抗剥落剂对沥青混合料水稳定性影响研究

郭 峰

（洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳471023）

0 引言

沥青混合料属于孔隙结构［1－2］，在交通荷载、湿度、温度等因素综合作用下，沥青路面易出现不同程度的病害，降低沥青路面使用质量和使用寿命。其中，水损害已成为沥青路面病害的主要类型。水分浸入路面结构内部孔隙，交通荷载下产生真空泵吸作用，孔隙内部自由水冲刷沥青与集料黏结界面，破坏混合料结构稳定性。因此，针对沥青混合料水稳定性，国内外学者通过改性沥青、调整级配或添加外掺剂等方面展开了研究。李菁若等［3］研究了焚烧飞灰对沥青混合料颗粒对沥青混合料水稳定性影响，发现沥青混合料掺焚烧飞灰颗粒后的冻融劈裂强度提高。黄继蓉等［4］研究了冲刷参数对高黏沥青混合料水稳定性影响规律，冲刷速度和冲刷时间对其质量损失率影响最大。谭波等［5］研究了水泥、消石灰及抗剥落剂对酸性闪长岩沥青混合料水稳定性影响，发现抗剥落剂改性沥青易老化，且长期水稳定性差。王蕾等［6］采用浸水汉堡车辙试验，研究了水泥对沥青混合料抗水损害能力的影响，混合料掺入水泥后水稳定性提高。于立泽等［7］采用自制的渗水试验模型，研究了级配类型对沥青混合料渗水速率的影响，发现大孔隙结构的沥青混合料排水特性较优，低温性能和水稳定性较差。吴小恋［8］研究了消石灰及抗剥落剂掺量对沥青混合料水稳定性改善效果，发现抗剥落剂增大沥青与集料的黏附性，提高沥青混合料水稳定性。张彩利等［9］对比研究了热闷钢渣沥青混合料、冷弃陈渣沥青混合料及石灰岩沥青混合料路用性能，发现钢渣沥青混合料水稳定性优于石灰岩沥青混合料。

鉴于此，本文选用消石灰和水泥两种抗剥落剂，通过室内冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验和浸水飞散试验，对比研究消石灰和水泥对沥青混合料水稳定性影响规律，为沥青路面材料设计提供参考。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

（1） 沥青

沥青选用镇海A 级90＃石油沥青，按试验规程［10］测定其技术性质，见表1。

（2） 集料

粗集料选用玄武岩碎石，细集料选用机制砂，按试验规程［11］ 测定集料技术性质，见表2 ～表3。

表2 粗集料技术性质Table 2 Technical properties of the crude aggregate

表3 细集料技术性质Table 3 Technical properties of the fine aggregate

（3） 填料

填料选用磨细的石灰岩矿粉，技术性质见表4。

表4 矿粉技术性质Table 4 Technical properties of mineral powder

（4） 抗剥落剂

抗剥落剂采用消石灰、水泥，水泥采用普通硅酸盐水泥P·O 42.5，3 d 抗压强度和抗折强度分别为16.27 MPa、4.37 MPa； 消石灰采用Ⅰ级消石灰，MgO＋CaO 含量为76.2%。

1.2 试验方案

采用水泥、消石灰等量替代矿粉掺量，通过室内冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验、浸水飞散试验，对比研究水泥、消石灰掺量对沥青混合料水稳定性影响规律。试验中，拟各类抗剥落剂掺量为1%、2%、3%、4%。其中，掺抗剥落剂的沥青混合料为试验组，未掺抗剥落剂的沥青混合料为对照组，每组试验采用4 个平行试件。抗剥落剂掺量为外加剂干质量与集料干质量的比值。

1.3 试件制备

按试验规程［10］中击实法成型Φ101.6×h63.5 mm的沥青混合料马歇尔试件。沥青混合料拌和采用干掺法［12－14］，击实温度为（105±5） ℃，双面击实50 次。

1.4 性能测试方法

（1） 冻融劈裂试验

马歇尔试件分为两组，一组试件置于室温条件下备用，一组试件饱水后置于（－18±2） ℃恒温冰箱中16 h 备用。试件按规定条件处理后，选用马歇尔试验仪分别测定两组试件劈裂强度，并计算冻融劈裂抗拉强度比TSR，见式（1）。试验中，马歇尔试验仪加载速率为50 mm／min。

式中：TSR为冻融劈裂抗拉强度比，%；RT1、RT2分别为试件冻融前后劈裂抗拉强度平均值，MPa。

（2） 浸水马歇尔试验

马歇尔试件在60 ℃恒温水浴箱中浸水48 h后，采用马歇尔试验仪分别测定浸水试件和非浸水试件稳定度，计算其残留稳定度。残留稳定度MS0为浸水马歇尔试件与非浸水马歇尔试件稳定度的比值，表达式见式（2）。

式中：MS1为浸水马歇尔试件稳定度，kN；MS2为非浸水马歇尔试件稳定度，kN。

（3） 浸水飞散试验

马歇尔试件置于60 ℃恒温水浴箱中浸水48 h后，并于室温放置24 h，用干毛巾擦拭试件，称取试件原始质量m0。采用洛杉矶试验机开展飞散试验，旋转300 转，转速为30 r／min，称取试件剩余质量m1，计算质量损失。浸水飞散损失△S 为试件质量损失与剩余质量的比值，表达式见式（3）。

2 沥青混合料配合比设计

参照JTG F40－2004 《公路沥青路面施工技术规范》［15］中AC－16 沥青混合料的矿料级配，根据集料筛分试验结果初选矿料级配，见表5。矿粉掺量为4%。矿粉掺量为矿粉干质量与集料干质量的比值。

表5 矿料级配Table 5 Mineral material grading

三种矿料级配的马歇尔试件物理力学性质见表6。

表6 沥青混合料物理力学性质Table 6 Physical and mechanical properties of asphalt mixture

由表6 可知，采用矿料级配B 制备的沥青混合料物理性质满足设计要求［14］，且稳定度高于矿料级配A、C 制备的沥青混合料稳定度。故选用矿料级配B 开展沥青混合料水稳定性研究，最佳沥青用量为4.8%。

3 试验结果与分析

3.1 冻融劈裂试验

掺抗剥落剂沥青混合料冻融劈裂试验结果见图1。未掺抗剥落剂的沥青混合料冻融劈裂抗拉强度比（以下简称“劈裂强度比” ） 为79.6%，满足JTG E20－2011 中沥青混合料劈裂强度比要求，即TSR≥75.0%。

图1 掺抗剥落剂沥青混合料劈裂试验结果Fig.1 Results of splitting test for asphalt mixture with anti stripping agent

由图1 可知，消石灰和水泥对沥青混合料劈裂强度比影响规律一致，沥青混合料添加1%掺量抗剥落剂后，沥青混合料劈裂强度比提高，后随抗剥落剂掺量增加，沥青混合料劈裂强度比呈线性趋势降低，且掺消石灰的沥青混合料劈裂强度比降低速率较大。抗剥落剂掺量≥1%时，消石灰掺量增加1%，沥青混合料劈裂强度比降低2.6%；水泥掺量增加1%，沥青混合料劈裂强度比降低1.9%，说明水泥较消石灰对沥青混合料水稳定性改善效果较明显。另外，与未掺抗剥落剂的沥青混合料相比，掺4%消石灰的沥青混合料劈裂强度比降低，劈裂强度比为78.5%，满足JTG E20－2011 中沥青混合料劈裂强度比要求。

为较好模拟季冻区沥青路面冻融循环过程，按冻融劈裂试验方法依次开展3 次、5 次、7 次、9次、10 次的冻融循环，分析冻融循环条件下掺抗剥落剂的沥青混合料劈裂强度比变化规律。冻融循环试验结果见图2。

图2 掺抗剥落剂沥青混合料冻融劈裂试验结果Fig.2 Results of freeze－thaw splitting test for asphalt mixture with anti stripping agent

由图2 可知，同一抗剥落剂掺量下，随冻融循环次数增加，沥青混合料劈裂强度比缓慢降低，即冻融条件下掺抗剥落剂的沥青混合料抗水损害能力减弱较小。当抗剥落剂选用消石灰时，冻融循环初期沥青混合料劈裂强度比平均降低3.8%，后随冻融次数增加，沥青混合料劈裂强度比劈裂强度比呈线性趋势降低，冻融次数增加1 次，沥青混合料劈裂强度比约降低0.8%。当抗剥落剂选用水泥时，沥青混合料劈裂强度比随冻融次数增加逐渐降低，且冻融次数≥9 次，其劈裂强度比趋于稳定； 冻融次数由1 次增加至3 次时，沥青混合料劈裂强度比平均降低5.3%； 冻融次数≥3 次时，冻融次数增加1 次，沥青混合料劈裂强度比约降低0.8%，说明冻融次数对掺不同抗剥落剂的沥青混合料影响规律大致相近，这是由于沥青混合料强度主要由集料间的嵌挤作用和胶结料与集料间的黏结作用，冻融循环作用下水与集料接触面积增大，致使沥青剥落，沥青与集料黏结力降低，且集料间孔隙率增大，故掺不同抗剥落剂的沥青混合料劈裂强度比降低规律相近。

3.2 浸水马歇尔试验

掺抗剥落剂沥青混合料浸水马歇尔试验结果见图3。未掺抗剥落剂的沥青混合料残留稳定度为80.8%。

图3 掺抗剥落剂沥青混合料浸水马歇尔试验结果Fig.3 Results of immersion marshal test for asphalt mixture with anti stripping agent

由图3 可知，沥青混合料掺入抗剥落剂后，其残留稳定度增大，即抗剥落剂可提高沥青混合料水稳定性。随抗剥落剂掺量增加，沥青混合料残留稳定度先增加后降低，在消石灰掺量1%时，沥青混合料残留稳定度取得最大值，为90.0%，较未掺抗剥落剂的沥青混合料残留稳定度提高11.4%； 在水泥掺量2%时，沥青混合料残留稳定度取得最大值，为88.2%，较未掺抗剥落剂的沥青混合料残留稳定度提高9.2%。另外，同一掺量的消石灰沥青混合料和水泥沥青混合料残留稳定度比值如图4 所示，随抗剥落剂掺量增加，其比值先降低后增大，在掺量2%时，比值最小，为0.98，其余掺量的沥青混合料残留稳定度比值均＞1.0，说明消石灰较水泥改善沥青混合料水稳定性效果良好。

图4 不同抗剥落剂沥青混合料的TSR 比值关系Fig.4 TSR ratio relationship of asphalt mixtures with different anti stripping agent

3.3 浸水飞散试验

掺抗剥落剂沥青混合料浸水飞散试验结果见图5。未掺抗剥落剂的沥青混合料浸水飞散损失为14.7%。

图5 掺抗剥落剂沥青混合料浸水飞散试验结果Fig.5 Results of immersion and dispersion test for asphalt mixture with anti stripping agent

由图5 可知，沥青混合料掺入抗剥落剂后，其浸水飞散损失降低，即抗剥落剂提高沥青混合料抗水损害能力，且同一掺量的消石灰和水泥改善沥青混合料抗水损害能力效果相当。当抗剥落剂掺量≥1%，沥青混合料浸水飞散损失随抗剥落剂掺量增加而逐渐增大，且增大速率逐渐降低。消石灰掺量增加1%，沥青混合料浸水飞散损失平均增大9.5%； 水泥掺量增加1%，沥青混合料浸水飞散损失平均增大9.6%，说明抗剥落剂对沥青混合料浸水飞散损失影响较大。

4 结论

（1） 沥青混合料掺抗剥落剂后，沥青混合料劈裂强度比提高，抗水损害能力随冻融次数增加而减弱，且冻融循环作用对掺不同抗剥落剂的沥青混合料影响规律大致相近，冻融次数增加1 次，冻融劈裂强度约降低0.8%。

（2） 抗剥落剂可改善沥青混合料水稳定性，石灰较水泥提高沥青混合料残留稳定度效果较显著，消石灰掺量1%或水泥掺量2%时，沥青混合料残留稳定度最大，较未掺抗剥落剂的沥青混合料残留稳定度提高9.2%以上。

（3） 抗剥落剂可减小沥青混合料浸水飞散损失，同一掺量的消石灰和水泥改善沥青混合料飞散损失效果相当，抗剥落剂掺量≥1%时，石灰和水泥掺量增加1%，沥青混合料浸水飞散损失分别平均增大9.5%、9.6%。