添加剂对凝灰岩沥青混合料粘附性能影响

张瑜，吴义春，张小元，，赵杨华，刘帅

（1.浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江理工大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310018）

0 引言

沥青路面相对于其他路面具有诸多优势，如噪声低、振动小、行车舒适、开放交通早等，在道路建设中占有重要地位。沥青路面所用集料常以碱性或中性优质石料为主，但这些石料的储备量目前越来越少，无法满足长期使用需要，且价格也越来越贵。而酸性集料在我国分布范围广，易就地取材，使用成本相对较低。

作为典型酸性石料，花岗岩集料应用于沥青混合料的研究，目前国内外已有较多报道[1-3]。如Birgisson等[4]针对花岗岩沥青混合料的水稳定性不足问题，通过掺抗剥落剂进行改良，并提出了基于破坏性能的能量率指标，用于评价混合料水损坏影响及添加剂粘附性改善效果。孔令云等[5]通过沥青表面自由能试验和劈裂强度试验比较了花岗岩与石灰岩在不同温拌条件下的结果，发现相较于石灰岩，花岗岩与温拌沥青的粘附功要更大，但花岗岩沥青混合料劈裂强度较小。刘洪成等[6]通过粘附性试验先确定抗剥落剂最佳掺量，进而研究了花岗岩沥青混合料路用性能，结果表明抗剥落剂能较好改善花岗岩混合料水稳定性。周佺等[7]将不同掺量水泥加入沥青混合料中，通过水稳定性、拉伸试验、室内压缩试验研究了沥青混合料物理力学性能，表明水泥掺量增加可使混合料的性能有较大提升。

与花岗岩类似，凝灰岩也是一种酸性石料，并在浙江、福建等地有广泛分布。然而相比花岗岩石料，凝灰岩由于来源及内部成分的复杂性，目前在沥青面层中应用的研究还较少[8-9]。虽然已有研究表明，凝灰岩作为集料应用于高等级公路面层中，其沥青混合料的高、低温性能均符合规范要求，但未改性处理的酸性集料与沥青之间易出现剥离现象，导致混合料的水稳定性欠佳[9-12]。因此，提高酸性凝灰岩沥青混合料受水环境影响的粘附性及其耐久性是一个主要关注点。

针对酸性集料与沥青结合料的粘附性，特别是受水作用导致沥青混合料粘附耐久性不足问题。本研究参考花岗岩沥青混合料的处理方法，选取典型级配沥青混合料，通过对比掺水泥和抗剥落剂下凝灰岩沥青混合料的水稳定性能，并考虑长期老化影响进行混合料粘附耐久性评价，以确定添加剂的改善效果和合适掺量。

1 试验

1.1 原材料

（1）沥青和矿粉：70#普通沥青；矿粉：石灰岩矿粉。均产自浙江交通资源投资有限公司，符合JTGE20—2011《沥青及沥青混合料试验规程》要求。

（2）集料：分别选择酸性凝灰岩和碱性石灰岩进行对比，相应的沥青混合料油石比分别取4.3%和4.0%，其中凝灰岩沥青混合料的粗、细集料选自浙江文泰高速公路工程项目，2类不同岩性集料均符合JTGE20—2011要求。凝灰岩集料的化学成分和基本性能分别见表1和表2。

表1 凝灰岩集料的主要化学成分 %

表2 凝灰岩集料的基本技术性能

（3）水泥：P·O42.5水泥，浙江江山南方水泥厂，密度为3.05 g/cm3，性能符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》要求，如表3所示。

表3 水泥的主要技术性能

（4）抗剥落剂：XT-2，为深色黏稠液体的非胺类活性剂，其相对密度为1.0，失效温度大于260℃，常州信拓路面改性材料有限公司。

1.2 基本研究方法

主要通过一系列室内试验对添加剂及其掺量的改性效果进行比较，评价掺添加剂凝灰岩沥青混合料的粘附性能。具体步骤和方法为：首先，通过水煮法试验对不同岩性和掺量添加剂的集料粘附等级进行评价，确定各添加剂的有效掺量；其次，通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对凝灰岩沥青混合料的水稳定性能进行评估，进而确定改善凝灰岩沥青混合料性能；最后，考虑老化对凝灰岩沥青混合料粘附耐久性能影响，验证掺添加剂凝灰岩沥青混合料的长期粘附效果。

具体而言，对于粘附等级评估试验，选取水泥掺量分别为不掺添加剂凝灰岩沥青混合料（作为基础试样）中矿料总质量的1%、2%、3%，液体抗剥落剂掺量分别为不掺添加剂凝灰岩沥青混合料中沥青总质量的0.3%、0.6%、0.9%，以不掺添加剂的石灰岩混合料作为凝灰岩沥青混合料性能评估的对比试样，混合料的级配如图1所示。

1.3 性能测试方法

（1）水煮法试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验：主要参考JTG E20—2011进行[13]。

（2）老化试验主要分2个步骤进行：①掺添加剂混合料短期老化，即混合料拌和、摊铺好后于135℃的烘箱内保持4 h；②长期老化（短期老化后→成型试件→室温冷却16 h→脱模放入85℃烘箱并通风条件下5 d→开烘箱门自然冷却16 h）。

2 结果与讨论

2.1 粘附等级

通过水煮法试验，对石灰岩集料和掺不同添加剂凝灰岩集料的粘附等级进行评价，其中每个项目进行4组平行试验。所得粘附等级典型试验结果如图2所示，其中2（a）、（b）为不掺添加剂的石灰岩和凝灰岩粗集料。

由图2可知，相较于石灰岩集料，凝灰岩集料经水煮后表面裹复的沥青有明显剥离现象，即粘附等级较低，但掺入水泥后，凝灰岩集料的粘附等级明显提高，其中1%和2%掺量下粘附等级分别提高到3级和5级。不同添加剂方案下所得粘附等级均值如表4所示。

表4 掺不同添加剂集料的粘附等级

从表4可知，掺入不同添加剂后凝灰岩集料的粘附等级也不尽相同。其中掺1%水泥和掺0.3%抗剥落剂的凝灰岩集料粘附等级均为3级，改善效果并不显著；而在掺2%、3%水泥以及掺0.6%、0.9%液体抗剥落剂的凝灰岩集料，粘附等级均达到5级，与石灰岩集料接近，说明性能改善效果较好。

2.2 水稳定性能

为更好评价凝灰岩沥青混合料在水环境作用后的粘附稳定性，进一步选取集料粘附等级达到5级的方案，并与不掺添加剂凝灰岩沥青混合料基础试样和石灰岩混合料试样进行对比，进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，试验结果分别如表5和表6所示。

表5 不同添加剂及掺量下混合料的浸水马歇尔试验结果

表6 不同添加剂及掺量下混合料的冻融劈裂试验结果

由表5可见：（1）浸水前掺水泥凝灰岩沥青混合料的稳定度要高于石灰岩混合料的，其余方案稳定度相差不大。（2）浸水48h后各方案中稳定度都降低，其中凝灰岩沥青混合料的稳定度下降最明显，残留稳定度为70.5%；其次为掺液体抗剥落剂方案，0.6%和0.9%掺量下的残留稳定度分别为80.0%和78.3%，相比基础试样分别提高了13.5%和11.1%，而石灰岩混合料稳定度下降幅度最小，其残留稳定度为86.9%。另外，2%与3%水泥掺量下凝灰岩沥青混合料的残留稳定度相差不大，即所对应的该值分别为83.6%和85.0%，与石灰岩混合料的残留稳定度相近，相比基础试样分别提高了18.6%和20.6%，说明掺水泥方案的水稳定性改善效果相比掺液体抗剥落剂方案更显著。

由表6可知：（1）相比石灰岩混合料，掺入添加剂后凝灰岩沥青混合料的劈裂强度得到提升；而经冻融循环后劈裂强度下降，其中以凝灰岩沥青混合料基础试样的劈裂强度下降最明显，冻融劈裂强度比为0.74，其次为掺液体抗剥落剂凝灰岩沥青混合料，0.6%、0.9%掺量下的冻融劈裂强度比分别为0.81和0.80，相比基础试样分别提高了9.5%和8.1%。（2）水泥掺量2%、3%下凝灰岩沥青混合料的冻融劈裂强度比分别为0.86和0.84，与石灰岩混合料的（0.85）相近，相比基础试样分别提升了16.2%和13.5%，说明水泥改善凝灰岩沥青混合料水稳性效果更好。

2.3 热老化对混合料水稳定性的影响

为验证添加剂对凝灰岩沥青混合料长期使用下粘附耐久性的改善效果，在以上水稳定性试验的基础上，进行老化后浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，结果分别如表7和表8所示。

表7 老化后不同添加剂及掺量下混合料的浸水马歇尔试验结果

表8 老化后不同添加剂及掺量下混合料的冻融劈裂试验结果

由表7可知：（1）老化后不同添加剂及掺量下混合料的稳定度规律与老化前类似，如老化、浸水后凝灰岩沥青混合料的基础试样稳定度下降最明显，残留稳定度为68.3%。（2）水泥掺量2%、3%下凝灰岩沥青混合料的残留稳定度分别为83.0%和83.1%，接近于石灰岩混合料（85.5%），相比基础试样分别提高了21.5%和21.7%；液体抗剥落剂掺量0.6%、0.9%下，残留稳定度分别为74.7%和74.3%，相比基础试样分别提高了9.4%和8.8%，表明其老化后的水稳改善效果不及掺水泥方案显著。

由表8可知：（1）老化后不同添加剂及掺量下混合料的劈裂强度变化也与老化前类似。经老化、冻融后凝灰岩沥青混合料基础试样的劈裂强度下降幅度最大，冻融劈裂强度比为0.72。（2）水泥掺量2%、3%下凝灰岩沥青混合料的冻融劈裂强度比分别为0.84和0.83，接近于石灰岩混合料（0.84），相比基础试样分别增大了16.7%和15.3%；液体抗剥落剂掺量0.6%、0.9%下凝灰岩沥青混合料的冻融劈裂强度比分别为0.74、0.75，更接近于凝灰岩沥青混合料（0.72），只增大了2.8%和4.2%，说明掺液体抗剥落剂方案的长期稳定性效果欠佳，而掺水泥方案的效果较为显著。

为更直观地说明不同添加剂及掺量下混合料老化前后的粘附耐久性，分别将残留稳定度和冻融劈裂比指标进行比较，结果如图3和图4所示。

由图3和图4可知，老化后不同添加剂及掺量下混合料的残留稳定度和冻融劈裂比都有降低。与老化前相比，抗剥落剂掺量0.6%、0.9%下混合料的残留稳定度分别降低6.7%和5.2%，冻融劈裂比分别减小了8.6%和6.3%；而水泥掺量2%、3%下混合料的残留稳定度分别降低0.8%和2.2%，冻融劈裂比分别减小了2.3%和1.2%，接近于石灰岩混合料的降低幅度。

以上结果说明，掺抗剥落剂混合料更易受老化影响，这与液体抗剥落剂在老化作用下易挥发有一定关系，而掺加水泥时则不存在这种影响，因而水泥的改善效果要明显优于抗剥落剂。此外，水泥掺量2%和3%的改善效果相近，从经济性角度考虑，可优选掺2%水泥为最佳方案。

3 结语

（1）掺入不同添加剂后凝灰岩集料的粘附等级提升效果存在差异，以掺2%、3%水泥和0.6%、0.9%抗剥落剂时，凝灰岩集料的粘附等级提升效果较好。

（2）在不同添加剂及掺量的沥青混合料中，不掺添加剂凝灰岩沥青混合料的残留稳定度和冻融劈裂比均为最小，而掺入添加剂后混合料的水稳定性都得到提高，其中掺入水泥的改善效果优于掺抗剥落剂的，并与石灰岩沥青混合料的水稳定性相近。

（3）老化后与不掺添加剂凝灰岩沥青混合料的水稳定性相比，掺入抗剥落剂后沥青混合料的残留稳定度提高，但改善效果不及掺水泥的显著；掺抗剥落剂对凝灰岩沥青混合料的冻融劈裂强度比提升效果欠佳，而掺水泥时要较为显著，并接近于石灰岩混合料，掺量水泥为2%时效果最佳。