王 鵬，吳正炫

(景德鎮(zhèn)市建筑設(shè)計院有限公司，景德鎮(zhèn) 333001)

瀝青混凝土路面具有表面平整、無接縫、養(yǎng)護維修方便等一系列的優(yōu)勢[1]，我國高等級道路表層普遍采用這一路面形式。集料約占到密集配瀝青混凝土質(zhì)量或者體積的95%左右，因而其是瀝青混凝土的主要成分。因此瀝青混凝土的性能必然受集料材料特征的直接影響[2]。然而根據(jù)現(xiàn)行的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，在設(shè)計瀝青混凝土?xí)r主要關(guān)注集料的基本性能特征，如吸水率、密度、壓碎值、磨光值等，對于集料的微觀特征如微觀形貌、礦物相、化學(xué)成分等則基本不涉及。然而瀝青混凝土的諸多性能受集料與瀝青間粘附行為的支配，瀝青與集料的表面直接接觸，因而集料微觀特征勢必影響集料與瀝青間的粘附作用[3]，最終反映在瀝青混凝土路用性能上。

基于此，該研究嘗試從集料微觀特征方面開展一些工作。重點研究了粗集料表面微觀形貌對集料與瀝青間粘附性能的影響。首先通過控制洛杉磯磨耗試驗條件，結(jié)合應(yīng)用掃描電子顯微分析技術(shù)制備三種表面微觀形貌存在顯著差別的玄武巖粗集料；進而研究不同表面形貌特征的玄武巖粗集料與瀝青的粘附性能。以往大量研究表明，水對集料與瀝青間粘附行為的破壞非常顯著，因而該研究采用水煮試驗和凍融循環(huán)試驗研究玄武巖粗集料與瀝青間的粘附行為特征。

1 原材料

研究采用的玄武巖粗集料粒徑范圍為16～26.5 mm，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》[4]測試其基本性能指標(biāo)，結(jié)果如表1所示；選用的瀝青為AH-70基質(zhì)瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》測試其基本性能指標(biāo)[5]，結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明該研究使用的玄武巖粗集料和AH-70基質(zhì)瀝青均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對原材料基本性能指標(biāo)的要求[6]。

表1 粗集料基本性能指標(biāo)

表2 AH-70基質(zhì)瀝青基本性能指標(biāo)

2 試驗方法

按照《公路工程集料試驗規(guī)程》中的粗集料磨耗試驗(洛杉磯法)對粒徑為16～26.5 mm的玄武巖粗集料進行研磨。將未研磨、研磨500轉(zhuǎn)、研磨1 000轉(zhuǎn)的集料分別命名為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型玄武巖集料，從每類集料中選取粒徑約19 mm的顆粒備用。

在160 ℃下，采用AH-70基質(zhì)瀝青充分包裹篩選出的粒徑為19 mm的Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型集料顆粒表面；待瀝青包裹顆粒在室溫下冷切后再進行水煮試驗和凍融循環(huán)試驗。水煮試驗：將瀝青包裹的集料顆粒懸于微沸水浴中進行不同時長的水煮破壞，基于瀝青包裹顆粒水煮前后干重的變化計算顆粒表面瀝青膜的質(zhì)量損失率，計算式如式(1)所示。凍融循環(huán)試驗：瀝青包裹的集料顆粒在常溫水中充分浸潤后移入-18 ℃冷凍室凍16 h，然后置于室溫、無水環(huán)境下融化24 h(通常凍損試件的融化階段是在60 ℃水浴中完成的，但對于瀝青包裹的集料顆粒，在高溫且有水的環(huán)境下，顆粒表面的瀝青可能會發(fā)生流淌，因此該試驗改變了融化階段的操作條件)。此為一次凍融破壞，按此步驟進行凍融循環(huán)破壞。每進行下一次凍融破壞之前，都再次將瀝青包裹顆粒置于常溫水中充分潤濕。同樣按照式(1)計算集料顆粒表面瀝青膜的質(zhì)量損失率。

(1)

式中,Ml為集料顆粒表面瀝青膜的質(zhì)量損失率，%；m0為集料顆粒的干重，g；m1為瀝青包裹的集料顆粒干重，g；m2則為施加破壞后瀝青包裹的集料顆粒殘余干重，g。

3 結(jié)果與討論

Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型集料顆粒的表面微觀形貌如圖1所示，可見洛杉磯磨耗試驗顯著改變了集料顆粒的微觀紋理特征。未經(jīng)研磨處理的玄武巖顆粒表面紋理粗燥，呈現(xiàn)許多形態(tài)非常清晰的凹凸構(gòu)造；在洛杉磯磨耗儀施加500轉(zhuǎn)的機械研磨后，集料顆粒表面微觀形貌就已經(jīng)發(fā)生了明顯改變，凹凸構(gòu)造明顯減少，粗糙程度下降，表面構(gòu)造朝著平坦化的方向發(fā)展；當(dāng)集料被洛杉磯磨耗儀研磨1 000轉(zhuǎn)后，集料表面形貌的變化則更加顯著，凹凸構(gòu)造幾乎完全消失，表面形貌整體上變得非常平坦。因此，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型集料顆粒表面形貌分別代表了粗燥、半粗糙和平坦三種存在顯著差異的微觀紋理構(gòu)造。

水煮破壞下，三類集料顆粒表面瀝青膜的損失情況如圖2所示，可見隨著水煮時間的延長，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型集料顆粒表面瀝青膜的損失均逐漸增加，說明瀝青包裹的集料顆粒對水煮破壞敏感。在水煮破壞最初的5 min內(nèi)，三類顆粒表面瀝青膜的質(zhì)量損失率快速上升至15%上下波動，比隨后5～10 min以及10～15 min間隔內(nèi)顆粒表面瀝青膜質(zhì)量損失率的變化劇烈得多。這主要是因為采用熱瀝青包裹集料顆粒時，顆粒表面粘附的瀝青膜較厚，表面富余的瀝青往往未充分滴落顆粒就發(fā)生了冷卻，因而存在部分離顆粒表層稍遠的“自由”瀝青，這部分瀝青在熱水作用下首先被剝落。這也能解釋為什么水煮5 min后，Ⅱ型顆粒表面瀝青膜的損失甚至比Ⅲ型顆粒還要大，因為此時的瀝青膜損失完全由“自由”瀝青的量決定，還未涉及到顆粒與瀝青表面的粘附作用。隨著水煮時間的增加，破壞形式也從純?yōu)r青內(nèi)部的粘聚破壞轉(zhuǎn)向瀝青與集料顆粒的粘附破壞，三類顆粒在穩(wěn)定各自表面瀝青膜方面顯現(xiàn)出不同的能力。當(dāng)水煮時間達到15 min時，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型顆粒表面瀝青膜的質(zhì)量損失率分別達到了20%、24%和29%。說明表面微觀紋理越平坦的集料顆粒與瀝青間的粘附作用越弱，難以抵擋長時間的水煮破壞。

凍融循環(huán)試驗結(jié)果整體上與水煮試驗類似，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，三類顆粒表面瀝青膜的質(zhì)量損失率均快速上升，說明瀝青包裹的集料顆粒對凍融循環(huán)破壞也很敏感。但圖3所示的瀝青膜質(zhì)量損失率變化規(guī)律在細節(jié)上又與圖2所示有所不同，凍融試驗結(jié)果表明，在相同凍融循環(huán)次數(shù)下，瀝青膜質(zhì)量損失率的大小關(guān)系與集料顆粒形貌有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，Ⅰ型顆粒表面瀝青膜的損失始終最小，其次是Ⅱ型顆粒，最后是Ⅲ型顆粒。三類顆粒表面包裹的瀝青均是AH-70基質(zhì)瀝青，且瀝青膜內(nèi)部的粘聚破壞具有不確定性，如果凍融破壞以瀝青膜自身的粘聚破壞為主，則瀝青膜質(zhì)量損失率難以呈現(xiàn)出如此有規(guī)律的變化。這說明凍融循環(huán)破壞主要是造成了集料顆粒與瀝青粘附界面的破壞，即以粘附破壞為主。經(jīng)過9次凍融循環(huán)破壞后，Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型顆粒表面瀝青膜的質(zhì)量損失率分別達到了39%、46%和54%，同樣說明表面微觀紋理越平坦的集料顆粒與瀝青間的粘附作用越弱，難以抵擋持續(xù)的凍融循環(huán)破壞。

4 結(jié) 語

該研究分析了玄武巖粗集料微觀形貌對集料—瀝青粘附性能的影響，基于洛杉磯磨耗試驗制備了三類微觀尺度粗糙度存在顯著區(qū)別的玄武巖集料。瀝青包裹的集料顆粒在水煮破壞以及凍融循環(huán)破壞下的表現(xiàn)說明，微觀構(gòu)造越平坦的集料與瀝青間的粘附作用越弱，越難以抵擋水對其粘附界面的破壞。