.1%，分析数据可以看出经过水泥处理的骨料表面沥青黏附性增强。再进一步对比发现经大理岩粉处理的砾石骨料和碱性骨料，沥青膜剥落面积分别为56.8%和49.1%，和之前相比并未发生较大改变，因此表明碱性的大粒盐粉作用于酸、碱性骨料，对其界面与沥青黏附性的提高并没有正向作用。

将碱性石粉掺入沥青形成沥青胶浆，沥青胶浆在裹附骨料时，表面沥青胶浆膜剥落面积砾石骨料和碱性骨料比裹附沥青分别相较之前减少了26.9%和27.9%，说明掺入的碱性石不仅仅起到了填充的作用，沥青胶浆性质也发生了改变，骨料与沥青的黏附力得到明显提升。

表5 光电比色法结果

在上一试验中除掺入碱性石粉形成沥青胶浆外，当水泥处理砾石骨料和碱性骨料表面后，胶浆膜剥落面积又分别降低了9.3%和3.6%；但是当砾石骨料和碱性骨料表面经大理岩粉处理后，胶浆膜剥落面积为29.4%、20.4%，无明显变化。骨料表面性质受大理岩粉的影响并不大，但是经大理岩粉处理骨料表面能够使得沥青胶浆的性质有所改善，从而增加骨料和沥青的黏附性。

将水泥参入沥青形成沥青胶浆并裹附骨料时，通过试验进行比对，发现无论是砾石骨料还是碱性骨料，两者表面胶浆剥落面积均处于未剥落状态，进一步说明砾石骨料与沥青胶浆的黏附性与碱性骨料黏附性基本相同。砾石骨料与沥青胶浆的黏附性提升效果，水泥明显优于碱性石粉，且进一步弱化了砾石骨料与碱性骨料间的黏附性。

4 结语

本次研究通过对砾石骨料的酸碱性和黏附性关系行了论证；研究了抗剥落剂、水泥改善砾石骨料与沥青胶浆黏附性的效果；以沥青胶浆与骨料界面的黏附强度作为对砾石骨料与沥青胶浆黏附性的评价指标，得出以下主要结论：

(1)通过采用光电比色法可实现黏附指标的完全量化，有效避免凭借试验人员观察骨料沥青膜剥落情况的定性方法带来的判别误差。

(2)沥青与破碎砾石骨料在加入抗剥落剂后剥落率明显降低，表现出较好的黏附性。可以看出，加入抗剥落剂后，可以明显的改善骨料与沥青的黏附能力，很大程度上提升黏附性。