易昭， 李波， 張建軍， 李鈺， 周家寧 編譯

(1. 蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司 甘肅省公路路網(wǎng)監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070)

水損害是瀝青路面早期病害的主要誘因之一，在動(dòng)水壓力下水浸入瀝青混合料導(dǎo)致其黏結(jié)性能下降，通常表現(xiàn)為路面整體結(jié)構(gòu)的松散和強(qiáng)度的降低[1-2]，而瀝青在集料表面剝落為熱力學(xué)自發(fā)過程[3-4]，只能延緩發(fā)生而不能抑止。在瀝青-集料體系中，Curtis和Prithri[5-6]發(fā)現(xiàn)集料的化學(xué)組分特征是混合料水敏感性的重要影響因素，因此研究集料化學(xué)組成對(duì)評(píng)價(jià)集料瀝青之間黏結(jié)性能具有重要的意義。

目前傳統(tǒng)水煮法[7]對(duì)瀝青-集料體系的黏結(jié)性能已有定性研究，但主觀性較強(qiáng)。為進(jìn)一步對(duì)瀝青與集料的黏結(jié)性能進(jìn)行定量研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度進(jìn)行了大量研究，大致可分為4類[8]：表面能測(cè)試[9]、瀝青剝落評(píng)價(jià)[10]、黏附疲勞評(píng)價(jià)[11]和力學(xué)拉伸試驗(yàn)評(píng)價(jià)[12]等，其中力學(xué)拉脫試驗(yàn)因能夠直觀且真實(shí)反映瀝青與集料之間的黏結(jié)性能而被廣泛運(yùn)用。甘新立[13]采用全自動(dòng)附著力測(cè)試儀對(duì)瀝青與5種集料進(jìn)行附著力的測(cè)定，對(duì)比水煮法試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，附著力試驗(yàn)?zāi)軌蚋訙?zhǔn)確量化體系的黏附性；Nguyen等[14]通過氣動(dòng)附著拉伸試驗(yàn)儀(PATTI)研究有水條件下瀝青與集料體系的黏結(jié)性能；Canestrati等[15]進(jìn)一步改進(jìn)氣動(dòng)附著拉伸試驗(yàn)儀進(jìn)行BBS試驗(yàn)，該試驗(yàn)操作相對(duì)簡(jiǎn)單且便于工程應(yīng)用，現(xiàn)已成為直接測(cè)量瀝青-集料界面黏結(jié)質(zhì)量的常用方法，已正式納入AASHTO標(biāo)準(zhǔn)[16]中，但該方法瀝青膜厚度較大(800 μm)，易發(fā)生黏聚破壞，不利于理解黏結(jié)機(jī)理。對(duì)于集料化學(xué)組成對(duì)瀝青集料體系黏附性影響研究方面，發(fā)現(xiàn)堿性集料相較于酸性集料有更好的黏結(jié)性能[17]，但由于目前集料酸堿性多用SiO2含量進(jìn)行評(píng)定，而部分巖石中可同時(shí)存在SiO2與CaCO3，所以只使用SiO2評(píng)價(jià)的酸堿性并不能充分表述集料的化學(xué)特性。因此對(duì)集料全面的化學(xué)組成分析有助于更好地研究瀝青-集料體系的黏附性能[18]。

為解決上述不足，該文改良千分尺設(shè)備制備瀝青-集料體系試樣，選用3類代表性巖石(石英巖、花崗閃長(zhǎng)巖和蛇紋巖)，在干燥和浸水1 d、3 d、7 d的條件下將試樣進(jìn)行拉拔試驗(yàn)。測(cè)試試樣破壞時(shí)的最大荷載、斷裂功和脫膠面積，分析集料化學(xué)組成與水敏感性的相關(guān)性。以期為研究集料與瀝青體系的黏附性能和水敏感性能提供一種新思路。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料特性

已有研究表明[17]，石料的酸堿性對(duì)瀝青與集料的黏附性能有重要影響，因此選取3種酸堿性不同且具有代表性的石料：石英巖(Qtz)、花崗閃長(zhǎng)巖(Grt)和蛇紋巖(Spt)，巖石表面形貌如圖1所示，其X熒光射線(XRF)化學(xué)組分分析結(jié)果見表1。

圖1 三類巖樣表面形貌(圖像直徑為25 mm)

表1 所選巖石的化學(xué)組成(以氧化物的重量百分比表示) %

其中石英巖具有相對(duì)均勻的礦物組成，幾乎全是石英礦物構(gòu)成，屬于長(zhǎng)英質(zhì)巖，其SiO2含量為98.18%，為強(qiáng)酸性石料；花崗閃長(zhǎng)巖主要由石英(50%)、長(zhǎng)石(35%)和角閃石(15%)組成，屬于長(zhǎng)英質(zhì)巖，其SiO2含量為65.75%，為中性石料；蛇紋巖是由富鎂鐵質(zhì)火成巖通過變質(zhì)作用后得到的產(chǎn)物，主要由橄欖巖和輝石巖組成，屬于富鎂鐵質(zhì)巖，其SiO2含量為28.49%，為堿性石料。

選擇70#基質(zhì)瀝青制備瀝青-集料試樣。

1.2 巖樣制備

試驗(yàn)前將采集的巖石切割成25 mm高的圓柱體，在高精度切割研磨床上使用40 μm的金剛石砂輪進(jìn)行切割并拋光，確保巖樣表面完全光滑且拋光程度相同，以減少人為誤差對(duì)瀝青-集料界面的影響；最后將樣品置于60 ℃的超聲波水浴中浸泡10 min，清除切割和拋光過程中可能留下的雜質(zhì)。

1.3 瀝青/集料界面拉拔試樣(AAS)的制備

為精確控制AAS體系中瀝青薄膜厚度，保證膜的均勻性，自主改進(jìn)千分尺(精度±1 μm)用于制作樣品，如圖2所示。在該千分尺中，一端放置直徑為25 mm的金屬拉頭，該拉頭具有可控制粗糙度促進(jìn)其與瀝青黏附的優(yōu)點(diǎn)，另一端放置相同直徑的巖石樣品。

圖2 用于AAS樣品制備的改進(jìn)型千分尺

具體操作步驟如下：① 將潔凈的金屬拉頭與巖樣置于150 ℃的烘箱中干燥至少30 min以上，同時(shí)稱取1.5 g瀝青加熱至流動(dòng)狀態(tài)；② 在千分尺上安裝金屬拉頭與巖樣，調(diào)整金屬拉頭至與巖樣剛好接觸時(shí)歸零千分尺；③ 將瀝青傾倒于巖樣頂部，如圖3(a)所示，調(diào)整金屬拉頭高度至千分尺刻度盤顯示為20 μm，待整個(gè)AAS樣品冷卻45 min后從千分尺上拆下。由于多余的瀝青可能會(huì)流淌至側(cè)面而影響試驗(yàn)結(jié)果，故試樣冷卻后應(yīng)立即剝?nèi)グ鼛r樣的鋁箔。水處理時(shí)將試樣倒置放置水中，并在試樣底部連接與巖樣相同質(zhì)量的配重[圖3(b)]，以避免因?yàn)r青蠕變而導(dǎo)致的瀝青膜厚度變化。

圖3 AAS樣品制備

1.4 拉拔試驗(yàn)

拉拔試驗(yàn)使用液壓機(jī)在加載速率10 mm/min控制位移條件下對(duì)AAS試樣施加拉力直至拉伸破壞。為獲取加載數(shù)據(jù)，需在液壓機(jī)上裝一組附件，如圖4所示，使用Omega LC201-300測(cè)壓元件，記錄每0.1 s采集一次的載荷N與時(shí)間t數(shù)據(jù)，以得到破壞時(shí)的最大荷載Fmax和斷裂功Wf(即受力面積/時(shí)間曲線)。

圖4 試驗(yàn)測(cè)試附件

黏結(jié)破壞可分為以下兩種情況：① 在瀝青-集料界面處發(fā)生的黏附破壞，破壞時(shí)在巖樣表面未觀察到瀝青殘留；② 發(fā)生在瀝青內(nèi)部的黏聚破壞，破壞時(shí)瀝青依舊覆蓋在巖樣表面上。而實(shí)際上黏結(jié)破壞形式較為復(fù)雜，既不是完全黏附破壞也不是完全黏聚破壞，因此該研究借助ImageJ軟件采集并計(jì)算了巖石試樣表面的脫膠面積(A)。

2 結(jié)果和討論

2.1 AAS樣品的力學(xué)性能

荷載與位移的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出：曲線最高點(diǎn)即為AAS試樣破壞時(shí)的最大荷載Fmax，荷載位移曲線下方面積即為破裂功Wf。將3類AAS試樣的拉拔試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)并處理之后繪制成圖，如圖6所示。

注：Qtz-0-1、Qtz-0-2、Qtz-0-3表示Qtz試樣浸水0 d(干燥條件)的3組重復(fù)試驗(yàn)。

由圖6可知：Qtz巖樣的Fmax和Wf值在浸水3 d下降較多，3 d后無(wú)顯著變化，說明其AAS試樣在浸水條件下將迅速產(chǎn)生水損害現(xiàn)象，界面處的黏結(jié)力幾乎喪失；Grt巖樣的Fmax和Wf值在浸水3 d的條件下相比于Qtz巖樣呈現(xiàn)類似趨勢(shì)，其力學(xué)性能衰減較小且速率較為緩慢，表明Grt巖樣比Qtz巖樣呈現(xiàn)出更好的抗水損害能力；在整個(gè)浸水過程中，Spt試樣力學(xué)性能的衰減大部分發(fā)生在浸水第1天，且下降最小，浸水7 d后力學(xué)性能下降最少。

圖6 3類巖樣的最大破壞荷載Fmax和破裂功Wf值隨水處理時(shí)間的變化

對(duì)于干燥試樣，3類AAS樣品破壞時(shí)的最大荷載Fmax值由高到低分別是Qtz>Grt>Spt，而經(jīng)浸水7 d的試樣最大荷載則相反，由高到低為Spt>Grt>Qtz。從瀝青集料界面的力學(xué)性能來(lái)看，Qtz試樣在干燥條件下的黏附性能較好，而Spt的抗水損害性能較好。通過Wf分析可得到相同的結(jié)果，但對(duì)于干燥樣品，Wf數(shù)據(jù)變異性較大。因此，該文采用Fmax來(lái)評(píng)估瀝青-集料體系的黏附性能。

3類巖樣的Fmax百分比損失隨浸水時(shí)間的關(guān)系如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過7 d浸水后，Qtz、Grt和Spt樣品的Fmax值分別下降了80.6%、48.7%和39.9%。從巖性分析，巖石化學(xué)成分由長(zhǎng)英質(zhì)向鎂鐵質(zhì)轉(zhuǎn)變，水敏感性隨之降低，因此，Qtz水敏感性最高，Spt水敏感性最低。

圖7 不同巖樣的Fmax百分比損失

2.2 脫膠面積A

借助ImageJ軟件測(cè)量拉拔試驗(yàn)后巖樣表面的脫膠面積(A)，結(jié)果見表2。其中，參數(shù)“增長(zhǎng)百分比”指水處理后的試樣在破壞后，巖樣表面脫膠面積增加的百分比。由于在AAS試樣中水的浸入降低了瀝青與集料體系的黏結(jié)力，對(duì)界面造成不同程度的破壞，為研究AAS試樣的水敏感性應(yīng)對(duì)界面破壞的方式進(jìn)行探究，隨著浸水時(shí)間變化界面的破壞情況如圖8所示。

表2 拉拔試驗(yàn)后不同試樣A測(cè)量結(jié)果

由圖8可以看出：干燥條件下，3類AAS試樣中Spt是唯一呈現(xiàn)完全黏聚破壞的試樣，而在浸水條件下，Qtz的脫膠面積均在80%以上，而Spt脫膠面積始終小于3%。從化學(xué)組成上分析，由長(zhǎng)英質(zhì)礦物組成的Qtz更易受到水損害的影響，而由富鎂鐵質(zhì)礦物組成的Spt則相反，浸水后黏附破壞面積很小。

圖8 3類巖樣隨浸水時(shí)間增加的破壞圖

而Grt巖樣的破壞形式處于Spt和Qtz二者之間，這主要是與其非均質(zhì)巖性由長(zhǎng)英質(zhì)和鎂鐵質(zhì)礦物共同作用有關(guān)，如圖9所示，巖石表面的殘余瀝青大部分位于黑色的鎂鐵質(zhì)角閃巖礦物上，白色的長(zhǎng)英質(zhì)礦物石英和斜長(zhǎng)石礦物上幾乎沒有，導(dǎo)致這種巖性的A變異性比其他巖性高。

圖9 經(jīng)過3 d的浸水后放大35倍的Grt樣品

3類巖石隨水處理時(shí)間變化，脫膠面積變化情況如圖10所示。浸水條件下，3類巖石相對(duì)干燥時(shí)的脫膠面積A變化情況如圖11所示。

圖10 3類巖石水處理時(shí)間與脫膠面積關(guān)系

圖11 浸水條件下3類巖石相對(duì)干燥時(shí)的A變化

結(jié)合圖6與圖11可以發(fā)現(xiàn)：在干燥條件下，Qtz試樣和Grt試樣相較于Spt試樣在更高的荷載下發(fā)生了破壞，隨著浸水時(shí)間的增加，3類試樣的Fmax都有降低的趨勢(shì)，最終表現(xiàn)為相反的狀態(tài)(即Spt試樣浸水7 d后的Fmax最大)，這說明了水的存在劣化了AAS試樣內(nèi)的黏附鍵[19-20]。在這趨勢(shì)下，3類試樣的A一致增加，而其中Spt試樣的A卻幾乎保持為零(即為黏聚破壞)，與另外兩類不同，究其原因，這是由于瀝青與各個(gè)巖石發(fā)生化學(xué)交互作用導(dǎo)致凝聚強(qiáng)度變化。且有研究表明礦粉類型的不同及填料間的交互作用都會(huì)影響瀝青膠漿的勁度[21-22]。

2.3 結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析

為了驗(yàn)證所得結(jié)果，該文采用單因素方差分析檢驗(yàn)，取顯著水平α為0.05，提出4個(gè)不同的假設(shè)是：① 浸水7 d的Fmax； ② 干燥條件下的Fmax；③ 浸水7 d的A；④ 浸水7 d的Fmax與干燥條件下的平均Fmax的差值，以上條件都與巖性相關(guān)，

這4個(gè)假設(shè)的方差分析結(jié)果如表3所示，概率值(P-value)遠(yuǎn)低于0.05，說明所有的測(cè)試假設(shè)都與巖性相關(guān)。這有助于進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的瀝青-集料體系水損害評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置以及巖性對(duì)瀝青-集料體系水敏感性的影響結(jié)果。

表3 不同參數(shù)的單因素方差分析結(jié)果

2.4 集料化學(xué)組成的關(guān)系

根據(jù)破壞時(shí)最大荷載(Fmax)和脫膠面積(A)的相對(duì)變化，選取了兩種不同的水損害指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)：①如式(1)所示，表示瀝青-集料界面力學(xué)性能降低的程度和速率；② 如式(2)所示，表示水處理后黏附鍵劣化的程度和速率。浸水條件下，由于Fmax的損失和A隨著黏附鍵劣化程度的增加而增加，導(dǎo)致指標(biāo)隨之增加，瀝青集料體系就更容易水損害。這些指標(biāo)不僅充分考慮了水損害的程度，而且還考慮了水損害增加的速度。

(1)

(2)

通過結(jié)合巖樣化學(xué)組成與以上兩個(gè)水損害指標(biāo)分析，對(duì)所有巖樣進(jìn)行皮爾森相關(guān)系數(shù)構(gòu)造，用以確定水損害指標(biāo)與各類氧化物的含量是否存在線性關(guān)系，評(píng)價(jià)各個(gè)參數(shù)之間的相關(guān)性。

(3)

式中：COV(x,y)為數(shù)據(jù)之間的協(xié)方差(x為其中一個(gè)指標(biāo)，y為表1中具體的氧化物)；σx和σy分別為x和y數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

皮爾森相關(guān)系數(shù)值1:正相關(guān)；-1:負(fù)相關(guān)；0:不相關(guān)。

皮爾森相關(guān)系數(shù)結(jié)果如圖12所示，兩個(gè)指標(biāo)與SiO2呈強(qiáng)正相關(guān)，與Al2O3、Fe2O3、MnO、MgO、SO3、Cr2O3、NiO呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)。這說明SiO2的存在促進(jìn)了水損害，而Al2O3、Fe2O3、MnO、MgO、SO3、Cr2O3和NiO的存在抑制該現(xiàn)象發(fā)生。其他常見的長(zhǎng)英質(zhì)礦物的氧化物(CaO和Na2O)與所提出的指標(biāo)不相關(guān)。由此可知：巖石的化學(xué)組成在水損害現(xiàn)象中起著重要作用，且不只與SiO2有關(guān)。

圖12 水損害指標(biāo)與3種巖石所含氧化物的皮爾森相關(guān)系數(shù)

對(duì)于皮爾森系數(shù)，力學(xué)指標(biāo)和黏附破壞指標(biāo)得出了幾乎相同的結(jié)果，這表明了它們之間存在一定的相關(guān)性。因此，瀝青-集料界面的力學(xué)性能的損失通常與瀝青-集料界面間黏附鍵的劣化有關(guān)。

3 結(jié)論

(1) 從礦物組成上看，鎂鐵質(zhì)礦物組成的巖石(即蛇紋巖)比長(zhǎng)英類礦物組成的巖石(即石英巖和花崗閃長(zhǎng)巖)具有更好的抗水損害能力。

(2) 從化學(xué)組成上看，Al2O3、Fe2O3、MnO、MgO等氧化物具有抗水損害性能，而SiO2會(huì)促進(jìn)水損害的發(fā)生。

(3) 干燥條件下Fmax值、浸水7 d后的Fmax值，以及浸水7 d后的A這三類值隨著巖石的主要礦物組成從鎂鐵質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)英質(zhì)而增加。

(4) 通過拉拔試驗(yàn)和圖像處理分析得到的力學(xué)指標(biāo)和黏附性指標(biāo)具有良好的相關(guān)性，結(jié)合完整的巖石化學(xué)組分分析，有助于選擇集料的種類和評(píng)價(jià)集料-瀝青體系的抗水損害能力。