粗集料微观形貌对集料—沥青粘附性能的影响

王 鹏，吴正炫

(景德镇市建筑设计院有限公司，景德镇 333001)

沥青混凝土路面具有表面平整、无接缝、养护维修方便等一系列的优势[1]，我国高等级道路表层普遍采用这一路面形式。集料约占到密集配沥青混凝土质量或者体积的95%左右，因而其是沥青混凝土的主要成分。因此沥青混凝土的性能必然受集料材料特征的直接影响[2]。然而根据现行的《公路沥青路面施工技术规范》，在设计沥青混凝土时主要关注集料的基本性能特征，如吸水率、密度、压碎值、磨光值等，对于集料的微观特征如微观形貌、矿物相、化学成分等则基本不涉及。然而沥青混凝土的诸多性能受集料与沥青间粘附行为的支配，沥青与集料的表面直接接触，因而集料微观特征势必影响集料与沥青间的粘附作用[3]，最终反映在沥青混凝土路用性能上。

基于此，该研究尝试从集料微观特征方面开展一些工作。重点研究了粗集料表面微观形貌对集料与沥青间粘附性能的影响。首先通过控制洛杉矶磨耗试验条件，结合应用扫描电子显微分析技术制备三种表面微观形貌存在显著差别的玄武岩粗集料；进而研究不同表面形貌特征的玄武岩粗集料与沥青的粘附性能。以往大量研究表明，水对集料与沥青间粘附行为的破坏非常显著，因而该研究采用水煮试验和冻融循环试验研究玄武岩粗集料与沥青间的粘附行为特征。

1 原材料

研究采用的玄武岩粗集料粒径范围为16～26.5 mm，按照《公路工程集料试验规程》[4]测试其基本性能指标，结果如表1所示；选用的沥青为AH-70基质沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》测试其基本性能指标[5]，结果如表2所示。测试结果表明该研究使用的玄武岩粗集料和AH-70基质沥青均满足《公路沥青路面施工技术规范》对原材料基本性能指标的要求[6]。

表1 粗集料基本性能指标

表2 AH-70基质沥青基本性能指标

2 试验方法

按照《公路工程集料试验规程》中的粗集料磨耗试验(洛杉矶法)对粒径为16～26.5 mm的玄武岩粗集料进行研磨。将未研磨、研磨500转、研磨1 000转的集料分别命名为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型玄武岩集料，从每类集料中选取粒径约19 mm的颗粒备用。

在160 ℃下，采用AH-70基质沥青充分包裹筛选出的粒径为19 mm的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型集料颗粒表面；待沥青包裹颗粒在室温下冷切后再进行水煮试验和冻融循环试验。水煮试验：将沥青包裹的集料颗粒悬于微沸水浴中进行不同时长的水煮破坏，基于沥青包裹颗粒水煮前后干重的变化计算颗粒表面沥青膜的质量损失率，计算式如式(1)所示。冻融循环试验：沥青包裹的集料颗粒在常温水中充分浸润后移入-18 ℃冷冻室冻16 h，然后置于室温、无水环境下融化24 h(通常冻损试件的融化阶段是在60 ℃水浴中完成的，但对于沥青包裹的集料颗粒，在高温且有水的环境下，颗粒表面的沥青可能会发生流淌，因此该试验改变了融化阶段的操作条件)。此为一次冻融破坏，按此步骤进行冻融循环破坏。每进行下一次冻融破坏之前，都再次将沥青包裹颗粒置于常温水中充分润湿。同样按照式(1)计算集料颗粒表面沥青膜的质量损失率。

(1)

式中,Ml为集料颗粒表面沥青膜的质量损失率，%；m0为集料颗粒的干重，g；m1为沥青包裹的集料颗粒干重，g；m2则为施加破坏后沥青包裹的集料颗粒残余干重，g。

3 结果与讨论

Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型集料颗粒的表面微观形貌如图1所示，可见洛杉矶磨耗试验显著改变了集料颗粒的微观纹理特征。未经研磨处理的玄武岩颗粒表面纹理粗燥，呈现许多形态非常清晰的凹凸构造；在洛杉矶磨耗仪施加500转的机械研磨后，集料颗粒表面微观形貌就已经发生了明显改变，凹凸构造明显减少，粗糙程度下降，表面构造朝着平坦化的方向发展；当集料被洛杉矶磨耗仪研磨1 000转后，集料表面形貌的变化则更加显著，凹凸构造几乎完全消失，表面形貌整体上变得非常平坦。因此，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型集料颗粒表面形貌分别代表了粗燥、半粗糙和平坦三种存在显著差异的微观纹理构造。

水煮破坏下，三类集料颗粒表面沥青膜的损失情况如图2所示，可见随着水煮时间的延长，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型集料颗粒表面沥青膜的损失均逐渐增加，说明沥青包裹的集料颗粒对水煮破坏敏感。在水煮破坏最初的5 min内，三类颗粒表面沥青膜的质量损失率快速上升至15%上下波动，比随后5～10 min以及10～15 min间隔内颗粒表面沥青膜质量损失率的变化剧烈得多。这主要是因为采用热沥青包裹集料颗粒时，颗粒表面粘附的沥青膜较厚，表面富余的沥青往往未充分滴落颗粒就发生了冷却，因而存在部分离颗粒表层稍远的“自由”沥青，这部分沥青在热水作用下首先被剥落。这也能解释为什么水煮5 min后，Ⅱ型颗粒表面沥青膜的损失甚至比Ⅲ型颗粒还要大，因为此时的沥青膜损失完全由“自由”沥青的量决定，还未涉及到颗粒与沥青表面的粘附作用。随着水煮时间的增加，破坏形式也从纯沥青内部的粘聚破坏转向沥青与集料颗粒的粘附破坏，三类颗粒在稳定各自表面沥青膜方面显现出不同的能力。当水煮时间达到15 min时，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型颗粒表面沥青膜的质量损失率分别达到了20%、24%和29%。说明表面微观纹理越平坦的集料颗粒与沥青间的粘附作用越弱，难以抵挡长时间的水煮破坏。

冻融循环试验结果整体上与水煮试验类似，随着冻融循环次数的增加，三类颗粒表面沥青膜的质量损失率均快速上升，说明沥青包裹的集料颗粒对冻融循环破坏也很敏感。但图3所示的沥青膜质量损失率变化规律在细节上又与图2所示有所不同，冻融试验结果表明，在相同冻融循环次数下，沥青膜质量损失率的大小关系与集料颗粒形貌有严格的对应关系，Ⅰ型颗粒表面沥青膜的损失始终最小，其次是Ⅱ型颗粒，最后是Ⅲ型颗粒。三类颗粒表面包裹的沥青均是AH-70基质沥青，且沥青膜内部的粘聚破坏具有不确定性，如果冻融破坏以沥青膜自身的粘聚破坏为主，则沥青膜质量损失率难以呈现出如此有规律的变化。这说明冻融循环破坏主要是造成了集料颗粒与沥青粘附界面的破坏，即以粘附破坏为主。经过9次冻融循环破坏后，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型颗粒表面沥青膜的质量损失率分别达到了39%、46%和54%，同样说明表面微观纹理越平坦的集料颗粒与沥青间的粘附作用越弱，难以抵挡持续的冻融循环破坏。

4 结 语

该研究分析了玄武岩粗集料微观形貌对集料—沥青粘附性能的影响，基于洛杉矶磨耗试验制备了三类微观尺度粗糙度存在显著区别的玄武岩集料。沥青包裹的集料颗粒在水煮破坏以及冻融循环破坏下的表现说明，微观构造越平坦的集料与沥青间的粘附作用越弱，越难以抵挡水对其粘附界面的破坏。