王 強(qiáng),郭曉剛,郝培文,苗 瑞

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司第六工程分公司,湖北 武漢 430014; 2.長安大學(xué)公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 3.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院,上海 200240)

0 引言

方解石是我國最常見的天然碳酸鈣礦物,其集合體多表現(xiàn)為簇形的晶體狀,敲擊可得方形碎塊,因此稱為方解石,是石灰?guī)r的主要成分(50%以上)。石灰?guī)r簡(jiǎn)稱灰?guī)r,屬于碳酸鹽巖,是常用的路面材料之一,其作為典型的堿性石料被認(rèn)為雖然強(qiáng)度較玄武巖低,但與瀝青黏附性更好,具有一定的水穩(wěn)定性,能預(yù)防早期水損害,可作為路面面層材料[1-4]。道路建設(shè)中遵循就地取材的施工原則,在缺少優(yōu)質(zhì)玄武巖的情況下,分布廣泛的石灰?guī)r常被建議在路面各層結(jié)構(gòu)中使用,甚至在有水的環(huán)境中,如排水路面中的下面層[5-6]。

但近年研究發(fā)現(xiàn),含有較多方解石的石灰?guī)r并不具有一般石灰?guī)r在路面施工中的適用性,其可能會(huì)損害瀝青混凝土路面的性能。有觀點(diǎn)認(rèn)為,方解石遇熱易崩解,會(huì)降低與瀝青的黏附性,使瀝青逐漸剝落,造成早期坑槽等路面水損害問題[7]?！墩憬「咚俟窞r青路面規(guī)范化施工與質(zhì)量管理指導(dǎo)意見(2007年修訂版)》中認(rèn)為,方解石屬于軟石類,其含量應(yīng)不大于集料的10%[8]。更有學(xué)者認(rèn)為方解石超過集料的5%時(shí),集料的壓碎值會(huì)受到極大影響[9]。

譚巍[10]調(diào)研了我國南方某地的石灰?guī)r,認(rèn)為硅化物含量較高、方解石含量較少的石灰?guī)r具有更好的強(qiáng)度性能。Cui等[11]使用分子動(dòng)力模擬研究發(fā)現(xiàn),方解石集料在遇水浸潤作用下會(huì)極大地降低瀝青與集料的黏附性,破壞集料與瀝青間的微觀結(jié)構(gòu)。且在CO2與咸水的作用下,石灰石中的方解石會(huì)在節(jié)里處和晶面位置產(chǎn)生溶解現(xiàn)象[12]。Har等[13]對(duì)瀝青混合料中游離的方解石進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)其在酸性環(huán)境中易被溶蝕,且也會(huì)受硫酸根巖石的影響。同時(shí),含方解石集料特殊的菱角性與表面的粗糙度、空隙形狀等在混合料中對(duì)與瀝青間黏附性的影響可能遠(yuǎn)大于瀝青與巖性的作用[14-16]。

但有學(xué)者提出不同觀點(diǎn)。楊濤等[17]對(duì)凝灰?guī)r的瀝青混凝土進(jìn)行了水穩(wěn)定性試驗(yàn)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)方解石含量的提高,會(huì)增強(qiáng)其耐高溫、耐低溫及水穩(wěn)性能[18]。對(duì)含有方解石的石灰?guī)r進(jìn)行180℃壓碎值試驗(yàn),其強(qiáng)度沒有弱化。Lu等[19]通過分子動(dòng)力模擬計(jì)算干濕狀態(tài)下界面黏結(jié)功,發(fā)現(xiàn)碳酸鈣分子與瀝青的水穩(wěn)定性要好于氧化硅分子。Feng等[20]對(duì)高方解石含量(99%)的石灰?guī)r表面紋理、巖性、黏附等級(jí)及與瀝青的界面強(qiáng)度等進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)其具有相當(dāng)好的性能表現(xiàn)。甚至在瀝青老化后,石灰?guī)r與瀝青的黏附性能也好于相同條件下的硅酸巖類[21]。這種矛盾可能是當(dāng)前瀝青混凝土路面中石料評(píng)價(jià)體系不完善造成的。Guo等[22]認(rèn)為,傳統(tǒng)路用石料的巖性分類方法中按照二氧化硅的含量來劃分是不合理的,這種方法不能充分表征集料內(nèi)部的組分,無法判斷集料本身的強(qiáng)度及其與瀝青的黏附性。這使對(duì)這類石料的長、短期抗水損害,抗剝落性能的評(píng)價(jià)不足,使生產(chǎn)和施工缺乏依據(jù),致使部分公路瀝青混凝土路面在通車早期就發(fā)生了大面積的坑槽、破損、推移等病害[23]。而公路設(shè)計(jì)、施工規(guī)范未對(duì)石灰?guī)r的巖性進(jìn)行再次細(xì)分,沒有給出試驗(yàn)與評(píng)價(jià)的方法[24-25]。在不同氣候區(qū)域,溫差大小的不同,導(dǎo)致了集料對(duì)瀝青混凝土水穩(wěn)定性影響的顯著性[26]。且由于室內(nèi)試驗(yàn)假設(shè)條件的限制,使不同研究人員得出的結(jié)論不同。

通過上述結(jié)論可知,含有方解石的瀝青混凝土在實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)較好,但在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研中的實(shí)際表現(xiàn)較差,且存在被水侵蝕的可能。目前室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)情況是脫節(jié)的,室內(nèi)試驗(yàn)不能有效評(píng)價(jià)方解石對(duì)瀝青混凝土的影響,尤其是水穩(wěn)定性。雖其分子在初期與瀝青產(chǎn)生了較好的黏結(jié),在理想試驗(yàn)環(huán)境中表現(xiàn)出較好的性能,但其與現(xiàn)場(chǎng)差異較大,室內(nèi)模擬凍融過程不能全面再現(xiàn)實(shí)際路面劣化過程。方解石在瀝青混凝土中受到水的凍融作用的劣化機(jī)理仍不清晰。

為研究方解石在現(xiàn)場(chǎng)瀝青混凝土劣化過程中的作用和機(jī)理,解決室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)情況關(guān)聯(lián)性差的問題,本文設(shè)計(jì)了自然條件下的足尺寸凍融循環(huán)試驗(yàn)。通用對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)方法,經(jīng)過2個(gè)自然凍融季節(jié)后,對(duì)含具有不同性質(zhì)集料A,B,C的瀝青混合料A,B,C路面性能進(jìn)行水穩(wěn)定性及強(qiáng)度的試驗(yàn),對(duì)比多種不同巖性集料在同等試驗(yàn)條件下對(duì)混合料的性能影響,從而獲得方解石在瀝青路面中發(fā)生破壞的機(jī)理與過程,進(jìn)一步完善含有方解石的瀝青混凝土性能評(píng)價(jià)方法,為優(yōu)化和控制瀝青混合集料中方解石成分提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法

為判斷含有方解石的瀝青混凝土路面在自然凍融條件下的性能下降過程,試驗(yàn)依托于足尺寸加速加載環(huán)道試驗(yàn),在首年秋季攤鋪了瀝青混凝土路面,通過封閉交通,使路面在不受干擾的情況下經(jīng)受2年的自然凍融過程。采集路面性能下降過程中的信息,通過使用劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)和提取試驗(yàn)(包括集料的級(jí)配、巖性測(cè)試、瀝青含量、針入度、軟化點(diǎn)、延度試驗(yàn)等),分析自然凍融前后的瀝青混凝土材料性能變化,對(duì)比實(shí)驗(yàn)室內(nèi)劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)結(jié)果,再通過對(duì)比參照試驗(yàn),得出含有方解石的瀝青混凝土在實(shí)際路面中的性能劣化機(jī)理。

根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍鉁赜涗?按月平均低溫降低到 0℃ 及以下開始計(jì)算凍融季節(jié),至平均低溫高于0℃以上為止,經(jīng)歷2年的凍融季節(jié)氣溫變化如圖1所示。由圖1可知,2個(gè)凍融季節(jié)的氣溫變化情況基本一致,凍融季節(jié)均處于11月至來年3月。

圖1 經(jīng)歷2年的凍融季節(jié)氣溫變化Fig.1 Temperature changes in freeze-thaw season after 2 years

1.2 集料的選擇

試驗(yàn)評(píng)價(jià)的集料選取了結(jié)晶灰?guī)r(集料C),其為典型的堿性集料,方解石成分含量達(dá)到80%以上。試驗(yàn)中還分別對(duì)比了中性(集料A)和酸性石料(集料C)。按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》的試驗(yàn)操作方法,詳細(xì)巖性分析如下。

1)集料A 斜長角閃巖,礦物成分主要為中性,其中含角閃石82%～84%,斜長石、少量石英14%～16%,榍石、簾石、少量不透明礦物1%～3%。

2)集料B 角閃片巖,礦物成分偏酸性,其中含角閃石、輝石77%～79%,斜長石、少量石英16%～18%,榍石、簾石、碳酸鹽、不透明礦物、磷灰石等4%～6%。

3)集料C(目標(biāo)集料) 結(jié)晶灰?guī)r,礦物成分主要為堿性,其中含方解石89%～91%,石英5%～7%,透閃石、透輝石3%～5%,少量不透明礦物等。

3種集料的基礎(chǔ)物理性能指標(biāo)如表1所示。

表1 原材料中3種集料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of three kinds of aggregates in raw materials

由表1可知,3種集料均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求,為進(jìn)行更好的比較,選取壓碎值接近集料C而堅(jiān)固性更好的集料A,和堅(jiān)固性接近于集料C而壓碎值表現(xiàn)較好的集料B,以考察各基礎(chǔ)指標(biāo)的重要性。

1.3 瀝青的選取

按照Superpave的方法設(shè)計(jì)級(jí)配,采用SBS改性瀝青,通過正交試驗(yàn)確定最終級(jí)配與最佳油石比,混合料級(jí)配曲線如圖2所示?；旌狭螦,B,C的最佳油石比分別為4.6%,4.5%,4.6%。

圖2 混合料A,B,C的級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of mixture A, B and C

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 自然凍融前混合料性能試驗(yàn)

凍融前首先測(cè)試了配制好的3種混合料性能,如表2所示,均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

表2 凍融前混合料性能Table 2 Performance of mixture before freezing and thawing

由表2可知,集料C雖堅(jiān)固性質(zhì)量損失率比集料A高6.2%,但其凍融劈裂強(qiáng)度并未受到影響,3組樣品性能基本一致,這說明混合料C在實(shí)驗(yàn)室條件下具有一定的抗凍融能力。雖集料A,B在原材料性能上優(yōu)于集料C,但制備成混合料后,混合料C的性能卻表現(xiàn)稍好。這主要是因?yàn)樵嚰?nèi)部空隙較大的部位受到凍融后,瀝青與集料黏附性下降導(dǎo)致強(qiáng)度衰減,未對(duì)集料造成損傷;且SBS改性瀝青加強(qiáng)了集料與瀝青間的界面,所以三者沒有明顯差異。集料C是堿性石料,相比集料A,B的中性、弱酸石料,其與瀝青的黏附性更強(qiáng),因此表現(xiàn)出了更好的性能;故在實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)試驗(yàn)中,混合料性能與界面的強(qiáng)度更密切。

2.2 自然凍融后材料性能調(diào)查結(jié)果

經(jīng)過2個(gè)自然凍融季節(jié)后,路面材料無論從整體上還是組成上均出現(xiàn)了不同程度的性能下降,后文將從集料、瀝青、混合料3個(gè)角度分析。

2.2.1集料

通過試驗(yàn)提取經(jīng)過2個(gè)凍融季節(jié)后路面芯樣中的集料,再次按照規(guī)范的方法進(jìn)行堅(jiān)固性測(cè)試,結(jié)果如表3所示。

表3 提取集料的堅(jiān)固性試驗(yàn)結(jié)果Table 3 The results of the robustness test of the extracted aggregate

對(duì)比表1,表3可知,3組試樣集料的堅(jiān)固性較凍融前均出現(xiàn)了下降,其中凍融后的集料C堅(jiān)固性質(zhì)量損失最大。因此單獨(dú)對(duì)回收的集料C進(jìn)行壓碎值測(cè)定及軟弱顆粒含量測(cè)定(T 0320),發(fā)現(xiàn)壓碎值增長至23.9%,增長率為27.8%;軟弱顆粒含量從最初的小于3%,增長到12.1%?？赏茰y(cè),集料C受到自然凍融影響,有12.1%的石料產(chǎn)生了軟化,轉(zhuǎn)變?yōu)檐浫躅w粒,但未軟化的石料仍具有一定的強(qiáng)度與堅(jiān)固性。同時(shí)發(fā)現(xiàn),瀝青混凝土中方解石的崩解與軟化是逐漸進(jìn)行的,而方解石本身沒有對(duì)材料整體的強(qiáng)度造成直接影響,而是崩解后產(chǎn)生了大量的軟弱顆粒,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

2.2.2瀝青

為調(diào)查富含方解石的瀝青混合料在凍融劣化過程中瀝青的作用,對(duì)提取回收的瀝青進(jìn)行軟化點(diǎn)、延度、針入度試驗(yàn),其中,延度測(cè)試溫度為5℃,結(jié)果如表4所示。

表4 回收改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Performance test results of recycled modified asphalt

由表4可知,提取后的瀝青由于經(jīng)歷年限(2年)較短,且未受到車載的損傷,受老化影響較小,其結(jié)果與RTFOT試驗(yàn)結(jié)果有一定的一致性,可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室中RTFOT的老化效果相當(dāng)于自然環(huán)境下2年時(shí)間的老化效果。瀝青在自然環(huán)境下老化與RTFOT老化后性能對(duì)比如圖3所示。

圖3 瀝青在自然環(huán)境下老化與RTFOT老化后性能對(duì)比Fig.3 Performance comparison of asphalt after aging in natural environment and RTFOT aging

但不同的是自然環(huán)境的老化對(duì)延度的損傷更苛刻,在針入度幾乎相同的情況下,自然環(huán)境下老化的瀝青延度下降明顯更快,自然老化對(duì)瀝青黏聚力損傷更大。這是由于自然環(huán)境中存在紫外線老化。瀝青在自然老化過程中,逐漸失去黏性,更易從石料的表面剝落,與崩解的方解石屑糅合在一起,形成瀝青泥沙,使失去瀝青裹附的石料接觸到空氣與水,促使方解石再次崩解,最終表現(xiàn)為層內(nèi)松散與路面失穩(wěn),如圖4所示。

圖4 層內(nèi)松散、失穩(wěn)及產(chǎn)生的瀝青泥漿化Fig.4 Loose, unstable and generated asphalt slurry in the layer

由圖4可知,芯樣孔內(nèi)出現(xiàn)瀝青泥漿化,石料碎裂化。該情況與含方解石集料的檢測(cè)結(jié)果一致,軟弱顆粒增多是該種石料發(fā)生病害的主要原因。

2.2.3級(jí)配

通過對(duì)自然凍融后的瀝青混合料進(jìn)行提取,獲得凍融后的實(shí)際級(jí)配,試驗(yàn)前后級(jí)配變化如圖5所示。混合料A,B級(jí)配較穩(wěn)定,所以各取1點(diǎn)對(duì)比;選取混合料C的4點(diǎn)與原級(jí)配曲線進(jìn)行對(duì)比。

圖5 自然凍融后混合料的級(jí)配變化Fig.5 Gradation change of mixture after natural freezing and thawing

由圖5可知,混合料A,B的級(jí)配更趨向于分布在基準(zhǔn)級(jí)配兩側(cè),且變化不大,產(chǎn)生了一定程度上的粗集料變細(xì),細(xì)集料增多,其可能是由施工的不均勻性、碾壓機(jī)械的強(qiáng)度等引起的,也同樣存在一定程度上的凍融損傷,使粗集料變細(xì)?；旌狭螩的級(jí)配變化曲線與混合料A,B的區(qū)別較大,可明顯看出其4個(gè)點(diǎn)的曲線均分布在原基準(zhǔn)級(jí)配曲線上方,說明混合料C中各擋集料均在凍融后發(fā)生了變細(xì)的現(xiàn)象,所以混合料C的凍融損害是系統(tǒng)性的。在粒徑小于1.18mm的顆粒中,混合料C的級(jí)配曲線比原基準(zhǔn)曲線位置高,可知在集料損失中部分轉(zhuǎn)化為粒徑較細(xì)的粉末狀態(tài)。

在常用的拌合溫度下,方解石雖會(huì)產(chǎn)生一定的崩解,但數(shù)量較小,也同樣可保證所生產(chǎn)的瀝青混凝土強(qiáng)度,初期的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),這也是部分學(xué)者認(rèn)為含方解石石料可作為集料制備瀝青混凝土的原因[27]。但方解石崩解的過程是長期作用,在有水環(huán)境下,受反復(fù)凍融影響產(chǎn)生了崩解,這種情形應(yīng)稱為凍融崩解,其影響遠(yuǎn)大于方解石的熱崩解。

2.2.4油石比

提取后的混合料A,B,C在自然凍融后的油石比如表5所示。

表5 面層提取試驗(yàn)油石比檢測(cè)結(jié)果Table 5 Oil-stone ratio test results of surface layer extraction test

由表5可知,混合料A,B中的瀝青經(jīng)過2個(gè)自然凍融季節(jié),保持了原始油石比,可判斷沒有發(fā)生剝落現(xiàn)象;反之,混合料C較設(shè)計(jì)油石比下降了0.18%,損耗比率達(dá)3.91%,出現(xiàn)較大剝落,表現(xiàn)為瀝青含量降低。自然凍融現(xiàn)場(chǎng)對(duì)含有方解石的瀝青混凝土?xí)a(chǎn)生剝離、侵蝕的作用,這是因?yàn)殡m然方解石與瀝青吸附能力較強(qiáng),但方解石同樣具有親水作用,致使現(xiàn)場(chǎng)路面裂縫發(fā)展,界面易被水侵入,失去黏附作用。

2.2.5混合料

對(duì)混合料A,B,C分別進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn),以多組試驗(yàn)的平均值作為該混合料劈裂強(qiáng)度的代表值,與凍融前的基準(zhǔn)劈裂強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表6所示。

表6 自然凍融前、后混合料劈裂強(qiáng)度對(duì)比Table 6 Comparison of splitting strength of mixture before and after natural freezing and thawing

由表6可知,混合料A,B受自然凍融影響較小,對(duì)石料損害較小,所以瀝青沒有產(chǎn)生剝落,且瀝青發(fā)生輕微的老化作用,使瀝青混合料性能得到一定的提高[28]。但使用方解石的混合料C,受自然凍融影響較大,劈裂強(qiáng)度下降了9.2%,這是由于其集料開始變細(xì)、軟化,瀝青開始剝落,已產(chǎn)生較大的內(nèi)部損害,難以形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)室結(jié)果顯示混合料A,B,C的初始劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度均較好,符合規(guī)范要求。但經(jīng)過2個(gè)自然凍融過程后,其性能發(fā)生了明顯不同的改變。參照組混合料A,B的強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果相比反而有所增加,這是由于實(shí)驗(yàn)室中凍融劈裂試驗(yàn)假設(shè)了試樣的不密實(shí)狀態(tài),只考慮了試件空隙中的水造成的損害,與實(shí)際路面情況不符;而實(shí)際水損害是在復(fù)雜因素作用下產(chǎn)生的破壞,還要考慮材料界面、各成分的物理化學(xué)性質(zhì)、路面結(jié)構(gòu)組合及其他外部作用的耦合等因素。這是由于自然凍融的效力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境,在一個(gè)自然凍融季節(jié)中,可能會(huì)出現(xiàn)幾十次,甚至上百次的凍融循環(huán)。所以才需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)自然凍融試驗(yàn),來修正實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn),從而可有效控制和預(yù)測(cè)路面材料的性能。且自然環(huán)境中雨水的酸化使方解石產(chǎn)生了較高的親水性,更易受到水的侵害[29-30]。

3 結(jié)語

1)集料巖性的差別不會(huì)使材料本身在物理性能上產(chǎn)生明顯差異,其制備的瀝青混凝土在室內(nèi)性能試驗(yàn)的評(píng)價(jià)中表現(xiàn)相近。但經(jīng)過自然凍融后,含有方解石的石料較普通石料的堅(jiān)固性下降更快,說明其在自然凍融條件下,抵抗凍融的能力較差。

2)含有較多方解石路面的劣化機(jī)理為:較高含量的方解石受自然凍融而崩解,引起瀝青混凝土整體材料強(qiáng)度的快速下降,出現(xiàn)路面的破壞、失穩(wěn)。

3)自然凍融對(duì)含有方解石的瀝青混合料的影響要遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)凍融劈裂試驗(yàn)?zāi)M的結(jié)果。且凍融劈裂試驗(yàn)在評(píng)價(jià)質(zhì)量較好的瀝青混凝土?xí)r,往往會(huì)低估其水穩(wěn)定性,而對(duì)集料較差的瀝青混凝土反而會(huì)產(chǎn)生高估現(xiàn)象。

4)瀝青混凝土室內(nèi)試驗(yàn)的假設(shè)條件與現(xiàn)場(chǎng)路面環(huán)境的差異是導(dǎo)致關(guān)聯(lián)性差的主要原因。室內(nèi)試驗(yàn)過多關(guān)注試件的孔隙狀態(tài)和拉應(yīng)力影響,而沒有考慮其他因素,如材料黏附性、化學(xué)特性、熱穩(wěn)定性等。

5)SBS改性瀝青在RTFOT試驗(yàn)中的老化程度,相當(dāng)于模擬了近2年自然環(huán)境的老化效果。且這種輕微的瀝青老化,在一定程度上提高了瀝青混合料強(qiáng)度、水穩(wěn)定性。

6)自然凍融試驗(yàn)可聯(lián)通室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)路面的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)室內(nèi)試驗(yàn)的不足,對(duì)進(jìn)一步進(jìn)行室內(nèi)凍融試驗(yàn)的修正、新標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)的開發(fā)具有重要意義。

巖石的巖性、結(jié)構(gòu)體系十分復(fù)雜,目前技術(shù)規(guī)范的石料劃分方法難以滿足路面材料設(shè)計(jì)的需求。自然凍融試驗(yàn)可較好地發(fā)現(xiàn)深層的路面問題,可作為修正、驗(yàn)證常規(guī)試驗(yàn)的重要手段。建議下一步開發(fā)縮尺寸的凍融模擬試驗(yàn),進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建我國路面使用集料細(xì)化準(zhǔn)則。