基于水泥裹附的酸性集料沥青混合料性能研究

2022-06-27高林，成钢，董彪

合成材料老化与应用 2022年3期

高林，成钢，董彪

（河南中检工程检测有限公司,河南郑州450000）

通常热拌沥青混合料所用的集料为石灰岩、玄武岩等碱性或中性集料,它们与沥青的粘附性好,不易剥落。而集料是不可再生资源,随着近几年我国公路事业的快速发展,石灰岩和玄武岩的存储量越来越少。同时,碱性或中性集料在我国的分布极不平衡,如我国的内蒙古、山西、广东、广西等地区,石灰岩、玄武岩等集料严重缺乏,给当地的公路建设带来极大的不便。从外地购置集料,会因长途运输而增加额外成本,不符合我国的可持续和节约型发展的基本理念。酸性集料如花岗岩在我国储量丰富,而且坚硬、致密、耐磨性强,能充分发挥集料间的嵌挤作用,但是与沥青的粘附性不好,容易在水的作用下造成沥青脱落,导致沥青路面水损害的发生[1-2]。而国内外常用的改善沥青与酸性集料的粘附性的方法主要有：1）在沥青中掺加液体抗剥落剂[3-4],但是在实际生产过程中,由于液体抗剥落剂比重小于沥青,通常会造成剥落剂掺合不均匀,影响实际使用效果[5]；2）利用石灰或水泥替换部分填料[6-11],但石灰或水泥并没有直接作用于集料表面,其对粘附性的改善效果有限,同时由于石灰或水泥的加入增加了沥青的用量,提升了成本。如果能研究出一种实用且利于推广的酸性集料处理技术,不仅能充分发挥酸性集料良好的物理力学性能,而且能够解决路面优质集料短缺的问题,降低工程建设成本,具有十分重要的经济和社会效益。

基于此,本文针对酸性集料的特点,采用水泥浆液裹附酸性集料（acid aggregate coated with cement,简称CCA集料）改善其与沥青的粘附性能,并对酸性集料和沥青混合料进行相关性能测验[12-15],研究水泥对酸性集料及混合料性能的作用效果,为CCA沥青混合料的使用推荐合理参数。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

（1）集料

试验中粗细集料的物理性质、力学性能均满足规范要求,其中9.5～19 mm粒径集料为玄武岩、花岗岩,其他粒径集料为玄武岩。玄武岩、花岗岩的SiO2含量见表1。

表1 粗集料SiO2含量Table 1 SiO2 content of coarse aggregate

（2）水泥

采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥,其技术要求见表2。

表2 水泥技术要求Table 2 Cement technical requirements

沥青采用A级110号道路石油沥青,矿粉为石灰石矿粉,沥青与矿粉的技术要求均符合现行规范的相关要求。

1.2 试验方案

（1）CCA集料的制备

首先将水泥与水混合制备足量水泥浆液,然后将粒径为9.5～19 mm花岗岩10kg投入水泥浆液中低速搅拌120s,搅拌结束后,通过4.75mm筛沥去多余水泥浆液,马上分散撒布在托盘中,在室温下养生72±3 h,养生期间应保持环境湿度在95%以上,并经常翻动避免水泥裹附集料成团结块。试验中采用不同水灰比水泥浆液制备CCA集料,其中水灰比分别为1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4,其他试验条件保持不变。

（2）最优水灰比确定

将不同水灰比的CCA集料分别进行洛杉矶磨耗试验、高温压碎值试验、高温滚筒跌落试验、粘附性试验,并对比分析集料的表观状况和力学性能,确定水泥浆液最优水灰比。

其中,高温压碎值试验可以研究CCA集料在高温状态下抵抗压力的状况。

高温跌落试验可以模拟CCA集料在拌合楼中拌和时的跌落损失状况：加热集料至180℃,称取试验用CCA集料m0(g),将其从1.5m高度处自由下落,颗料不能丢失（下面放置收集筒,让集料跌落至收集筒内）,集料互相跌落碰撞,重复跌落30次,用2.36mm筛除细颗粒,称取筛上重量m1,计算质量损失率。

粘附性试验分别采用不同水灰比的CCA集料、高温跌落后CCA集料以及掺加抗剥落剂的酸性集料综合对比分析。

（3）沥青混合料性能分析

沥青混合料级配为AC-20型,其中9.5～19 mm粒径矿料分为酸性集料（花岗岩）、CCA集料和碱性集料（玄武岩）,其他粒径矿料为玄武岩矿料,填料为石灰质矿粉。分别制备三种不同集料的沥青混合料,并对混合料进行力学性能、水稳定性能、高温稳定性能、低温抗裂性能分析,研究三种混合料的相关性能,对CCA集料沥青混合料进行评定。

2 试验结果及分析

2.1 集料性能分析

(1)洛杉矶磨耗试验

洛杉矶磨耗试验结果能够表征集料的抗磨耗性能,洛杉矶磨耗值越大表明集料的抗磨耗性能越差。不同水灰比CCA集料的洛杉矶磨耗值试验结果如图1所示（水灰比为0表示该组试验未裹附水泥浆）。

图1 水灰比对CCA集料洛杉矶磨耗值的影响Fig.1 Effect of water-cement ratio on LA abrasion value for CCA aggregate

由图1可知：CCA集料磨耗值随着水灰比的增加呈现先减小后增大的趋势,其磨耗值均大于未裹附水泥浆的集料,即抗磨耗性能低于原状集料（未裹附水泥浆液）,但不同水灰比CCA集料的磨耗值均低于28%,满足规范要求。试验后对其进行表观观察,CCA集料均存在不同程度的水泥壳脱落现象,但集料本身并未发现过度磨耗,水灰比为0.6、0.7的CCA集料抗磨耗性能较好,比原状集料降低约0.5%；水灰比为0.4、0.5的CCA集料因水泥壳变厚、不均匀性大,经摩擦撞击后脱落现象较明显。其主要原因是酸性集料裹附水泥浆液后,由于水泥壳的强度比集料自身强度低,经摩擦、撞击后,CCA集料表面形成的水泥壳脱落。

（2）高温压碎值试验

集料压碎值试验是衡量集料力学性能的指标之一,压碎值是按规定试验方法测得的被压碎碎屑的重量与试样总重量之比,以百分数表示,压碎值越大表明集料的力学性能越差。不同水灰比CCA集料在不同温度条件下的压碎值如图2所示（水灰比为0表示该组试验未裹附水泥浆）。

图2 水灰比对CCA集料压碎值的影响Fig.2 Effect of water-cement ratio on crush value for CCA aggregate

由图2可知：在相同温度条件下不同水灰比CCA集料压碎值随水灰比的增加呈现先增大后减小再增大的趋势,且CCA集料压碎值均低于26%,满足规范要求。不同温度状态下,相同水灰比CCA集料压碎值没有明显规律,表明温度对于集料的压碎值结果影响不大。随着水泥浆浓度的增加,CCA集料的抗压碎能力趋于原石的压碎值水平,水泥的裹附并没有提高碎石的抗压碎能力,反而在水灰比为0.9、1.0时,因水泥壳易脱落,导致压碎值偏大。

（3）高温滚筒跌落试验

高温跌落试验为模拟集料在拌合楼拌和过程中集料与拌合仓碰撞引起的质量损失,以百分数表示。跌落损失率越大表明在拌和过程中集料受损现象越严重。不同水灰比CCA集料的跌落损失率如图3所示（水灰比为0表示该组试验未裹附水泥浆）。

图3 水灰比对CCA集料高温跌落值的影响Fig.3 Effect of water-cement ratio on high temperature drop value for CCA aggregate

由图3可知：不同水灰比CCA集料高温跌落值随着水灰比的增大,呈现先减小后增大的趋势,水灰比为0.6时跌落损失率最小为0.4%。试验后对其进行表观观察,水泥壳存在局部脱落现象,集料本身未发现过度损伤。主要原因是水泥浆液裹附集料表面形成水泥壳,水泥壳强度不足导致损失率增大。

（4）粘附性试验

粘附性试验能够表征集料与沥青的粘附性能,粘附性结果分为5级,根据受水作用后产生剥落的程度,用以判断沥青与集料表面的粘附性能。粘附性等级越低表明沥青与集料的粘附性越差。不同水灰比CCA集料的粘附性结果见表3（水灰比为0表示该组试验未裹附水泥浆）。

表3 粘附性试验结果(级)Table 3 Adhesion test results

由表3数据可知：未裹附水泥浆液的酸性集料其粘附性较差,即使加入抗剥落剂后其粘附性仍未达到5级。而被水泥浆液裹附后,酸性集料与沥青的粘附性得到了大幅度提升,但是随着水泥浆液稠度的增高粘附性又呈现下降趋势。主要原因是当水灰比较大时,水泥浆液的裹附改善了集料表面的酸碱性,使得粘附性能改善。但水灰比较小时,水泥浆液稠度增加,会导致水泥壳变厚,在进行粘附性水煮试验时外层水泥壳出现掉落从而影响集料粘附性能。

综合对比CCA集料磨耗值、压碎值、高温跌落损失值以及粘附性试验结果,发现水泥浆液对集料力学性能并未有较好的改善效果,当水灰比过大时会引起集料裹附水泥壳过厚从而导致磨耗值、压碎值、高温跌落损失值的升高。但是水泥浆液能够很好地改善酸性集料的粘附性能。综合考虑CCA集料的稳定性和经济性,确定最佳水泥浆水灰比为0.6。

2.2 混合料性能分析

沥青混合料级配采用AC-20型,其中9.5～19 mm粒径矿料分别为酸性集料（花岗岩）、CCA集料和碱性集料（玄武岩）,其它粒径矿料为玄武岩,矿粉为石灰岩矿粉。通过马歇尔击实试验确定三种沥青混合料最佳油石比分别为4.6%、4.7%、4.7%。根据沥青混合料油石比调整原则,同时为减少试验过程中的变量,三种沥青混合料统一采用4.7%油石比进行后续试验。

（1）力学性能

沥青混合料力学性能测试采用马歇尔稳定度试验,三种混合料马歇尔稳定度试验结果如图4所示。

图4 马歇尔稳定度试验结果Fig.4 Marshall stability test results

由图4可知：酸性混合料马歇尔稳定度较低,不满足规范对于密级配沥青混合料马歇尔稳定度大于7.5kN的规定；当水泥裹附酸性集料表面后,马歇尔稳定度得到了大幅度提升,强度上升85%,达到11.99kN,与碱性混合料马歇尔稳定度相比差别不大。表明水泥浆液裹附能够改善酸性混合料的强度。

（2）高温稳定性能

沥青混合料高温稳定性测试采用车辙试验,三种混合料高温车辙试验结果如图5所示。

图5 车辙试验结果（60℃）Fig.5 Rutting test results（60℃）

由图5可知：酸性混合料动稳定度较低为888次/mm,当酸性集料裹附水泥浆液后,沥青混合料动稳定度得到大幅度提升,动稳定度上升130%,达到2052次/mm,与碱性混合料动稳定度相比差别不大。表明水泥浆液裹附能够改善酸性沥青混合料的抗车辙能力。

（3）水稳定性能

采用冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验分别评价三种沥青混合料的水稳定性能,试验结果如图6所示。

图6 水稳定性能试验结果Fig. 6 Water stability test results

由图6可知：酸性混合料残留稳定度、冻融劈裂残留强度比均低于规范要求值；当酸性集料裹附水泥浆液后,混合料残留稳定度和冻融劈裂残留强度比均得到了大幅度提升,其中残留稳定度上升54%,冻融劈裂残留强度比上升52%,分别达到88.3%和78.8%,与碱性混合料水稳定性能相比差别不大。表明水泥浆液裹附能够改善酸性沥青混合料的水稳定性能。

（4）低温稳定性能

采用低温小梁弯曲试验对三种沥青混合料的低温抗裂性能进行测试,试验结果见表4。

表4 低温小梁试验结果Table 4 Low temperature beam test results

由表4数据可知：酸性混合料劲度模量较低；当水泥裹附酸性集料表面后,弯曲劲度模量得到了提升,上升24%,达到585MPa,与碱性混合料相比差别不大。表明水泥浆液裹附能够改善酸性混合料的低温抗裂性能。主要原因是水泥浆液改善了沥青与酸性集料的粘附性能,沥青与集料的粘聚力增强,从而提升了沥青混合料的低温抗裂性能。