基于改进试验的沥青与集料低温黏结性能评价

王晔晔 秦耀艺 李彬彬

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000）

0 引言

沥青混合料面层是与空气、行车荷载等直接接触的最表层，在运营期内要经受多次冻融循环作用，而经过冻融循环的沥青混合料在车辆荷载的作用下，如果低温性能不足，极易引起沥青混合料面层的松散、坑槽等损坏，从而影响沥青路面的使用质量和寿命[1]。

根据复合材料理论，沥青混合料在冻融循环条件下出现的损伤不利位置多位于集料与沥青的黏结面以及粗集料之间的胶浆连接面。因此，集料与沥青及胶浆的界面黏结性能对沥青混合料的冻融耐久性，尤其是低温状态下受冰荷载作用的力学行为有重要影响[2]。但是查阅相关文献资料发现，目前关于沥青混合料低温性能方面的研究主要集中在沥青材料或者沥青混合料方面，关于沥青与集料在低温条件下的黏结性研究不足[3-5]。为此，本文以现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中的“沥青与集料的低温黏结性试验”（T 0660-2000）为基础，针对该方法存在的不足，改进了试验方法，以便更科学地判定不同胶结料与石料在低温条件下的黏结性能，以指导各结构层沥青结合料的选择。

1 沥青与集料低温黏结性试验方法分析

通过对T0660-2000 试验方法规定的试验仪器、材料、流程等进行研究，发现该方法存在着明显的不确定因素。

1.1 缺少标准试验设备

T0660-2000 试验方法中对试验器具、材料、方法和步骤等有明确规定，但是目前市场上并没有标准试验设备，试验过程中难以保证仪器具有足够的精确性，从而保证试验结果的准确性。对此，开发了一套标准试验设备，将击实高度、击实钢球、标准方盘、集料位置固定方格网、集料套筛等制成标准设备，以降低试验仪器误差，提高试验的稳定性、科学性。

1.2 集料粒径要求范围过宽

T0660-2000 试验方法中使用的集料粒径为4.75~9.5mm，集料大小差别较大，使得粒径对试验结果稳定性产生显著影响。对此，本文开展了细化粒径后的集料与沥青的低温黏结性试验，结果见表1。

表1 不同粒径玄武岩与基质沥青低温黏结性试验

从表1中可以看出：集料粒径为4.75~6mm 时，集料掉落数量和掉落质量显著小于粒径在6mm以上的集料，6~8mm 的集料掉落数量和质量小于8~9.5mm 档集料，说明4.75~9.5mm 档集料内部的粒径组成对试验结果具有显著严重影响，集料粗细程度不同时，对试验结果有显著影响，因此需要严格控制试验所用集料的粒径组成。如果试验时使用6mm 和8mm 方孔筛对4.75~9.5mm 档集料进行二次筛分，采用粒径为6~8mm 的集料进行试验可大幅度提高试验稳定性。

1.3 集料表面沥青膜厚度无法保证

规范中要求集料表面覆盖1mm 的沥青，但操作过程只规定“钢板不得倾斜，以防沥青流向一边”，无法保证沥青膜厚度和均匀性[6]。对此，本文采用水准尺控制方盘保持水平，同时采用振动台以低频低幅振动使沥青或沥青胶浆形成厚度均匀的沥青膜，减小了试验条件的差异性。同时还探讨了沥青膜厚度对试验结果的影响，结果表明，沥青膜厚度1mm是合理的。

1.4 集料摆放主观性较大

T0660-2000 试验方法中提出要保证集料的摆放大体均匀，但实际操作中集料的摆放较为主观和随意，对试验结果具有一定影响。因此，本文设计出集料位置固定方格网，以完全固定住每一颗集料的位置，每一次试验每一个位置集料所受的冲击能量保持一致，提高了试验精度。

2 沥青与集料低温黏结性试验过程

（1）按要求完成铁架、底座、钢板、集料回收槽等组装，保持铁架及底座水平，调整铁架下底面高度距钢板表面500mm。调整集料回收槽与钢板位置，使钢球自铁架落下后恰好落在钢板正中央。

（2）分别使用4.75mm、9.5mm 标准方孔筛对碎石集料进行初筛，得到粒径4.75~9.5mm的集料，然后使用5.6mm、8mm 方孔筛对粒径4.75~9.5mm 的集料进行进一步筛分，从粒径5.6~8mm碎石中挑选出100颗形状规则、接近立方体的碎石，洗净后置于（105±5）℃的烘箱中烘干备用。

（3）将钢板放置在温度为（105±5）℃的烘箱中加热备用。

（4）按T0602-2011 试验方法的规定对沥青进行加热，然后将预热后的钢板放在平台上并使用水准尺调整钢板处于水平状态后，立即向钢板中倒入热沥青40g，并放置在混凝土振动台上高频低幅振动20s，以使沥青在钢板表面形成1mm的均匀薄膜。

（5）将钢板放置在常温环境中进行冷却，同时使用方格网在沥青上均匀地放100 颗准备好的碎石，共10排，每排10颗。

（6）按规范要求进行敲击，计算被振落的集料数量占总集料数量的百分率。

3 集料与胶结料低温黏结性评价

3.1 试验结果与分析

采用3种石料、3种沥青，在粉胶比0.8的条件下进行沥青与集料低温黏结性试验，结果见表2。从表2 可以看出：

表2 不同类型集料与胶结料低温黏结性试验结果

（1）改性沥青与集料之间具有更好的黏结性能，其中橡胶沥青与集料的黏结性更好，这是因为改性沥青具有较高的黏度，使得改性沥青与集料间具有良好的黏结性能；

（2）不同类型集料与沥青的黏结性能有所差异。石灰岩呈碱性，与沥青有较好的黏结性；花岗岩虽然含有较多的酸性成分，但由于表面粗糙，因此在低温条件下与胶结料也具有较好的黏结性能。

由于表2中3种集料与橡胶沥青的试验均无掉落，为增加掉落率，使用粒径为9.5mm 的集料重新进行试验，结果见表3。

表3 各类集料（9.5mm）与胶结料的低温黏结性试验结果

由表3 结果可以看出：对于粒径为9.5mm 的集料，采用橡胶沥青进行低温黏结性试验时，掉落的集料依然很少，显示了橡胶沥青优异的黏结性能。同时，当结合料为纯沥青时，使用6~8mm 档集料可以明确反映沥青与集料类型对沥青与集料低温黏结性的影响；当结合料为沥青胶浆时，采用粒径较小的集料无法区分不同沥青与集料黏结性的差异，因此需要适当增大集料粒径。此时，集料与沥青或沥青胶浆的黏结性能具有相似的规律。

3.2 胶结料与集料低温黏结性损伤机理

以上试验结果只能反映出集料与沥青及胶浆之间的黏结性特点，如果要研究其损伤机理，还需要结合试件低温下的破坏模式对其进行分析。集料与沥青在单次敲击后的破坏模式如图1 所示。由图1 结果可以看出，对于未掺矿粉的基质沥青和SBS 改性沥青，低温敲击钢板时，破坏部位主要为沥青与钢板之间。但是，对于掺入矿粉的两种沥青胶浆，一次敲击无法造成试件破坏，只有连续敲击数次才可导致集料与胶浆脱离，或者试样整体从钢板脱落。集料与沥青胶浆低温敲击破坏如图2所示。

图1 集料与沥青低温敲击破坏图

图2 集料与沥青胶浆低温敲击破坏图

由图1、图2对比可以看出：与前文试验结果相反，沥青胶浆与集料间的粘结效果要比沥青差。原因在于，当集料与沥青相互作用时，集料在沥青中会因自重而不断下沉，直至稳定，此时集料和钢板之间存在一定间隙，形成如图3（a）所示的薄沥青膜；而集料四周的沥青量较多，接触面积更大，形成的沥青膜会更厚，使得集料与钢板间的薄沥青膜成为薄弱面，在敲击时出现损伤。同时，由于钢板表面光滑，与沥青间的表面能远小于集料与沥青，使得钢板与沥青间的粘结力较低，容易分离。

图3 集料与沥青及胶浆粘结示意图

集料与沥青胶浆相互作用时，矿粉的存在使得沥青胶浆具有较大模量，从而使集料在重力作用下下沉较短的距离即可与胶浆摩擦力达到平衡，使得集料与钢板间存在较厚的沥青膜，如图3（b）所示。这时，石料四周和底部的沥青膜均较厚，敲击时的最不利位置分别在钢板与胶浆的界面和石料与胶浆的界面，故出现图4所示的2种破坏模式。

对于集料与橡胶沥青的低温敲击试验，由于橡胶沥青具有较高的黏度，在制作试件时，必须提高沥青加热温度以使橡胶沥青正常流动，从而确保试件沥青膜厚度达到1mm，而将集料放入橡胶沥青后，只能下沉极短距离，使得集料与橡胶沥青结合面成为薄弱面，在低温敲击时发生破坏如图4（a）。对于橡胶沥青胶浆，集料与胶浆间除上述不利位置外，胶浆与钢板间也易发生剥离，如图4（b）。

4 结束语

本文在对现行规范中沥青与集料的粘结性试验方法进行详细研究的基础上，改进了试验方法，并开展了石灰岩、花岗岩、玄武岩3 种岩性集料与3 种沥青及其胶浆的低温粘结性能试验，得出如下结论：

（1）现行规范提出的集料与沥青低温粘结性试验方法并不完善，存在多种可能影响试验结果准确性、科学性的因素，有必要对该试验方法加以改进和完善。

（2）相对于基质沥青，改性沥青与集料的粘结性能更好，其中橡胶沥青又明显优于SBS改性沥青。

（3）集料类型对沥青与集料的粘结性能有一定影响。一般来说，碱性集料与沥青间的粘结性较好，其中花岗岩虽含有较多酸性成分，但由于表面粗糙，使得其与沥青的粘结性良好。同时，当沥青的黏度较大时，集料类型对沥青与集料粘结性的影响较小。

（4）对于集料与沥青的低温粘结性破坏试验，当采用的胶结料黏度较低时，破坏多发生在钢板与沥青之间，从而可有效区分集料类型的影响；当采用的胶结料黏度较大时，集料类型对试验结果的影响较小，可以用于研究不同结合料的粘结效果。如果需要分析集料类型的影响，可以适当增大集料粒径。