譚波， 劉學(xué)文

(桂林理工大學(xué) 廣西建筑新能源與節(jié)能重點實驗室， 廣西 桂林 541004)

隨著瀝青路面的快速發(fā)展，瀝青路面的水損壞問題日益受到人們的關(guān)注，特別是高溫多雨的南方地區(qū)的水損壞現(xiàn)象尤為突出[1].研究表明，集料的酸堿性是影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，酸性集料與瀝青的粘附性較差，遇水極易剝離而出現(xiàn)水損壞現(xiàn)象[2-5].在某些高速公路項目沿線，酸性集料料源豐富，且公路建設(shè)任務(wù)繁重，若不能因地制宜地改善并利用酸性集料，勢必造成環(huán)境破壞、投資增大、工程造價提高、建設(shè)工期延長等問題.

目前，改善酸性集料水穩(wěn)定性的常用方法是用水泥或消石灰替代礦粉、抗剝落劑改性瀝青等[5-10].謝海超等[11]將水泥作為填料，極大地改善酸性集料瀝青混合料的水穩(wěn)定性.張宜洛[12]對酸性花崗巖分別摻加抗剝落劑和消石灰，兩種方法均可提高花崗巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性.彭振興等[13]對胺類與非胺類的抗剝落劑性能進行研究，發(fā)現(xiàn)非胺類抗剝落劑具有更好的熱穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性.張偉[14]使用水泥、礦粉和抗剝落劑對酸性卵石瀝青混合料的填料進行處理，鋪筑試驗路觀測后，發(fā)現(xiàn)路用性能良好.張文濤[2]對花崗巖摻加抗剝落劑和消石灰后，鋪筑試驗路，發(fā)現(xiàn)其具有良好的抗水損壞性能.吳登睿[10]依托四川省成都第二繞城高速公路分別試鋪單摻水泥、胺類抗剝落劑、消石灰的試驗路段，發(fā)現(xiàn)單摻消石灰的路面抗水損壞性能優(yōu)于單摻水泥，單摻水泥的路面抗水損壞性能優(yōu)于單摻胺類抗剝落劑.以上研究均通過凍融劈裂試驗測試酸性集料瀝青混合料的水穩(wěn)定性，也有其他學(xué)者通過反復(fù)凍融劈裂試驗測試混合料的長期水穩(wěn)定性，但考慮到自然環(huán)境下的路面除了受到凍融破壞外，還受到高溫、老化的影響.因此，本文通過反復(fù)凍融烘劈裂試驗評價消石灰水浸泡集料、水泥替代礦粉和抗剝落劑改性瀝青3種處治方法下酸性閃長巖瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性能.

1 原材料

1.1 瀝青與抗剝落劑改性瀝青的基本性能

對70#基質(zhì)瀝青與加入XT-1型非胺類抗剝落劑改性后的瀝青(抗剝落劑改性瀝青)開展基本技術(shù)指標的測試，結(jié)果如表1所示.由表1可知：改性前與改性后的瀝青基本性能均符合JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求；與改性前的瀝青相比，改性后的瀝青的針入度、針入度指數(shù)和延度增大，軟化點降低，這可能是由于添加抗剝落劑后，瀝青中的輕質(zhì)成分相對增加，而瀝青質(zhì)含量相對降低，導(dǎo)致瀝青的針入度、延度增大，軟化點降低.此外，抗剝落劑的非極性基團與瀝青發(fā)生吸附作用，使瀝青的內(nèi)部分子鏈更加緊密，分子間作用力增大，分子間所需能量增多，導(dǎo)致針入度指數(shù)增大.改性后的瀝青流動性增大，與石料的包裹更加緊密，從而增強了水穩(wěn)定性.

表1 70#基質(zhì)瀝青與抗剝落劑改性瀝青的基本技術(shù)指標Tab.1 Basic technical indexes of 70# matrix asphalt and modified asphalt with anti-stripping agent

1.2 閃長巖集料

1.2.1 閃長巖集料的酸堿性測試 目前，檢測石料酸堿性的常用方法主要有pH值法、堿值法和Zeta電勢法等，但pH值法不能很好地表征石料的酸堿性，而堿值法和Zeta電勢法可以快速地定量集料的酸堿性[15-16].因此，通過JTG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)范》的堿值試驗判斷集料的酸堿性，但考慮到石料中的鈣鹽與稀硫酸反應(yīng)生成微溶于水的硫酸鈣，硫酸鈣覆蓋在反應(yīng)物表面會阻礙反應(yīng)的進行，故采用集熱式攪拌恒溫油浴鍋，使反應(yīng)更充分，結(jié)果更準確.

將100 mL標準稀硫酸溶液(0.25 mol·L-1)分別與分析純碳酸鈣粉末((2.000 0±0.000 2) g)、已研磨好的閃長巖(紅)、閃長巖(黑)、花崗巖及石灰?guī)r(均為(2.000 0±0.000 2) g)在集熱式攪拌恒溫油浴鍋中冷凝回流反應(yīng)30 min，用精密酸度計測定反應(yīng)后溶液上層清液的pH值，并根據(jù)pH值計算氫離子的濃度.由堿值試驗結(jié)果可知：閃長巖(紅)、閃長巖(黑)、花崗巖、石灰?guī)r的堿值分別為0.35，0.34，0.34，0.85，故判斷閃長巖和花崗巖均為酸性集料，石灰?guī)r為堿性集料.

1.2.2 閃長巖集料的物理力學(xué)性能測試 酸性閃長巖集料均來自廣西浦北至北流高速公路沿線，對粒徑分別為19.00～26.50，16.00～19.00，13.20～16.00，9.50～13.20，4.75～9.50，2.36～4.75 mm的閃長巖集料和石灰?guī)r集料進行物理力學(xué)性能測試，二者的主要技術(shù)指標，如表2所示.表2中：γa為表觀相對密度；δ為吸水率；Qe為壓碎值；Qa為針片狀含量；Q為洛杉磯磨耗值.

由表2可知：除粘附等級外，閃長巖集料的主要技術(shù)指標均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的技術(shù)要求；酸性閃長巖與瀝青的粘附性比堿性石灰?guī)r差，需處理后才可在路面上使用；閃長巖集料的壓碎值、洛杉磯磨耗值均遠大于石灰?guī)r集料，體現(xiàn)了酸性料硬度高、耐磨性好的優(yōu)點.

表2 閃長巖集料與石灰?guī)r集料的主要技術(shù)指標Tab.2 Main technical indexes of diorite and limestone aggregates

2 不同處治方法下瀝青混合料的短期水穩(wěn)定性

2.1 不同處治方法的最佳摻量

2.1.1 水泥的最佳摻量 由于水泥替代礦粉處治方法是在成型馬歇爾試件中進行，故無法通過水煮法確定水泥的最佳摻量.基于JTG F40-2004規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的AC-20中值級配，參照未處治酸性集料的工程經(jīng)驗，選用油石比為4.5%且雙面擊實50次成型馬歇爾試件進行凍融劈裂試驗，以獲得水泥的最佳摻量.

水泥替代礦粉處治方法的凍融劈裂試驗結(jié)果，如表3所示.表3中：w1為水泥摻量；R1為未凍融劈裂強度；R2為凍融劈裂強度；αTSR為凍融劈裂強度比，αTSR=(R2/R1)×100%.由表3可知：當水泥摻量為2%時，凍融劈裂強度比達到最大值(88%)；當水泥摻量為3%時，劈裂強度達到最大值(0.91 MPa)，但凍融劈裂強度比為85%.

綜上可知，凍融劈裂強度比存在一個峰值，水泥摻量并不是越多越好，而是有一個最優(yōu)的替代量，水泥的最佳摻量為2%.

表3 水泥替代礦粉處治方法的凍融劈裂試驗結(jié)果Tab.3 Freeze-thaw split test results of cement instead of mineral powder treatment method

2.1.2 消石灰水及抗剝落劑的最佳摻量 用摻量為1%(澄清石灰水)，10%，20%，30%的消石灰水浸泡集料；用摻量為0.1%，0.2%，0.3%的抗剝落劑處理瀝青.由于JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的水煮法(t=3 min，t為水煮時間)無法清楚地分辨添加劑處理后閃長巖集料與瀝青粘附性能的優(yōu)劣，故將水煮時間分別延長至6，9，12 min，由此可得消石灰水的最佳摻量為30%，抗剝落劑的最佳摻量為0.3%.水煮法的試驗過程，如圖1所示.

采用延長水煮時間的方法，對閃長巖與石灰?guī)r的粘附等級進行對比分析，結(jié)果如表4所示.表4中：w2為消石灰水摻量；w3為抗剝落劑摻量.由表4可知：當水煮時間延長至9 min時，更能直觀地看出集料與瀝青的粘附性好壞，故推薦水煮時間為9 min.

2.2 瀝青混合料的力學(xué)性能

采用3種處治方法的最佳摻量，按照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中雙面擊實75次成型馬歇爾試件，分別獲得3種處治方法相應(yīng)的最佳油石比(ηaar，b).在最佳油石比下，測試馬歇爾穩(wěn)定度(SM)、流值(s)等力學(xué)性能指標，并分析3種處治方法的力學(xué)性能優(yōu)劣.馬歇爾力學(xué)性能指標，如表5所示.

由表5可知：水泥替代礦粉處治方法、消石灰水浸泡集料處治方法的最佳油石比略大于抗剝落劑改性瀝青處治方法；從短期力學(xué)性能上看，抗剝落劑改性瀝青處治方法的馬歇爾穩(wěn)定度和流值優(yōu)于水泥替代礦粉處治方法、消石灰水浸泡集料處治方法.

2.3 瀝青混合料的短期水穩(wěn)定性

采用3種處治方法的最佳摻量和最佳油石比，通過凍融劈裂試驗評價酸性閃長巖瀝青混合料的短期水穩(wěn)定性.凍融劈裂試驗結(jié)果，如表6所示.

由表6可知：3種處治方法短期水穩(wěn)定性良好，均能夠滿足規(guī)范要求；消石灰水浸泡集料處治方法的凍融劈裂強度比為97%，是3種處治方法中的最佳方案，這是由于消石灰水浸泡集料具有改性石料表面酸堿性的作用，使閃長巖集料表面裹覆了一層堿性消石灰粉末，將原本的酸性集料改性為堿性，從而極大提高了水穩(wěn)定性.

3 不同處治方法下瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性

3種處治方法下酸性閃長巖瀝青混合料均具有較好的力學(xué)性能和短期水穩(wěn)定性.然而，相關(guān)研究表明，抗剝落劑的熱穩(wěn)定性較差，在高溫作用下易失效，從而導(dǎo)致水穩(wěn)定性變差，此外，在高溫作用下，瀝青也會緩慢老化，兩者的協(xié)同作用易造成抗剝落劑改性后瀝青混合料的水穩(wěn)定性變差.因此，常規(guī)凍融劈裂試驗無法反映瀝青路面在自然環(huán)境下發(fā)生的水損壞.

為了更好地反映實際情況，并進一步驗證加入外加劑后的改善效果，在JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規(guī)程》的凍融劈裂方法的基礎(chǔ)上，將凍融時間設(shè)定為8 h，并增加“烘”這一條件，室內(nèi)模擬瀝青混合料一天內(nèi)在高溫、濕雨條件下的水穩(wěn)定性，并循環(huán)凍融烘1，5，10次，以評價其長期水穩(wěn)定性，從而更加全面地評價處治方法的優(yōu)劣.

將雙面擊實50次成型的試件在真空度為97.3～98.7 kPa的條件下保持15 min；試件在水中放置0.5 h后，將其放入塑料袋，加入約10 mL的水，并扎緊袋口，放入(-18±2) ℃的恒溫冰箱中保持8 h(最后一次為16 h)；取出試件，撤掉塑料袋，放入(60.0±0.5) ℃的恒溫水槽中保溫8 h，放入60 ℃的烘箱中烘7 h(最后一次放置烘箱中8 h)，浸水1 h；取出試件，放入25 ℃的恒溫冰箱中，養(yǎng)護不少于2 h，如此循環(huán)1，5，10次后進行劈裂試驗.

凍融烘劈裂試驗，如圖2所示.凍融烘劈裂試驗結(jié)果，如表7所示.表7中：Rh為凍融烘劈裂強度；αTSBR為凍融烘劈裂強度比，αTSBR=(Rh/R1)×100%.

由表7可得到以下3個結(jié)論.

1) 水泥替代礦粉處治方法和抗剝落劑改性瀝青處治方法的凍融烘劈裂強度和劈裂強度比均呈下降趨勢；水泥替代礦粉處治方法反復(fù)10次凍融烘劈裂強度為89%，長期水穩(wěn)定性良好，而抗剝落性瀝青處治方法反復(fù)10次凍融烘劈裂強度僅為80%，長期水穩(wěn)定性較差，這說明了高溫會導(dǎo)致瀝青和抗剝落劑老化，從而降低水穩(wěn)定性.

2) 消石灰水浸泡處治方法的凍融烘劈裂強度及劈裂強度比呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，反復(fù)10次凍融烘劈裂強度比達91%，長期水穩(wěn)定性良好.

3) 3種處治方法在凍融劈裂試驗中表現(xiàn)出良好的短期水穩(wěn)定性，無法清楚地區(qū)分處治方式的優(yōu)劣，但在反復(fù)凍融烘劈裂試驗中，消石灰水浸泡石料處治方法與水泥替代礦粉處治方法的長期水穩(wěn)定性較好，抗剝落劑改性瀝青處治方法的長期水穩(wěn)定性較差.

4 結(jié)論

采用廣西浦北至北流高速公路沿線酸性閃長巖集料，對3種處治方法下酸性閃長巖瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性進行評價，可得以下4個結(jié)論.

1) 與原瀝青相比，抗剝落劑改性后瀝青的針入度、針入度指數(shù)和延度增大，軟化點降低，這使瀝青的流動性變大，增強了瀝青與石料的包裹性，從而改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性.

2) 通過凍融劈裂試驗可得水泥替代礦粉處治方法的水泥最佳摻量為2%，最佳油石比為4.8%，馬歇爾穩(wěn)定度為14.75 kN；通過水煮法可得消石灰水浸泡集料處治方法的消石灰水最佳摻量為30%，最佳油石比為4.7%，馬歇爾穩(wěn)定度為14.25 kN；通過抗剝落劑改性瀝青處治方法的抗剝落劑最佳摻量為0.3%，最佳油石比為4.6%，馬歇爾穩(wěn)定度為14.80 kN. 通過凍融劈裂試驗發(fā)現(xiàn)3種處治方法的短期水穩(wěn)定性良好，均符合規(guī)范要求.

3) 通過凍融烘劈裂試驗可以判斷3種處治方法的優(yōu)劣，抗剝落劑改性瀝青處治方法反復(fù)10次凍融烘劈裂強度比僅為80%，長期水穩(wěn)定性較差，說明高溫導(dǎo)致瀝青和抗剝落劑老化，降低了水穩(wěn)定性.

4) 消石灰水浸泡處治方法具有最佳的長期水穩(wěn)定性，反復(fù)10次凍融烘劈裂強度比為91%，且短期高溫對其強度具有增強作用，但浸泡處理增加了工程應(yīng)用的難度；水泥替代礦粉處治方法反復(fù)10次凍融烘劈裂強度比為89%，該方法工藝簡單，摻加較少量水泥即可達到很好的效果.因此，水泥替代礦粉處治方法可推薦于工程應(yīng)用.