酸性安山岩集料黏附性能改善研究

2022-01-12章文进

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2021年6期

王伟罗蓉蒋兵章文进许三金辉

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063)(湖北省路桥集团有限公司3) 武汉 430056)

0 引言

目前，我国沥青路面主要采用碱性集料如石灰岩、辉绿岩作为沥青混合料的组成材料，然而随着我国高速公路的快速发展，用于公路建设的碱性石料日渐短缺[1].部分地区受限于当地岩石矿山，产出的集料多呈酸性，难以满足路面集料的品质质量要求.酸性集料硬度高、耐磨性优良[2]，有利于保障路面长期服役过程中的抗滑性，但是酸性集料与沥青同属酸性，黏附性较差，在水的侵害作用下，容易发生水损害，降低路面使用性能[3].

本研究依托鄂洲—咸宁高速公路项目，工程采用的集料母岩为当地的安山岩.安山岩属于喷出岩，分布范围仅次于石灰岩，对开采出来的安山岩母岩进行物理化学组分分析发现，该安山岩硬度高，耐磨性能好，但SiO2含量为68%左右，属弱酸性，与同属酸性的沥青之间黏附性较差，如果直接用于沥青路面建设，在雨水与车辆荷载重复作用下，集料将与沥青剥离，路面发生水损害，严重影响沥青路面的使用寿命[4].当前，对于酸性集料的处置手段主要是在沥青当中添加抗剥落剂，增强沥青与酸性集料的黏附性，从而提高混合料的水稳定性.

实际工程实践当中主要是将改性后的沥青制备成沥青混合料试件进行路用性能试验，确定最佳的改性剂掺量，但是此方法繁琐耗时且试验结果依赖试验过程，变异性较高.随着表面自由能理论在道路工程中的运用与发展，沥青与集料的黏附性可以被定量测定，且已被众多研究证明其可靠性[5].文中基于表面能理论，从微观角度，量化集料与沥青的黏附性，从原材料性能测试、沥青混合料配合比设计、沥青混合料路用性能检验三个方面确定抗剥落剂的最佳掺量，并进行宏观路用性能试验，建立微观指标ER值与宏观路用性能指标的联系，进而根据表面能指标ER值表征沥青与集料的黏附性强弱.

1 原材料基本性能

1.1 集料

试验所取的集料为安山岩，该石料在项目沿线分布范围较广，含量丰富，质地坚硬.采用当地安山岩石料，无需远运外地集料，可以大大降低工程造价.不同粒径档位集料物理力学性质见表1～2.

表1 粗集料物理力学性能指标

表2 细集料物理力学性能指标

1.2 矿粉

试验采用石灰石矿粉作为填料，其各项物理性能及指标见表3.

表3 矿粉物理力学性能指标

1.3 抗剥落剂

抗剥落剂是一种有机高分子化合物，分散在沥青相中后，与酸性集料发生物理吸附或化学反应，形成化学键，从而提高沥青与酸性集料之间的黏附性[6].试验采用非胺类AMRII型沥青抗剥落剂，其各项指标见表4.

表4 AMRII型抗剥落剂基本指标

1.4 沥青

试验采用SBS改性沥青，设置0%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，0.6%六个抗剥落剂掺量方案.对掺加不同含量抗剥落剂的SBS改性沥青进行三大指标检测，试验结果见表5，均满足规范要求.

表5 不同掺量抗剥落剂沥青性能指标

2 材料表面参数测试

2.1 表面能基本定义与参数

在温度、湿度不发生改变的条件下，材料系统

增加单位表面积时吉布斯自由能变化的能量大小称为表面自由能[7].基于表面能相关理论，可以从微观角度，通过分析沥青与集料二相体系能量的改变，提出黏附功、剥落功等指标，从而量化有水状态下沥青与集料的黏附能力.

目前国际上常用的表面能参数采用三分量形式：γ为物质的表面张力；γLW为非极性分量；γAB为极性，其中γ+为极性酸分量，γ-为极性碱分量[8]量表示形式为

(1)

每个方案试样均进行6次平行试验，取其平均值作为测试值.考虑到测试环境温度对试验结果的影响，表面能参数测试之前，将待测的沥青试样、测试液体和集料试样均置于25 ℃的室温下，保温至少1 h后再进行试验.

2.2 集料表面能测试

集料表面能参数采用蒸汽吸附法测试，相较于静滴法，蒸汽吸附方法的测试结果精度更高，变异性更小.试验采用定制改装的磁悬浮重量平衡系统，基本原理见图1.

图1 磁悬浮重量平衡系统

表面能理论中计算各参数的Young-Dupre方程.

(2)

方程(1)有三个未知的参数，因此需要选取三种已知表面能参数的独立测试试剂(蒸馏水、2-戊酮和甲苯)进行测试，将三组测试试剂的试验结果代入式(2)联立方程组求解，结果见表6.

表6 安山岩集料表面能参数

2.3 沥青表面能参数测试

采用全自动表面张力仪通过插板法来测定沥青表面能参数.插板法通过测定接触角来计算沥青表面能参数，接触角包括前进接触角和后退接触角，有研究表明，前进接触角在计算沥青表面能参数时更加精确，因此论文选取前进接触角来进行沥青表面能参数的测定，测试原理见图2.前进接触角指的是沥青玻片插入溶液中形成的夹角，模拟的是集料与沥青的黏附过程.

图2 前进接触角测试示意图

表面能参数与接触角关系式为

(3)

将四种已知溶剂(蒸馏水、甲酰胺、乙二醇、丙三醇)的表面能参数和所测得的沥青在四中不同溶剂中的接触角代入式(3)，得到六个方案下SBS改性沥青的表面能参数，结果见表7.

表7 不同抗剥落剂含量沥青表面能参数

2.4 最佳抗剥落剂掺量

沥青与集料之间的黏附性可以用二者的黏附功表征，但是沥青路面发生水损害时，往往伴随着水分侵入沥青-集料界面，由于外界的温度变化、车辆荷载等作用，造成沥青从集料表面剥落.因此需要综合考虑沥青与集料之间的黏附功ΔGSA和有水状态下的剥落功ΔGSAW，已有研究表明:沥青与集料之间黏附功ΔGSA和剥落功ΔGSAW比值的绝对值可以表征沥青与集料之间黏附性的好坏[8].

(4)

集料-沥青二相体系的黏附功计算方法.

(5)

有水状态下，沥青-集料-水三相有水剥落功计算方法.

(6)

分别将沥青与集料的表面能参数代入式(5)～(6)，计算黏附功与有水剥落功；将结果代入式(4)，得到不同抗剥落剂掺量方案下的沥青与集料的ER值，结果见表8.

表8 安山岩与沥青黏附性指标

由表8可知：随着抗剥落剂含量的增加，ER值先增大后减小.不掺加抗剥落剂时，ER值最小为1.72，0.4%掺量时达到最大，ER值为2.18，相较于不掺加抗剥落剂，ER值增加了26.7%.当抗剥落剂掺量超过0.4%后，ER值逐渐减小，减小幅度较低.表8表明在有水的情况下，抗剥落剂掺量0.4%时，沥青与集料黏附性最好，由此确定安山岩沥青混合料中抗剥落剂最佳掺量为0.4%.

3 安山岩水稳定性能验证

3.1 混合料配合比设计

3.1.1最佳级配确定

根据几种矿质材料的筛分结果，结合AC-20C沥青混合料矿料级配范围的要求，按照试配法对其进行了矿料组成设计.通过反复调整，最后确定矿料的合成级配曲线图见图3.

图3 级配曲线图

3.1.2最佳油石比的确定

根据JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求，按照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行试验，用马歇尔试验法确定最佳油石比.

采用合成级配制作油石比分别为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的标准马歇尔试件，并测定试件的体积指标和马歇尔稳定度.根据试验检测结果，绘制油石比与马歇尔指标曲线图，见图4.

图4 安山岩AC-20C油石比与马歇尔指标关系图

在曲线图上求取相应于密度最大值、稳定度最大值、空隙率中值、沥青饱和度范围中值的油石比α1、α2、α3、α4，计算OAC1，则OAC1=4.69，以各项指标均符合技术标准(不含VMA)的油石比范围OACmin～OACmax的中值作为OAC2.则OAC2=4.64，由上式可得最佳油石比为4.725，取OAC=4.665.

按照最佳合成级配和最佳油石比4.6%制作标准马歇尔试件，并进行体积指标和马歇尔试验测试，试验结果见表9.

表9 安山岩AC-20C沥青混合料马歇尔试验结果

3.2 水稳定性验证

为了评价沥青混合料水稳定性能与抗剥落剂的关系，采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，通过浸水残留稳定度MS0和冻融劈裂强度比TSR指标验证安山岩沥青混合料水稳定性与抗剥落剂掺量的关系.

结合相关试验规范，进行多组平行试验，排除实验误差的干扰，取平均值作为最后的测试值，分别测定六个方案下试件的浸水残留稳定度比MS0和冻融劈裂强度比TSR，试验结果见图5.

图5 水稳定性指标与抗剥落剂掺量关系图

由图5可知：不掺加抗剥落剂时，试件浸水残留稳定度比MS0为83.3%，冻融劈裂强度比TSR为79.3%，均小于规范要求，随着抗剥落剂掺量的增加，沥青混合料试件的浸水残留稳定度比MS0和冻融劈裂强度比TSR先增加后降低，当抗剥落剂掺量0.4%时，MS0和TSR达到最大，分别是95.7%和90%，相较于不掺加抗剥落剂，增加了14.9%和13.5%，这与上面的表面能试验结果相一致.试验结果也表明，在实际工程中，抗剥落剂的含量并不是越多越好，过量的抗剥落剂反而会降低沥青路面的抗水损害性能.

3.3 水稳定性试验与ER值的联系

图6为沥青-集料ER值与沥青混合料水稳定性指标的关系.由图6可知，ER值与浸水残留稳定度MS0和冻融劈裂强度比TSR具有较高的相关性，随着ER值的增大，MS0和TSR随之增大，因此可以通过ER值这个指标来表征沥青混合料的抗水损害性能.规范要求SBS改性沥青混合料的浸水残留稳定度MS0不小于85，ER值应不小于1.56；SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比TSR不小于80，ER值应不小于1.70.