基于胶浆组分调整的沥青混凝土抗水损害研究

周云华

(葛洲坝集团试验检测有限公司,宜昌 443002)

我国经济建设在过去几十年里取得了突出的成就，这离不开交通运输系统的支撑。发达的交通网络为经济快速发展提供了坚实的保障，截至2020年末，全国公路总里程达到519.81万km，铁路和水路里程则分别为14.6万km和12.77万km，公路里程占比超过90%，所以公路建设对整个运输体系而言尤为重要。因沥青混凝土路面具有噪音小、舒适性好、抗滑耐磨及平整度高等优势，这一路面形式在我国中高等级公路建设中被广泛采用。但近年来，随着交通量的迅速增长，沥青混凝土路面极易产生早期病害，如出现掉粒、剥落、坑槽等水损害现象，这严重威胁到路面的行车安全。针对沥青混凝土路面的水损害问题，学者们围绕原材料类型、设计方法、施工技术及气候特征等方面开展了一系列的改善研究[1-3]，也确定了一些可有效改善沥青混凝土抗水损害性能的技术措施。

基于前人取得的成果，同时为了使研究更具有针对性，首先总结了水对沥青混凝土路面的主要破坏形式；在此基础上，考察了沥青胶浆组分调整这一技术方案对沥青混凝土抗水损害性能的改善效果。

1 水对沥青路面的破坏形式

沥青胶浆与集料间粘附性能以及沥青胶浆内部粘聚性能的丧失是水分对沥青路面的破坏形式之一。在沥青混凝土中，集料主要起形成嵌挤骨架的作用；填料和沥青则主要参与形成沥青胶浆，沥青胶浆起到填充和粘结嵌挤骨架的作用[4]，使之成为有强度的整体。降雨时，大部分雨水会流向路面两侧，路表残留的水也会逐渐蒸发掉，但少部分进入沥青路面结构内部的水会长期滞留。当车辆通过时产生动水压力，在动水压力作用下，极易造成沥青胶浆膜与集料表面发生分离。沥青胶浆膜出现部分剥落后，水分则更容易到达沥青胶浆和集料的粘附界面上，集料表面具有亲水性，导致沥青胶浆和集料间的粘结作用变弱，进一步加剧了沥青胶浆膜的剥落。同时水分不仅对沥青胶浆与集料间的粘结性能有影响，还会影响到沥青胶浆内部的粘聚特征。在水分长期作用下，沥青逐渐乳化因而内部的粘聚性能下降，造成沥青胶浆在动水压力下更加容易被剥落。

嵌挤骨架结构稳定性的丧失是水分对沥青路面的另一种破坏形式。持续性降雨过程可能导致部分水分长期滞留在沥青路面内部结构中，季节性气温交替作用(冻融循环)造成沥青路面内部集料形成的嵌挤骨架结构失稳：冬季发生持续的冻胀作用，水结成冰体积膨胀，路面空隙率变大；气温回升后，冰融化成水体积收缩，但沥青路面的空隙变化已不可恢复。这种季节性水损害使嵌挤骨架承载力下降，在荷载作用下逐渐失稳。

基于第一种破坏形式，从沥青胶浆组成调节方面针对性地开展了研究工作：选择性能更优的SBS改性沥青替代基质沥青使用，提高沥青胶浆与集料间的粘结性能以及沥青胶浆内部的粘聚性能；另外，沥青呈现弱酸性，采用高碱性的消石灰替代石灰石矿粉，可改善填料与沥青的相容性，进一步增强沥青胶浆与集料间的粘结性能以及沥青胶浆内部的粘聚性能。

2 沥青混凝土的水稳定性分析

2.1 原材料

粗集料和细集料选用花岗岩，填料选用石灰石矿粉和消石灰。沥青选用70#基质沥青和SBS改性沥青。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)和《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)分别对集料、填料和沥青进行基本物理性能指标测试[5,6]。结果表明选用的原材料基本性能指标合格，均满足《公路沥青路面施工技术规范》的技术要求[7]。

2.2 试验方法

首先按照马歇尔标准试验方法设计及制备沥青混凝土试件，选用的级配为AC-13型，花岗岩粗集料、花岗岩细集料和填料的体积掺量分别为54%、41%和5%。共使用到6种填料：消石灰替代石灰石矿粉的体积比例分别为0、20%、40%、60%、80%、100%，同时还使用到2种沥青：70#基质沥青和SBS改性沥青，因此共涉及12种沥青混凝土。由于填料掺配比例很小，虽然消石灰和石灰石矿粉的级配有所差别，但两者按照不同体积比例掺配时对沥青混凝土的合成级配影响较小，12种沥青混凝土的合成级配非常接近，合成级配曲线如图1所示。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的标准方法开展沥青混凝土的残留马歇尔稳定度试验和冻融劈裂强度比试验[5]。

2.3 结果与讨论

残留马歇尔稳定度试验结果如图2所示。从图2中可以看出，在未加入消石灰时，基质沥青混凝土试件和SBS改性沥青混凝土试件的残留马歇尔稳定度分别为80.2%和84.6%。沥青混凝土试件的残留马歇尔稳定度通常都在85%以上，尤其在使用SBS改性沥青时，这说明采用花岗岩制备的沥青混凝土水稳定性不佳。加入消石灰且当其掺入量在60%以内时，随着消石灰掺量的增加，基质沥青混凝土试件和SBS改性沥青混凝土试件的残留马歇尔稳定度都逐渐提高。而当消石灰掺入量超过60%时，无论是否使用SBS改性沥青，沥青混凝土试件的残留马歇尔稳定度都不再表现出逐渐增长的趋势，反而出现一定幅度的下降。尤其对于基质沥青混凝土而言，当消石灰掺量由60%提高至80%时，残留马歇尔稳定度的下降还较为明显。说明消石灰在填料中所占的比例并不是越高越好。

冻融劈裂强度比试验结果如图3所示，未掺入消石灰时，基质沥青混凝土试件和SBS改性沥青混凝土试件的冻融劈裂强度比分别为75.5%和78.9%。沥青混凝土试件的冻融劈裂强度比一般都能达到80%以上，而试验中即便使用了SBS改性沥青，试件的冻融劈裂强度比还是小于80%，这同样说明采用花岗岩制备的沥青混凝土水稳定性差。加入消石灰后，沥青混凝土抵抗冻融破坏的能力有了明显提升。但不同于残留马歇尔稳定度的变化规律，不管是基质沥青混凝土试件和SBS改性沥青混凝土试件，冻融劈裂强度比均是在消石灰掺量为80%时达到最大，分别为86.3%和89.2%。但随着消石灰掺量进一步提高到100%，基质沥青混凝土试件和SBS改性沥青混凝土试件的冻融劈裂强度比都出现了下降，前者下降更明显。因此，冻融劈裂强度试验结果同样表明消石灰在填料中的占比也不是越高越好。考虑到消石灰从60%提高到80%时，两类沥青混凝土试件的冻融劈裂强度比上升幅度都比较小，综合考虑残留马歇尔稳定度和冻融劈裂强度比试验结果，推荐将消石灰在填料中的体积占比控制在60%左右。这也在一定程度上节约了成本。

从图2和图3中还可看出，无论消石灰掺量如何，SBS沥青混凝土试件的残留马歇尔稳定度和冻融劈裂强度比总高于基质沥青混凝土试件，说明SBS改性沥青也为花岗岩沥青混凝土水稳定性的提高做出了积极贡献，这主要源于SBS改性沥青优异的粘结性能。因此，建议在高等级公路或水稳定性要求较高的路面将消石灰和SBS改性沥青结合起来使用。

3 结 论

通过残留马歇尔稳定度试验和冻融劈裂强度比试验分析了采用消石灰和SBS改性沥青调节沥青胶浆成分从而改善花岗岩沥青混凝土水稳定性的可行性。结果表明，消石灰和SBS改性沥青均能显著改善沥青混凝土的水稳定性，建议将消石灰的掺量(替代矿粉的体积比例)控制在60%左右，对于水稳定性要求较高的路面建议将消石灰与SBS改性沥青结合起来使用。