高原地区酸性集料沥青混合料路用性能研究及应用*

尹 斌，文海东 ，魏道凯,

（1 山东交通职业学院，山东潍坊 261206；2 日喀则市交通运输局，西藏日喀则 867000）

沥青路面在我国公路工程中占据着重要的地位［1-3］。在传统的沥青混合料配比中，由于沥青含有沥青酸、沥青酸酐等酸性成分，是具有一定酸性的有机胶结材料，因此，集料一般采用玄武岩、石灰岩等碱性或中性的材料，以此加强两者之间的粘结性能，从而可以在沥青路面工程中应用时更好地发挥出力学性能。然而，近些年来，我国沥青公路项目发展迅猛，由此导致碱性或中性集料被大量开发，部分地区集料储量不足，继而引起集料短缺以及价格攀升迅速等问题［4-5］，严重影响到了公路工程的造价和施工质量，不利于健康和可持续发展。与此同时，酸性集料在我国分布广泛，取材方便，因此，如何将储量丰富的花岗岩、砂砾、砂岩、片麻岩等酸性集料用于沥青路面的铺装施工，以此在保护生态环境的同时降低施工造价，已经成为行业内亟需解决的一个问题。

沥青与集料的粘结性能是影响沥青路面整体质量的直接因素［6］。针对酸性集料与沥青粘结性能不良的问题，行业内的主要解决方式是添加抗剥落剂［7-9］。抗剥落剂是一种阳离子型表面活性剂，一般含有极性和非极性基团，将其掺入沥青混合料中后，其中的极性基团与酸性集料结合，而非极性基团则与沥青结合，从而提高黏附性，实现抗剥落的效果［10］。然而目前市场上的抗剥落剂种类繁多、质量参差各异，其对于具体工程的适用性难以准确把握。

为此，本文以高原地区某沥青路面工程为案例，选取市场上几种常见的抗剥落剂进行对比试验，研究不同抗剥落剂掺量对酸性集料与沥青之间黏附性能的影响，从中选择最优的抗剥落剂种类及掺量。同时，为进一步提高酸性集料沥青混合料的路用性能，设计5种不同的酸性集料沥青混合料方案（其中1种为原始对照组，4种为改善方案）进行路用性能评价。基于方案设计，再通过水稳性、高温稳定性、低温稳定性等试验，得出路用性能最优的改善措施，从而更好地推动高原地区酸性集料沥青混合料的发展与应用。

1 原材料及性能

1.1 集料

本工程位于高原地区，因此在选择集料时，因地制宜地将当地分布广泛的片麻岩作为粗细集料。片麻岩属于酸性集料，与沥青的粘结性较低。除此之外，片麻岩的其余技术均满足标准要求。（1）粗集料的技术指标：石料压碎值为22.1%；洛杉矶磨耗损失为18.8%；表观相对密度为2.769，毛体积相对密度为2.751；吸水率为0.29；针片状颗粒含量为5.1%；考虑高原地区，不宜采用水煮法，其水洗法颗粒含量（小于0.075毫米）为0.4%；与沥青黏附性等级为3。（2）细集料的技术指标：表观相对密度为2.712，毛体积相对密度为2.598；砂当量为64%。

1.2 填料

本工程的矿粉为经磨细处理的石灰石，并将部分矿粉用消石灰替代。配制中严格控制消石灰和水泥质量，尤其是细度、纯度以及镁与钙的含量等，以保证在掺加部分消石灰后，矿粉与沥青的黏附性能得到提高。本工程所采用矿粉的技术指标均符合规范要求，具体为：表观相对密度为2.695；含水量为0.2%；粒径小于0.6毫米的占比为100%，粒径小于0.15毫米的占比为97.9%，粒径小于0.075毫米的占比为90.8%；矿粉外观无团粒结块现象；亲水系数为0.3；塑性指数为3.1。本工程所采用填料的技术指标：粒径小于0.6毫米的占比为100%，粒径小于0.15毫米的占比为96.8%，粒径小于0.075毫米的占比为89.2%；有效钙和氯化镁的含量为71%；消石灰已经消解完全。

1.3 改性沥青

本工程地处高原地区，但交通量非常大，且过往的车辆超载频繁，导致道路病害较为严重，对于柔性的沥青路面来说，车辙病害尤其严重。根据当地的沥青路面施工和维护经验，发现在其他技术指标基本不变的情况下，适当提高改性沥青的软化点可使沥青路面的路用性能得到一定的提高，对于车辙病害的避免有很好的积极作用，因此本次试验采用I-C级的SBS改性沥青，其主要的性能指标均符合规范要求，具体如下：延度（5cm/min，5℃）为36mm；针 入 度（25℃，100g，5s）为71×0.1mm；软化点（环球法）为71.8℃；闪点为289℃；135℃下测定的布氏黏度为1.412Pa•s；离析试验的软化点差为2.3℃；弹性恢复率（25℃水浴条件）为96%；TFOT薄膜烘箱 (或RTFOT旋转薄膜烘箱) 老化后的残留物，其质量损失为-0.47%，针入度比为71，延度（5℃）为22cm。

2 常见抗剥落剂的比选

2.1 抗剥落剂概况

抗剥落剂可改善酸性集料与沥青之间的界面结合性能，提高两者之间的黏附性。目前，市场上的抗剥落剂种类较多，抗剥落剂选取时应考虑耐热性、不易挥发性，且在拌和过程中性能稳定。

本次试验选取常见的4种抗剥落剂进行对比试验，编号分别为A、B、C、D，其具体的技术指标情况如下：

A号抗剥落剂为黑褐色液体，无团粒结块现象，比重为1.03，失效温度为300℃以上，pH值为11.4。

B号抗剥落剂为黑褐色粘稠膏体，无团粒结块现象，比重为0.93，失效温度为250℃以上，pH值为7.4。

C号抗剥落剂为乳白色粘稠液体，无团粒结块现象，比重为1.14，失效温度为300℃以上，pH值为11.8。

D号抗剥落剂为棕色粘稠液体，无团粒结块现象，比重为0.95，失效温度为240℃以上，pH值为7.9。

在改性沥青中分别掺加不同比例的4种抗剥落剂，并进行黏附性试验对比，掺加比例均为0.3%、0.4%、0.5%，每种掺加比例下的混合料均制作5个试件。

2.2 比选试验结果及分析

（1）不掺加抗剥落剂： 3个试件的黏附性为3级，2个试件的黏附性为2级，剥离的沥青膜面积不小于30%。

（2）掺加A号抗剥落剂：对于0.3%的掺量，有4个试件的黏附性为3级，1个试件的黏附性为2级，剥离的沥青膜面积约为30%；对于0.4%的掺量，5个试件的黏附性均为3级，剥离的沥青膜面积约为20%；对于0.5%的掺量，有4个试件的黏附性为4级，1个试件的黏附性为3级，剥离的沥青膜面积约为10%。

（3）掺加B号抗剥落剂：对于0.3%的掺量，有1个试件的黏附性为4级，3个试件的黏附性为3级，1个试件的黏附性为2级，剥离的沥青膜面积约为20%；对于0.4%的掺量，有1个试件的黏附性为4级，4个试件的黏附性为3级，剥离的沥青膜面积约为20%；对于0.5%的掺量，有3个试件的黏附性为4级，2个试件的黏附性为3级，剥离的沥青膜面积不少于10%。

（4）掺加C号抗剥落剂：对于0.3%的掺量，有1个试件的黏附性为4级，4个试件的黏附性为3级，剥离的沥青膜面积约为20%；对于0.4%的掺量，有1个试件的黏附性为5级，3个试件的黏附性为4级，1个试件的黏附性为3级，剥离的沥青膜面积约为10%；对于0.5%的掺量，有4个试件的黏附性为5级，1个试件的黏附性为4级，剥离的沥青膜面积约为0%。

（5）掺加D号抗剥落剂：对于0.3%的掺量，有1个试件的黏附性为4级，4个试件的黏附性为3级，剥离的沥青膜面积约为20%；对于0.4%的掺量，有3个试件的黏附性为5级，2个试件的黏附性为4级，剥离的沥青膜面积约为5%；对于0.5%的掺量，5个试件的黏附性均为5级，剥离的沥青膜面积约为0%。

根据试验结果可知：对于掺量为0.3%的试件，各种抗剥落剂均能提高酸性集料与沥青之间的黏附性，其中A号抗剥落剂的提高效果偏低。对于掺量为0.4%的试件，A号与B号抗剥落剂下的黏附等级大部分为3级，表明其对酸性集料与沥青间黏附性的提高不明显，C号抗剥落剂下的黏附等级达到4级，D号抗剥落剂下的黏附等级达到5级，改善效果最显著。对于掺量为0.5%的试件，A号与B号抗剥落剂下的黏附等级勉强达到4级，表明改善效果仍不明显，C号与D号抗剥落剂下的黏附等级均能达到5级，改善效果较好。

通过各种抗剥落剂下酸性集料与沥青之间黏附性能改善效果的对比试验，初步确定采用D号抗剥落剂，掺量为0.4%时最佳。同时，对掺加D号抗剥落剂的改性沥青进行薄膜加热试验，发现其老化后与酸性集料的黏附性依旧较好，仍为5级，表明抗剥落剂的性能保持良好。因此，采用掺量为0.4%的D号抗剥落剂进行酸性集料沥青混合料的改良最为合适。

3 路用性能试验

3.1 方案设计

为进一步提高酸性集料沥青混合料的路用性能，设计5种不同的酸性集料沥青混合料方案进行路用性能评价，设计方案分别是：原始的酸性集料沥青混合料（方案1，不采取任何措施，作为对照组）、采用消石灰替代1/3总量矿粉（方案2）、掺加0.4%抗剥落剂（方案3）、同时掺加消石灰和抗剥落剂（方案4）、采用石灰岩碎屑替代片麻岩碎屑（方案5）。对以上5种设计的酸性集料沥青混合料的水稳性、低温稳定性和高温稳定性等路用性能进行对比试验。

3.2 水稳性试验

本工程为对酸性集料沥青混合料进行水稳性评价，主要采用了浸水马歇尔稳定度试验以及沥青混合料冻融劈裂试验。表1为具体的试验结果。

表1 水稳性试验结果Table 1 Water stability test results

由表1可知，在采取一定的措施后，酸性集料沥青混合料的水稳性均有一定幅度的提高。从改善结果来看，方案4的改善效果比方案2和方案3更好，说明同时掺加消石灰和抗剥落剂比单独掺加消石灰或抗剥落剂的改善效果更显著，且只采用消石灰替代部分矿粉的效果较差。由数据知，方案5的改善效果最好，说明采用石灰岩碎屑替代片麻岩后可使水稳性进一步提高，分析原因认为，石灰岩为碱性集料，能与酸性沥青胶结物质形成良好的界面膜，避免水分剥离，从而具有更好的抵抗水损害的能力。

3.3 低温稳定性试验

本工程为对酸性集料沥青混合料进行低温抗荷载破坏试验，主要采用了沥青混合料低温弯曲试验。表2为具体的试验结果。

表2 低温稳定性试验结果Table 2 Low temperature stability test results

由表2可知，各种方案下的措施相比对照组均有一定的改善效果，且各方案的改善效果差别不大，其中采用石灰岩碎屑替代片麻岩碎屑的改善效果较其他方案更好，但区别不大。4种采取措施的方案比未采取任何措施的对照组方案的低温破坏应变分别增加了约17.0%、16.3%、14.2%、17.8%。

3.4 高温稳定性试验

表3为各方案下的动稳定度试验结果。

表3 高温稳定性试验结果Table 3 High temperature stability test results

由表3可知，采取措施的各方案相比未采取任何措施的对照组方案，其动稳定度均有一定幅度的提高。实际上，对于沥青混合料而言，其高温稳定性主要依靠的是集料的骨架支撑，而酸性集料普遍具有较好的力学性能，因此酸性集料沥青混合料的高温稳定性一般均符合要求。另外，在采取石灰岩碎屑替代片麻岩碎屑的改善措施下，其高温稳定性提升效果最为明显。

4 高原地区沥青路面试验情况

以我国高原地区的某沥青路面工程为依托，对单独采取消石灰处理及同时采取消石灰和抗剥落剂处理的酸性集料沥青混合料进行对比试验，并将两种沥青混合料应用于沥青路面的下面层中，以验证高原地区酸性集料沥青混合料的水稳性、低温稳定性和高温稳定性。获得的室内路用性能试验结果见表4。

表4 酸性集料沥青混合料的室内路用性能试验结果Table 4 Indoor road performance test results of acid aggregate asphalt mixture

由表4可知，相比单独采用消石灰处理，同时采取消石灰和抗剥落剂处理的酸性集料沥青混合料在水稳性、低温稳定性和高温稳定性等路用性能方面均更优，表明采取消石灰和抗剥落剂处理后，有效提高了酸性集料与沥青的黏附性。此外，两种处理方案的高温稳定性差别不大。

同时，从该高原地区沥青路面的现场实施效果来看，同时采取消石灰和抗剥落剂处理的酸性集料沥青混合料在路面碾压成型后，其沥青膜磨耗较小，沥青与集料间的黏附性较好；而仅采用消石灰处理的路段，其集料表面的沥青膜磨损严重。由此可见，同时采取消石灰和抗剥落剂处理的酸性集料沥青混合料，无论是室内试验或现场铺筑，其路用性能的提升效果均优于单独采取消石灰的方案。

5 结语

在高原地区的沥青路面工程建设中，若当地的碱性或中性集料缺乏，则对酸性集料沥青混合料的路用性能进行研究将具有重大的现实意义。同时，为改善酸性集料沥青混合料的路用性能，对几种常见的抗剥落剂及其掺量进行了比选。对各种改善酸性集料与沥青黏附性措施的路用性能进行了研究，并得出采用石灰岩碎屑替代片麻岩碎屑的改善效果为最优的结论，故有条件时应尽量将石灰岩碎屑替代片麻岩碎屑进行酸性集料沥青混合料的改良。以高原地区某沥青路面项目为依托，对比了2种改善措施下的酸性集料沥青混合料的路用性能，认为同时采取消石灰和抗剥落剂处理的酸性集料沥青混合料，其室内试验及现场铺筑的路用性能均优于单独采用消石灰处理的酸性集料沥青混合料。