高 林，成 鋼，董 彪

（河南中檢工程檢測(cè)有限公司,河南鄭州450000）

通常熱拌瀝青混合料所用的集料為石灰?guī)r、玄武巖等堿性或中性集料,它們與瀝青的粘附性好,不易剝落。而集料是不可再生資源,隨著近幾年我國(guó)公路事業(yè)的快速發(fā)展,石灰?guī)r和玄武巖的存儲(chǔ)量越來(lái)越少。同時(shí),堿性或中性集料在我國(guó)的分布極不平衡,如我國(guó)的內(nèi)蒙古、山西、廣東、廣西等地區(qū),石灰?guī)r、玄武巖等集料嚴(yán)重缺乏,給當(dāng)?shù)氐墓方ㄔO(shè)帶來(lái)極大的不便。從外地購(gòu)置集料,會(huì)因長(zhǎng)途運(yùn)輸而增加額外成本,不符合我國(guó)的可持續(xù)和節(jié)約型發(fā)展的基本理念。酸性集料如花崗巖在我國(guó)儲(chǔ)量豐富,而且堅(jiān)硬、致密、耐磨性強(qiáng),能充分發(fā)揮集料間的嵌擠作用,但是與瀝青的粘附性不好,容易在水的作用下造成瀝青脫落,導(dǎo)致瀝青路面水損害的發(fā)生[1-2]。而國(guó)內(nèi)外常用的改善瀝青與酸性集料的粘附性的方法主要有：1）在瀝青中摻加液體抗剝落劑[3-4],但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于液體抗剝落劑比重小于瀝青,通常會(huì)造成剝落劑摻合不均勻,影響實(shí)際使用效果[5]；2）利用石灰或水泥替換部分填料[6-11],但石灰或水泥并沒(méi)有直接作用于集料表面,其對(duì)粘附性的改善效果有限,同時(shí)由于石灰或水泥的加入增加了瀝青的用量,提升了成本。如果能研究出一種實(shí)用且利于推廣的酸性集料處理技術(shù),不僅能充分發(fā)揮酸性集料良好的物理力學(xué)性能,而且能夠解決路面優(yōu)質(zhì)集料短缺的問(wèn)題,降低工程建設(shè)成本,具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

基于此,本文針對(duì)酸性集料的特點(diǎn),采用水泥漿液裹附酸性集料（acid aggregate coated with cement,簡(jiǎn)稱(chēng)CCA集料）改善其與瀝青的粘附性能,并對(duì)酸性集料和瀝青混合料進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)驗(yàn)[12-15],研究水泥對(duì)酸性集料及混合料性能的作用效果,為CCA瀝青混合料的使用推薦合理參數(shù)。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

（1）集料

試驗(yàn)中粗細(xì)集料的物理性質(zhì)、力學(xué)性能均滿(mǎn)足規(guī)范要求,其中9.5～19 mm粒徑集料為玄武巖、花崗巖,其他粒徑集料為玄武巖。玄武巖、花崗巖的SiO2含量見(jiàn)表1。

表1 粗集料SiO2含量Table 1 SiO2 content of coarse aggregate

（2）水泥

采用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,其技術(shù)要求見(jiàn)表2。

表2 水泥技術(shù)要求Table 2 Cement technical requirements

瀝青采用A級(jí)110號(hào)道路石油瀝青,礦粉為石灰石礦粉,瀝青與礦粉的技術(shù)要求均符合現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)要求。

1.2 試驗(yàn)方案

（1）CCA集料的制備

首先將水泥與水混合制備足量水泥漿液,然后將粒徑為9.5～19 mm花崗巖10kg投入水泥漿液中低速攪拌120s,攪拌結(jié)束后,通過(guò)4.75mm篩瀝去多余水泥漿液,馬上分散撒布在托盤(pán)中,在室溫下養(yǎng)生72±3 h,養(yǎng)生期間應(yīng)保持環(huán)境濕度在95%以上,并經(jīng)常翻動(dòng)避免水泥裹附集料成團(tuán)結(jié)塊。試驗(yàn)中采用不同水灰比水泥漿液制備CCA集料,其中水灰比分別為1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4,其他試驗(yàn)條件保持不變。

（2）最優(yōu)水灰比確定

將不同水灰比的CCA集料分別進(jìn)行洛杉磯磨耗試驗(yàn)、高溫壓碎值試驗(yàn)、高溫滾筒跌落試驗(yàn)、粘附性試驗(yàn),并對(duì)比分析集料的表觀狀況和力學(xué)性能,確定水泥漿液最優(yōu)水灰比。

其中,高溫壓碎值試驗(yàn)可以研究CCA集料在高溫狀態(tài)下抵抗壓力的狀況。

高溫跌落試驗(yàn)可以模擬CCA集料在拌合樓中拌和時(shí)的跌落損失狀況：加熱集料至180℃,稱(chēng)取試驗(yàn)用CCA集料m0(g),將其從1.5m高度處自由下落,顆料不能丟失（下面放置收集筒,讓集料跌落至收集筒內(nèi)）,集料互相跌落碰撞,重復(fù)跌落30次,用2.36mm篩除細(xì)顆粒,稱(chēng)取篩上重量m1,計(jì)算質(zhì)量損失率。

粘附性試驗(yàn)分別采用不同水灰比的CCA集料、高溫跌落后CCA集料以及摻加抗剝落劑的酸性集料綜合對(duì)比分析。

（3）瀝青混合料性能分析

瀝青混合料級(jí)配為AC-20型,其中9.5～19 mm粒徑礦料分為酸性集料（花崗巖）、CCA集料和堿性集料（玄武巖）,其他粒徑礦料為玄武巖礦料,填料為石灰質(zhì)礦粉。分別制備三種不同集料的瀝青混合料,并對(duì)混合料進(jìn)行力學(xué)性能、水穩(wěn)定性能、高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能分析,研究三種混合料的相關(guān)性能,對(duì)CCA集料瀝青混合料進(jìn)行評(píng)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 集料性能分析

(1)洛杉磯磨耗試驗(yàn)

洛杉磯磨耗試驗(yàn)結(jié)果能夠表征集料的抗磨耗性能,洛杉磯磨耗值越大表明集料的抗磨耗性能越差。不同水灰比CCA集料的洛杉磯磨耗值試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示（水灰比為0表示該組試驗(yàn)未裹附水泥漿）。

圖1 水灰比對(duì)CCA集料洛杉磯磨耗值的影響Fig.1 Effect of water-cement ratio on LA abrasion value for CCA aggregate

由圖1可知：CCA集料磨耗值隨著水灰比的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),其磨耗值均大于未裹附水泥漿的集料,即抗磨耗性能低于原狀集料（未裹附水泥漿液）,但不同水灰比CCA集料的磨耗值均低于28%,滿(mǎn)足規(guī)范要求。試驗(yàn)后對(duì)其進(jìn)行表觀觀察,CCA集料均存在不同程度的水泥殼脫落現(xiàn)象,但集料本身并未發(fā)現(xiàn)過(guò)度磨耗,水灰比為0.6、0.7的CCA集料抗磨耗性能較好,比原狀集料降低約0.5%；水灰比為0.4、0.5的CCA集料因水泥殼變厚、不均勻性大,經(jīng)摩擦撞擊后脫落現(xiàn)象較明顯。其主要原因是酸性集料裹附水泥漿液后,由于水泥殼的強(qiáng)度比集料自身強(qiáng)度低,經(jīng)摩擦、撞擊后,CCA集料表面形成的水泥殼脫落。

（2）高溫壓碎值試驗(yàn)

集料壓碎值試驗(yàn)是衡量集料力學(xué)性能的指標(biāo)之一,壓碎值是按規(guī)定試驗(yàn)方法測(cè)得的被壓碎碎屑的重量與試樣總重量之比,以百分?jǐn)?shù)表示,壓碎值越大表明集料的力學(xué)性能越差。不同水灰比CCA集料在不同溫度條件下的壓碎值如圖2所示（水灰比為0表示該組試驗(yàn)未裹附水泥漿）。

圖2 水灰比對(duì)CCA集料壓碎值的影響Fig.2 Effect of water-cement ratio on crush value for CCA aggregate

由圖2可知：在相同溫度條件下不同水灰比CCA集料壓碎值隨水灰比的增加呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì),且CCA集料壓碎值均低于26%,滿(mǎn)足規(guī)范要求。不同溫度狀態(tài)下,相同水灰比CCA集料壓碎值沒(méi)有明顯規(guī)律,表明溫度對(duì)于集料的壓碎值結(jié)果影響不大。隨著水泥漿濃度的增加,CCA集料的抗壓碎能力趨于原石的壓碎值水平,水泥的裹附并沒(méi)有提高碎石的抗壓碎能力,反而在水灰比為0.9、1.0時(shí),因水泥殼易脫落,導(dǎo)致壓碎值偏大。

（3）高溫滾筒跌落試驗(yàn)

高溫跌落試驗(yàn)為模擬集料在拌合樓拌和過(guò)程中集料與拌合倉(cāng)碰撞引起的質(zhì)量損失,以百分?jǐn)?shù)表示。跌落損失率越大表明在拌和過(guò)程中集料受損現(xiàn)象越嚴(yán)重。不同水灰比CCA集料的跌落損失率如圖3所示（水灰比為0表示該組試驗(yàn)未裹附水泥漿）。

圖3 水灰比對(duì)CCA集料高溫跌落值的影響Fig.3 Effect of water-cement ratio on high temperature drop value for CCA aggregate

由圖3可知：不同水灰比CCA集料高溫跌落值隨著水灰比的增大,呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),水灰比為0.6時(shí)跌落損失率最小為0.4%。試驗(yàn)后對(duì)其進(jìn)行表觀觀察,水泥殼存在局部脫落現(xiàn)象,集料本身未發(fā)現(xiàn)過(guò)度損傷。主要原因是水泥漿液裹附集料表面形成水泥殼,水泥殼強(qiáng)度不足導(dǎo)致?lián)p失率增大。

（4）粘附性試驗(yàn)

粘附性試驗(yàn)?zāi)軌虮碚骷吓c瀝青的粘附性能,粘附性結(jié)果分為5級(jí),根據(jù)受水作用后產(chǎn)生剝落的程度,用以判斷瀝青與集料表面的粘附性能。粘附性等級(jí)越低表明瀝青與集料的粘附性越差。不同水灰比CCA集料的粘附性結(jié)果見(jiàn)表3（水灰比為0表示該組試驗(yàn)未裹附水泥漿）。

表3 粘附性試驗(yàn)結(jié)果(級(jí))Table 3 Adhesion test results

由表3數(shù)據(jù)可知：未裹附水泥漿液的酸性集料其粘附性較差,即使加入抗剝落劑后其粘附性仍未達(dá)到5級(jí)。而被水泥漿液裹附后,酸性集料與瀝青的粘附性得到了大幅度提升,但是隨著水泥漿液稠度的增高粘附性又呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。主要原因是當(dāng)水灰比較大時(shí),水泥漿液的裹附改善了集料表面的酸堿性,使得粘附性能改善。但水灰比較小時(shí),水泥漿液稠度增加,會(huì)導(dǎo)致水泥殼變厚,在進(jìn)行粘附性水煮試驗(yàn)時(shí)外層水泥殼出現(xiàn)掉落從而影響集料粘附性能。

綜合對(duì)比CCA集料磨耗值、壓碎值、高溫跌落損失值以及粘附性試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)水泥漿液對(duì)集料力學(xué)性能并未有較好的改善效果,當(dāng)水灰比過(guò)大時(shí)會(huì)引起集料裹附水泥殼過(guò)厚從而導(dǎo)致磨耗值、壓碎值、高溫跌落損失值的升高。但是水泥漿液能夠很好地改善酸性集料的粘附性能。綜合考慮CCA集料的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性,確定最佳水泥漿水灰比為0.6。

2.2 混合料性能分析

瀝青混合料級(jí)配采用AC-20型,其中9.5～19 mm粒徑礦料分別為酸性集料（花崗巖）、CCA集料和堿性集料（玄武巖）,其它粒徑礦料為玄武巖,礦粉為石灰?guī)r礦粉。通過(guò)馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)確定三種瀝青混合料最佳油石比分別為4.6%、4.7%、4.7%。根據(jù)瀝青混合料油石比調(diào)整原則,同時(shí)為減少試驗(yàn)過(guò)程中的變量,三種瀝青混合料統(tǒng)一采用4.7%油石比進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

（1）力學(xué)性能

瀝青混合料力學(xué)性能測(cè)試采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn),三種混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Marshall stability test results

由圖4可知：酸性混合料馬歇爾穩(wěn)定度較低,不滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度大于7.5kN的規(guī)定；當(dāng)水泥裹附酸性集料表面后,馬歇爾穩(wěn)定度得到了大幅度提升,強(qiáng)度上升85%,達(dá)到11.99kN,與堿性混合料馬歇爾穩(wěn)定度相比差別不大。表明水泥漿液裹附能夠改善酸性混合料的強(qiáng)度。

（2）高溫穩(wěn)定性能

瀝青混合料高溫穩(wěn)定性測(cè)試采用車(chē)轍試驗(yàn),三種混合料高溫車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果（60℃）Fig.5 Rutting test results（60℃）

由圖5可知：酸性混合料動(dòng)穩(wěn)定度較低為888次/mm,當(dāng)酸性集料裹附水泥漿液后,瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度得到大幅度提升,動(dòng)穩(wěn)定度上升130%,達(dá)到2052次/mm,與堿性混合料動(dòng)穩(wěn)定度相比差別不大。表明水泥漿液裹附能夠改善酸性瀝青混合料的抗車(chē)轍能力。

（3）水穩(wěn)定性能

采用凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)三種瀝青混合料的水穩(wěn)定性能,試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 水穩(wěn)定性能試驗(yàn)結(jié)果Fig. 6 Water stability test results

由圖6可知：酸性混合料殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均低于規(guī)范要求值；當(dāng)酸性集料裹附水泥漿液后,混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂殘留強(qiáng)度比均得到了大幅度提升,其中殘留穩(wěn)定度上升54%,凍融劈裂殘留強(qiáng)度比上升52%,分別達(dá)到88.3%和78.8%,與堿性混合料水穩(wěn)定性能相比差別不大。表明水泥漿液裹附能夠改善酸性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

（4）低溫穩(wěn)定性能

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)三種瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行測(cè)試,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Low temperature beam test results

由表4數(shù)據(jù)可知：酸性混合料勁度模量較低；當(dāng)水泥裹附酸性集料表面后,彎曲勁度模量得到了提升,上升24%,達(dá)到585MPa,與堿性混合料相比差別不大。表明水泥漿液裹附能夠改善酸性混合料的低溫抗裂性能。主要原因是水泥漿液改善了瀝青與酸性集料的粘附性能,瀝青與集料的粘聚力增強(qiáng),從而提升了瀝青混合料的低溫抗裂性能。

3 結(jié)論

（1）水泥漿液裹附酸性集料后,對(duì)集料力學(xué)性能并未有較好的改善效果,但是能夠很好地改善酸性集料與瀝青的黏附性能,綜合對(duì)比不同水灰比CCA集料磨耗值、壓碎值、高溫跌落損失值等力學(xué)性能,與瀝青粘附性和經(jīng)濟(jì)性,確定最佳水灰比為0.6。

（2）水泥漿液裹附酸性集料能夠提升瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度85%、動(dòng)穩(wěn)定度130%、殘留穩(wěn)定度54%和殘留強(qiáng)度比52%、低溫彎曲勁度模量24%,與堿性集料混合料測(cè)定結(jié)果相當(dāng),表明用水泥裹附酸性集料可以改善與瀝青的粘附性。

（3）水泥裹附酸性集料能夠大幅度提升與瀝青的粘附性能,同時(shí)能夠改善酸性集料瀝青混合料的力學(xué)性能、水穩(wěn)定性能。且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中僅需利用現(xiàn)有攪拌設(shè)備生產(chǎn),投入資金少,生產(chǎn)效率高,利于大范圍推廣。