集料类型对砂粒式沥青混合料微观形貌的影响

2023-09-02李秀珍

山西交通科技 2023年3期

李秀珍

（山西省交通新技术发展有限公司，山西太原 030012）

0 引言

砂粒式沥青混合料是一种最大集料粒径不超过5 mm 的沥青混合料，广泛用于微表处、钢桥面铺装、超薄磨耗层等[1-2]。砂粒式沥青混合料的耐磨性是其应用的关键，如何获得耐久性优良的砂粒式沥青混合料是耐久性研究的重要科学问题[3-5]。研究发现，微观形貌是宏观性能的表现，从微观角度上看，在影响砂粒式沥青混合料耐久性的众多因素中集料类型是主要影响因素，研究集料类型对砂粒式沥青混合料微观形貌的影响，可从根本上解决研究者对砂粒式沥青混合料耐久性评价指标的错误认识[6]。

当前对砂粒式沥青混合料的研究往往集中在宏观性能，很少聚焦砂粒式沥青混合料的微观特性。武汉理工大学周新星[7]研究了砂粒式沥青混合料动态力学及界面黏附性能，发现紫外辐照对砂粒式沥青混合料动态模量影响大于温度、频率、集料类型的影响；玄武岩砂粒式沥青混合料的界面黏附性能由黏聚失效主导；钢渣砂粒式沥青混合料界面黏附性能由黏聚失效主导；安山岩沥青混合料界面黏附性能由黏附失效和黏聚失效共同主导。西南交通大学方明镜等[8]研究了砂粒式防水沥青混合料低温弯曲蠕变性能，发现沥青用量大于5%时，提高沥青用量无法大幅度提升沥青混合料的低温抗裂性能。长沙理工大学颜义忠[9]研究了砂粒式改性沥青混合料的性能与应用研究，发现胶粉改性沥青和SBS 改性沥青的技术性质都能满足砂粒式改性沥青混合料防治半刚性基层路面反射裂缝对改性沥青的要求。华南理工大学吴矿怀等[10]将砂粒式沥青混合料作为罩面层使用，发现砂粒式沥青混合料具有良好的路用性能和表面功，可作为沥青路面预防性养护的超薄罩面层。广州大学祝轩等[11]研究了砂粒式沥青混合料作为超薄磨耗层，并对其路用性能进行评价，发现NovaChip 的高温性能、水稳性能和抗滑性能较UTAC-5、OGFC-5 的好，低温性能较UTAC-5 的稍差。长沙理工大学李睿[12]研究了砂粒式沥青混合料作为薄层罩面的路用性能，发现薄层罩面AC-5 适用于气温偏低、降雨量中等、车流量较大的地区。综上所述，砂粒式沥青混合料的应用领域广泛，可作为预防性养护的重要表面层材料。

为透彻分析集料类型对砂粒式沥青混合料微观性能的影响，采用三维景深显微镜和扫描电子显微镜深入研究了当集料选用玄武岩、安山岩或钢渣时细集料沥青混合料的微观形貌及路用性能，以期为砂粒式沥青混合料的工程应用提供基础数据和理论依据。

1 原料与方法

1.1 原材料

石灰石和辉绿岩购于太原市尖草坪区呼延采石厂。钢渣来自于太原钢铁集团有限公司。石灰石：0～2.36 mm 集料表观密度为2.876 g/cm3；2.36～4.75 mm 集料表观密度为2.695 g/cm3。辉绿岩：0～2.36 mm 集料表观密度为2.839 g/cm3；2.36～4.75 mm 集料表观密度为2.701 g/cm3。钢渣：0～2.36 mm 集料表观密度为2.896 g/cm3；2.36～4.75 mm 集料表观密度为2.901 g/cm3。填料选用石灰石矿粉，无团聚结块现象，亲水系数为0.8，级配采用SMA-5。沥青选用SBS 改性沥青，其中SBS 掺量为4%，其2 ℃针入度为56（0.1 mm），软化点为79 ℃，5 ℃延度为35 cm。聚酯纤维掺量为0.2%。

1.2 SMA-5配合比设计

砂粒式沥青混合料级配组成如表1 所示。集料1.18 mm 为分界筛孔尺寸，1.18 mm 以下的集料仅占不到30%，1.18 mm 以上的集料占70%以上。矿粉用量占体系总用量的2%。

表1 砂粒式沥青混合料级配组成

依据马歇尔体积设计法进行SMA-5 砂粒式沥青混合料的配合比设计。集料分别选用石灰石、辉绿岩、钢渣，集料各项指标均符合规范要求。最佳油石比分别为6.5、6.5、7.5。SMA-5 砂粒式沥青混合料马歇尔试验配合比设计参数如表2 所示。以石灰石、辉绿岩、钢渣为集料的3 种砂粒式沥青混合料马歇尔配合比设计指标均符合规范要求。

表2 砂粒式沥青混合料配合比参数

1.3 砂粒式沥青混合料微观形貌测试

利用VHX-600K 超景深显微镜对砂粒式沥青混合料的微观形貌进行测试，采用500～5 000 倍高清晰变焦镜头。同时采用扫描电子显微镜对砂粒式沥青混合料进行了微观形貌的测定，电子枪选用肖特基场发射电子枪，分辨率选用0.6 nm@15 kV，加速电压选用0.02 kV～30 kV，探针束流选用3 pA～20 nA，稳定度优于0.2%/h。

2 结果与讨论

2.1 集料类型对砂粒式沥青混合料三维景深形貌的影响

如图1 所示，砂粒式沥青混合料砂浆区域三维景深形貌显示，辉绿岩砂粒式沥青混合料砂浆区域形貌明显不同于石灰石和钢渣。从表面平整度来看，辉绿岩砂粒式沥青混合料砂浆区域平整度要小于石灰岩砂粒式沥青混合料砂浆区域，钢渣砂粒式沥青混合料砂浆区域平整度要大于辉绿岩砂粒式沥青混合料砂浆区域。钢渣砂粒式沥青混合料砂浆区域形貌显示其少量区域为阴影区域，这部分区域主要是由于集料与沥青之间的平整度相差太大，凹凸不平程度较大造成。

图1 砂粒式沥青混合料砂浆区域三维景深形貌（放大倍数500X）

如图2 所示，砂粒式沥青混合料三维景深形貌显示，辉绿岩砂粒式沥青混合料三维景深形貌同样明显不同于石灰石和钢渣砂粒式沥青混合料。石灰石砂粒式沥青混合料三维景深形貌显示其表面部分区域为白色，为集料区域，部分区域为黑色，为沥青填充区域。辉绿岩砂粒式沥青混合料三维景深形貌显示其具有较多的表面褶皱，沥青和集料相间分布。钢渣砂粒式沥青混合料三维景深形貌显示其表面反光区域较多，为钢渣切割面，少量区域存在空隙，黑色区域为沥青分布区域，大部分区域为沥青-钢渣混合区域。总体而言，钢渣砂粒式沥青混合料三维景深形貌中集料裸露较多，其次为石灰石砂粒式沥青混合料，辉绿岩砂粒式沥青混合料三维景深形貌中集料裸露最少。根据前人研究结果，沥青-集料界面间的剥落定义为黏附失效，沥青-沥青之间的剥落定义为黏聚失效。结果表明，石灰石砂粒式沥青混合料中黏附失效和黏聚失效共同主导，辉绿岩砂粒式沥青混合料中黏聚失效占主导，钢渣砂粒式沥青混合料中黏附失效占主导。

图2 砂粒式沥青混合料三维景深形貌（放大倍数500X）

2.2 集料类型对砂粒式沥青混合料扫描电子显微镜形貌的影响

如图3，砂粒式沥青混合料砂浆区域扫描电镜形貌显示，石灰石砂粒式沥青混合料表面有大量褶皱，为沥青弯曲或突出所致，尖锐区域为石灰石集料形貌；辉绿岩砂粒式沥青混合料表面衬度较大，黑暗和透明部分轮廓分明，黑暗部分大部分为沥青，透明部分大部分为辉绿岩集料；钢渣砂粒式沥青混合料表面衬度差异性明显，黑暗区域和透明区域整体差异较大，分区分块呈现。前人研究表明，若砂浆区域中衬度差异明显则表明砂浆中存在高凸起或高凹陷，即砂浆易发生脆断；若砂浆区域中衬度相差较小，则表明砂浆区域中大部分为弹性断裂，砂浆黏附性较好。因此，由上述结果可知，3 种砂粒式沥青砂浆中辉绿岩和钢渣砂粒式沥青砂浆易发生脆断，石灰石砂粒式沥青砂浆易发生弹性断裂，黏附性较好。

图3 砂粒式沥青混合料砂浆区域扫描电子显微镜形貌（放大倍数2 000X）

如图4 所示，砂粒式沥青混合料扫描电子显微镜形貌显示，石灰石砂粒式沥青混合料扫描电子显微形貌表面有部分集料裸露，沥青牢固黏附在集料表面和周围，存在黏附失效和黏聚失效现象；辉绿岩砂粒式沥青混合料表面大部分区域被沥青所占据，并未有集料裸露，存在黏聚失效现象；钢渣砂粒式沥青混合料表面大部分区域为微小集料裸露，沥青填充在钢渣集料孔隙和表面，存在黏附失效现象。这一结论和前期三维景深形貌结论极其吻合，表明利用三维景深和扫描电子显微镜均可很好地评价砂粒式沥青混合料的微观形貌，特别是微区失效特性。