不同填料对沥青混合料粘结破坏机理的影响研究

作者简介：

谭恩清（1985—），工程师，主要从事道路与桥梁技术研究和施工管理工作。

文章采用机械和热力学方法，研究不同填料对沥青混合料抵抗粘结破坏性能的影响。通过往70#沥青中分别添加石粉、熟石灰、碳酸钙和碳酸盐水泥四种填料，采用BBS拉脱试验和威廉姆平板试验测定了胶浆的拉脱强度和表面自由能;加入石灰岩和花岗岩骨料制备沥青混合料，采用冻融劈裂试验分析其水稳定性能。结果表明：熟石灰和碳酸钙作为填料对于提高混合料的抗粘结破坏性能和水稳定性能具有显著作用。

沥青混合料;粘结破坏;填料

U416.21A080263

0 引言

沥青混凝土已广泛地应用在世界各地的道路工程中，不断增加的轴载、交通量、施工和设计误差均会对沥青路面造成重大损坏，从而降低路面的性能[1-3]。其中水损害是造成沥青混合料内部沥青和集料发生剥落的最直接因素，水损害被定义为沥青在水存在下强度和耐久性的降低[4-5]。

沥青混合料发生水损害主要有两个阶段：第一阶段，水分以蒸汽或液体的形式进入混合料;第二阶段，水分在混合料中形成水膜阻隔沥青膜与集料，导致沥青-集料之间界面破裂或者分离。这种断裂破坏面产生在沥青与集料界面处，导致沥青与集料粘附性能降低甚至丧失的破坏称之为粘结破坏。沥青混合料发生粘结破坏是一种复杂的现象，集料的物理化學性质、沥青的性质和填料的矿物成分等因素都会对混合料抗粘结破坏能力产生影响[6-7]。尽管沥青混合料中使用的材料对粘结破坏机理的影响很重要，但是对于沥青胶浆与集料发生粘结破坏的研究较少。对于沥青胶浆而言，填料的选用对于胶浆性能有着显著影响[8-9]。基于此现状，本研究采用机械和热力学方法研究不同填料对于沥青胶浆、沥青混合料抗粘结破坏性能和水稳定性能的影响。

1 原材料及配合比设计

为了制备不同成分的试样，本研究分别采用了石灰岩和花岗岩两种类型的骨料来模拟酸性和碱性性质对水分损害性能的影响。基于马歇尔配合比设计试验，石灰岩和花岗岩骨料的最佳沥青用量分别为6%和5.5%。初步试验结果表明，在本研究中使用3.5%～5%的填料在降低沥青混合料的水损害方面具有最佳效果，因此选用4%作为填料的掺量。四种填料的分别为石粉、熟石灰、碳酸钙和碳酸盐水泥，其中石粉为本研究中使用的石灰岩和花岗岩骨料的粉末。沥青材料性能数据见表1，混合料级配曲线图见图1。

2 粘结破坏试验结果

2.1 BBS拉拔试验

前人研究表明，BBS拉脱试验可作为测量沥青材料的粘结强度的方法。拉脱试验通过测定将粘附在石板上的沥青或沥青胶浆分离所需要的拉脱强度作为评价其粘结强度的指标[10]。试验中沥青胶浆样品在-18 ℃的冰箱中保存16 h，然后将样品转移到60 ℃的水浴中保持24 h，最后在室温（25 ℃）下保持24 h。试验中所用石板分别为石灰岩石板和花岗岩石板，以模拟实际沥青路面中胶浆与骨料的真实情况。拉脱试验结果见图2。

由图2可知，填料的添加会提高沥青胶浆的拉脱强度。通过对比不同填料可以发现，熟石灰和碳酸钙对于沥青胶浆的拉脱强度影响较大，拉脱强度相对于对照组提升了12%～19%;而石粉和碳酸盐水泥的添加对于沥青胶浆的拉脱强度的提升程度较小，拉脱强度相对于对照组提升了1%～6%。此外，在石灰岩石板和花岗岩石板中可以观察到相同的行为，这说明熟石灰和碳酸钙作为填料对于提高混合料抵抗粘结破坏能力具有积极作用。

2.2 沥青胶浆自由能试验

由于沥青混合料在潮湿破坏中的粘结破坏与所用材料的表面性质直接相关，表面自由能（SFE）方法可以作为一种选择耐潮湿敏感性材料的合适方法[11]。本研究采用威廉姆平板法研究不同填料的沥青胶浆的表面自由能。试验通过在薄玻璃板表面均匀涂上沥青胶浆，然后浸入特定溶液中，之后再以缓慢且恒定的速度将其从溶液中取出。通过玻璃板浸入和收回过程中形成的两类接触角计算胶浆的表面自由能。表面自由能降低的程度越大，表明材料的粘附性越强。试验结果如图3所示。

如图3所示，向沥青中添加填料均会导致表面自由能降低，填料的添加提高了胶浆的粘附性。熟石灰和碳酸钙对于沥青胶浆的粘结强度提升效果最明显，达到了24%和18.9%;石粉和碳酸盐水泥的提升效果略低，仅为8.1%和5.4%。热力学方法表明，熟石灰和碳酸钙可以较好地降低胶浆的表面自由能，提升胶浆粘结强度，与BBS拉脱试验结果相符。这是因为熟石灰和碳酸钙比表面积大、吸附性强，与沥青之间产生良好的粘附性，从而表征出胶浆粘结强度的提升。

2.3 冻融劈裂试验结果

冻融劈裂试验是评价混合料水稳定性能的常用方法之一。该试验通过对试样在冻融前后的抗拉强度（ITS）进行测量，将冻融前后的抗拉强度比（TSR）作为混合料的水稳定性能的评价指标。试件尺寸为62.5×100 mm，加载速率为50 mm/min。试验结果见下页图4。

由图4结果可知，相对于常规填料（石粉），熟石灰、碳酸钙和碳酸盐水泥的使用均增加了石灰岩和花岗岩骨料沥青混合料的ITS值。同时，在两种骨料的混合料试样中，熟石灰填料对于混合料的ITS值提升效果最大;相对于石灰岩骨料，花岗岩骨料制备的混合料均具有较高的ITS值。混合料经过冻融后，熟石灰和碳酸钙填料混合料的ITS值相较于其他填料仍具有良好的抗拉强度，但花岗岩骨料混合料ITS值出现大幅降低。这是因为花岗岩骨料中的矿物具有较高的亲水性，即其中高百分比的二氧化硅矿物增加了亲水性，最终导致混合料易发生集料分离，水稳定性差。

由图4中的抗拉强度比曲线可知，在石灰岩骨料混合料中使用熟石灰、碳酸钙和碳酸盐水泥作为填料的TSR值提升了14%～23%，这说明上述填料的使用已经引起了混合料水稳定性能的提升，即混合料抵抗粘结破坏抗性的提升。但是在花岗岩骨料混合料中熟石灰和碳酸钙填料的使用对于TSR的提升幅度仅为3%～5%，并且碳酸盐水泥作为填料降低了混合料的TSR值。

综上所述，在混合料中选用合适的骨料（石灰岩）和填料（熟石灰、碳酸钙和碳酸盐水泥）对于提高混合料的水稳定性能具有极大的影响，反映到道路工程中对于实际路面抵抗雨水潮湿等条件引起的粘结破坏具有积极影响。

3 结语

文章通过对沥青胶浆的BBS拉脱试验、威廉姆平板试验和对沥青混合料的冻融劈裂试验，可以得出以下结论：

（1）填料的添加会提高沥青胶浆的拉脱强度。熟石灰和碳酸钙对于沥青胶浆的拉脱强度影响较大，约为12%～19%;石粉和碳酸盐水泥的添加对于沥青胶浆的拉脱强度的提升程度较小，约为1%～6%。

（2）向沥青中添加填料均会导致表面自由能降低，提高沥青胶浆的粘附性。熟石灰和碳酸钙对于沥青胶浆的粘结强度提升效果達到了24%和18.9%;石粉和碳酸盐水泥的提升效果仅为8.1%和5.4%。熟石灰和碳酸钙可以较好地降低胶浆的表面自由能，提升胶浆粘结强度。

（3）熟石灰、碳酸钙和碳酸盐水泥的使用均增加了石灰岩和花岗岩骨料沥青混合料的ITS值。熟石灰填料对于混合料的ITS值提升效果最大。经过冻融后，熟石灰和碳酸钙填料混合料ITS值仍具有良好的抗拉强度。

（4）在石灰岩骨料混合料中使用熟石灰、碳酸钙和碳酸盐水泥作为填料的TSR值提升了14%～23%，即混合料抵抗粘结破坏抗性得到了提升;在花岗岩骨料混合料中熟石灰和碳酸钙填料的使用对于TSR的提升幅度仅在3%～5%，并且碳酸盐水泥作为填料降低了混合料的TSR值。

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