凝灰岩地区水质特征：水环境下凝灰岩沥青混合料黏附性能研究

凝灰岩地区水质特征：水环境下凝灰岩沥青混合料黏附性能研究试验指标表1 基质沥青试验结果与技术指标 已有研究表明，酸性集料在工程应用中需解决集料与沥青之间黏附性不足问题，特别是在水作用下易导致沥青路面损伤劣化，从而引发各种病害[6]。对此，众多学者做了大量研究，如王富强等[7]将消石灰和硅烷偶联剂加入花岗岩沥青混合料，通过冻融劈裂和浸水马歇尔试验，得到这两种外加剂含量比为1∶1时混合料水稳定性最佳的结论。钱晓鸥[8]将不同掺量水泥加入沥青混合料，通过水稳定性试验得到2%水泥掺量时，沥青与酸性集料的黏附性最佳的结论。樊见维等[9]在酸性蚀变闪长岩沥青混合料中掺入矿物填料和抗剥落剂，并进行浸水马歇尔和冻融劈裂试验，结果表明掺外加剂能明显改善混合料水稳定性。李结义等[10]将VI型抗剥落剂、液体石蜡、消石灰和芳香族树脂按不同比例制得抗剥落颗粒，一系列试验表明所掺外加剂增强了花岗岩沥青混合料黏结力，且高低温性能均满足要求。Huang等[11]在花岗岩沥青

吴义春 徐靖怡 张瑜 赵杨华 张小元浙江交工集团股份有限公司 浙江理工大学

摘 要：为提高水环境下凝灰岩沥青混合料的黏附性能，以SUP25级配沥青混合料为研究对象，通过水煮法试验、老化前后冻融劈裂试验及浸水马歇尔试验评估不同外加剂对其黏附性能的改善效果，并结合相关路用性能试验进行验证。结果表明：掺2%含量消石灰后的凝灰岩沥青混合料效果最佳，其残留稳定度、冻融劈裂强度比能分别达到优质石灰岩混合料的97.2%和98.3% 相较于不掺外加剂凝灰岩试样分别提升21%和13.5% 且在老化作用下黏附耐久性要优于掺抗剥落剂凝灰岩沥青混合料性能。

关键词：沥青混合料;消石灰;凝灰岩;黏附性;水稳定性;

基金：国家自然科学基金项目，项目编号51808500;浙江省交通运输厅科技计划项目，项目编号2020013;浙江省自然科学基金项目，项目编号LQ19E080025;

沥青路面相对于其他路面有诸多优势，如噪声低、行车舒适等，因此在我国高等级公路建设中占据主导地位[1 2]。沥青路面所用集料常为碱性或中性优质石料，但这些石料储备量有限，无法满足长期使用需要。相反，凝灰岩作为一种典型酸性石料，在我国浙江、福建等地分布广泛。在公路建设中，若将沿线凝灰岩石料加以合理利用，可减少对其他优质石料的依赖，有效降低建设成本[3 4 5]。

已有研究表明，酸性集料在工程应用中需解决集料与沥青之间黏附性不足问题，特别是在水作用下易导致沥青路面损伤劣化，从而引发各种病害[6]。对此，众多学者做了大量研究，如王富强等[7]将消石灰和硅烷偶联剂加入花岗岩沥青混合料，通过冻融劈裂和浸水马歇尔试验，得到这两种外加剂含量比为1∶1时混合料水稳定性最佳的结论。钱晓鸥[8]将不同掺量水泥加入沥青混合料，通过水稳定性试验得到2%水泥掺量时，沥青与酸性集料的黏附性最佳的结论。樊见维等[9]在酸性蚀变闪长岩沥青混合料中掺入矿物填料和抗剥落剂，并进行浸水马歇尔和冻融劈裂试验，结果表明掺外加剂能明显改善混合料水稳定性。李结义等[10]将VI型抗剥落剂、液体石蜡、消石灰和芳香族树脂按不同比例制得抗剥落颗粒，一系列试验表明所掺外加剂增强了花岗岩沥青混合料黏结力，且高低温性能均满足要求。Huang等[11]在花岗岩沥青混合料中掺熟石灰，并通过冻融劈裂试验表明混合料水稳定性改善显著。彭余华等[12]通过室内试验研究多种抗剥落剂对酸性集料黏附性能的影响，结果表明美氏抗剥落剂能显著提高花岗岩沥青混合料的黏结力， 且各性能均满足技术规范要求。

目前，花岗岩等酸性集料黏附性改性技术研究较多，但对凝灰岩沥青混合料黏附性能研究仍较少。虽然张善等[13]通过室内试验发现，将液体抗剥落剂掺入凝灰岩沥青混合料黏附性能得到提升，但要用于高速公路面层，混合料黏附耐久性还有待评估。因此，本文将通过对掺不同外加剂方案凝灰岩沥青混合料进行黏附性能评估，以确定外加剂最佳方案，并结合路用性能试验研究，以便为工程中凝灰岩集料合理应用提供参考。

1 原材料

本试验所用70号基质沥青三大指标试验结果见表1。此外，凝灰岩集料采用温州泰顺章后隧道洞渣石料，对照的优质石灰岩集料产自浙江某碎石场。所采用沥青、石灰岩矿粉以及粗细集料结果均满足《沥青及沥青混合料试验规程》[14]14]要求。

表1 基质沥青试验结果与技术指标

试验指标	检测结果	技术规范
25 ℃针入度/(0.1 mm)	68	60～80
软化点/℃	47.5	≥45.0
10 ℃延度/cm	32.0	≥25.0

添加剂分别选用消石灰和XT-2抗剥落剂，前者外观为白色粉末状，后者为深色黏稠液体。外加剂技术指标如表2所示。

表2 消石灰及抗剥落剂技术指标

消石灰		XT-2沥青抗剥落剂
项目	技术指标	项目	技术指标
有效氧化钙/%	50.1	外观	深色黏稠液体
氧化镁含量/%	3.41	比重	1±0.2
体积安定性	合格	产品性能	非胺类活性剂
掺加方式	等质量替换矿粉	掺加方式	等质量替换矿粉

2 研究方法2.1配合比设计

本文选用的沥青混合料级配为SUP25 根据筛分试验结果并用试配法计算沥青混合料设计合成级配，其设计级配如表3所示。

表3 沥青混合料级配

筛孔粒径mm筛孔粒径mm	通过筛孔质量百分数/%
	31.5	26.5	19	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
凝灰岩	100	93.2	74.8	65.6	57.4	45.2	31.3	22.1	16.1	10.8	8.1	6.2	5.1
石灰岩	100	96.8	83.8	77.8	71.2	50.6	27.8	22.4	15.7	10.7	7.3	5.7	4.2

凝灰岩设计级配确定后，预估最佳沥青用量Pb为4.12% 选择4种沥青用量Pb、Pb±0.5%及Pb 1%进行Superpave旋转压实试验，即3.62%、4.12%、4.62%和5.12%等4个沥青用量体积性质，建立体积参数与沥青用量的关系，得到相应最佳沥青含量为3.8%。类似地，石灰岩混合料沥青最佳含量为4.0%。

2.2试件制备与试验方法

称取消石灰掺量分别为混合料中矿料总质量的0、1%、2%和3% 取抗剥落剂掺量为沥青质量的0、0.3%、0.6%和0.9% 将不掺外加剂的石灰岩沥青混合料作为对照试样。在试件成型前，将预先按配合比称量的粗、细集料及外加剂、矿粉按顺序依次加入拌锅干拌1.5 min 再加沥青进行搅拌1.5 min。然后，将拌制好的沥青混合料放置于击实仪，成型直径为101.6 mm、高度为63.5 mm的马歇尔试件，同时通过轮碾成型300 mm×300 mm×50 mm的车辙试件；此外，将车辙试件进一步切割成250 mm×30 mm×35 mm的棱柱体梁试件。

(1)水煮法试验和老化试验。

参考《沥青及沥青混合料试验规程》[14] 水煮法可用肉眼观察集料颗粒表面沥青膜剥离程度，根据剥离面积大小评定集料黏附等级。

沥青混合料老化试验，分两个步骤实施：(1)混合料拌和与摊铺好后，实施掺外加剂混合料短期老化(135 ℃ 4 h);(2)实施长期老化(短期老化后→成型试件→室温冷却16 h→脱模放入85 ℃烘箱并通风条件下5 d→开烘箱门自然冷却16 h)。

(2)浸水马歇尔和冻融劈裂试验。

通过浸水前后马歇尔试验结果，可计算沥青混合料浸水残留稳定度MS0(%) 如式(1):

MS0=(MS1/MS)×100 (1)

式中：MS1为马歇尔试件浸水48 h后的稳定度，kN;MS为试件浸水前稳定度，kN。

同时，通过冻融前后劈裂强度试验，可计算冻融劈裂强度比TSR(%) 如式(2):

TSR=(R1¯¯¯¯/R2¯¯¯¯)×100         (2)ΤSR=(R1¯/R2¯)×100         (2)

式中：R1¯¯¯¯R1¯为冻融循环后试件劈裂抗拉强度平均值，MPa;R2¯¯¯¯R2¯为未冻融循环劈裂抗拉强度平均值，MPa。

(3)浸水车辙试验。

为全面评估凝灰岩混合料路用性能，考虑浸水条件下的车辙试验。加载前需先进行预热处理，再将试件放入车辙加载仪，并在60 ℃浸水环境下保持4 h后实施加载。可得不同加载时间对应的变形，进而获取混合料动稳定度(次/mm) 如式(3):

DS=42×(t2-t1)/(d2-d1) (3)

式中：t2取60 min; d2为时间t2的变形量，mm; t1取45 min; d1为时间t1的变形量，mm。

(4)低温弯曲试验。

小梁弯曲试验用于评估凝灰岩混合料低温性能，可得PB载荷下试件破坏时抗拉强度RB(MPa)、梁底最大弯拉应变εB及弯曲劲度模量SB(MPa) 如下式：

RB=3×L×PB/(2×b×h2) (4)

εB=6×h×d/L2 (5)

SB=RB/εB (6)

式中：d为试件破坏时跨中挠度，mm; L、b和h分别为试件跨径、断面宽度和高度，mm。

3 结果与讨论3.1集料黏附等级

通过水煮法试验对凝灰岩集料进行黏附性评估，得到相应黏附等级。试验典型结果如图1所示，其中图1(a)～图1(d)分别为石灰岩集料、不掺外加剂凝灰岩集料、掺消石灰凝灰岩集料以及掺抗剥落剂凝灰岩集料结果。每种材料通过4组平行试验，得到的黏附等级均值如表4所示。

图1 集料黏附性试验典型结果

表4 掺外加剂后凝灰岩集料黏附等级

类型	石灰岩	凝灰岩	掺消石灰凝灰岩			掺抗剥落剂凝灰岩
			1%	2%	3%	0.3%	0.6%	0.9%
黏附等级	5级	2级	3级	4级	5级	3级	5级	5级

由图1可知，水煮后石灰岩集料表面裹覆的沥青膜较完整，未产生明显脱离。而凝灰岩集料表面出现沥青膜剥离现象，集料颗粒裸露较多，说明沥青与集料之间的黏附性较差，经评判凝灰岩黏附等级达2级。与此同时，分别掺消石灰和抗剥落剂后，如表4结果表明，凝灰岩集料与沥青黏附性得到改善，且外加剂掺量对黏附等级提升存在较大影响，其中掺1%消石灰和0.3%抗剥落剂下黏附等级只达到3级，黏附性改善效果不显著，但其他更高掺量下黏附等级可达4级和5级，效果良好。

3.2水稳定性结果

为更好评估凝灰岩混合料遇水后黏附稳定性，在水煮试验后选取集料黏附等级达到4级和5级的外加剂方案，实施浸水马歇尔和冻融劈裂试验，并以不掺外加剂凝灰岩和石灰岩混合料为对照试样。试验结果如图2～图3所示。

图2 浸水马歇尔试验结果

图3 冻融劈裂试验结果

由图2、图3可知，凝灰岩混合料浸水前马歇尔稳定度为13.25 kN 未冻融劈裂强度为0.62 MPa 分别达到石灰岩混合料相应指标值的95.7%和98.4% 说明凝灰岩混合料在不考虑水环境影响下黏附水稳定性能较好。然而，浸水48 h后其稳定度和劈裂强度分别只有石灰岩沥青混合料的77.6%和86.8% 这是由于凝灰岩为酸性集料，其表面缺少碱性活性，很难与沥青发生化学反应，因而在水环境下沥青膜容易剥离集料表面，减小了沥青与集料之间黏附性，沥青混合料发生水损害。而当混合料试样饱水后，水残留在混合料孔隙中，在-18 ℃低温环境条件下凝结成冰，增大体积时产生的膨胀力作用在孔隙周围，导致孔隙受力开裂，劈裂强度降低。

此外，由残留稳定度和冻融劈裂比的试验结果可知，掺不同外加剂后凝灰岩混合料的水稳定性提升效果不同，如掺2%消石灰凝灰混合料相应试验结果分别为85.3%和0.84 分别达到石灰岩混合料的97.2%和98.3% 相较于不掺外加剂凝灰岩方案提高了21%和13.5%;掺6%抗剥落剂后凝灰岩混合料相应结果分别为80.1%和0.81 比不掺外加剂凝灰岩混合料提高了13.6%和9.5% 说明掺入外加剂后凝灰岩混合料水稳定性能得到改善，但掺入抗剥落剂的效果不及消石灰。

3.3考虑老化影响

为研究凝灰岩沥青混合料长期使用下的黏附耐久性能，进一步考虑老化作用影响。通过老化后混合料的水稳定性试验，得到浸水马歇尔和冻融劈裂试验结果分别如图4和图5所示。

图4 老化后浸水马歇尔试验结果

图5 老化后冻融劈裂试验结果

比较图4与图2结果可知，老化前掺2%消石灰试件残留稳定度为85.3% 老化后该值为82.6% 老化前后残留稳定度仅下降2.7%;类似地，掺3%消石灰试件老化前后残留稳定度仅下降2.4% 而不掺外加剂凝灰岩混合料老化前后残留稳定度下降了4.3%。另外，比较图5和图3结果可知，掺2%和3%消石灰试件冻融劈裂强度比在老化前后分别下降2.3%和2.4% 下降幅度不大，而不掺外加剂凝灰岩混合料老化前后冻融劈裂强度比下降4.1%。由此可知，掺入消石灰后凝灰岩混合料黏附耐久性稳定，长期老化对其指标影响较小。

然而，掺抗剥落剂凝灰岩混合料黏附耐久性较差，如长期老化试验后，0.6%掺量下试件残留稳定度从老化前80.1%下降到75.6% 老化前后残留稳定度下降了4.5%;其劈裂强度比与未掺外加剂试件的比值，从老化前0.81下降到老化后0.74 说明相较于消石灰，掺抗剥落剂凝灰岩混合料更易受老化影响。

3.4路用性能结果

由上述结果可知，2%与3%消石灰方案对凝灰岩混合料水稳定性能改善效果较明显，考虑经济因素，选用2%消石灰进一步开展浸水前后高温车辙试验和低温小梁弯曲试验，以评估凝灰岩混合料路用性能。混合料试验结果如图6、图7所示。

图6 浸水前后动稳定度

由图6可知，无论是浸水前还是浸水后，无外加剂凝灰岩试样动稳定度值均为最小，浸水前凝灰岩试样动稳定度值为石灰岩试样的81.2% 而浸水后该值只达到石灰岩试样的60.7% 说明凝灰岩混合料在水环境作用下抗车辙能力较差；掺2%消石灰后的凝灰岩混合料动稳定度值得到明显提升，未浸水时其动稳定度值为3 484 次/mm 达到石灰岩混合料的近99.3% 浸水后其动稳定度值为2 952 次/mm 可达到石灰岩混合料的96.8% 浸水前后与石灰岩混合料动稳定度比值只下降了2.5% 这是由于消石灰中碱性成分与沥青中酸性物质进行反应，提高了凝灰岩集料与沥青之间黏附性，从而增强了凝灰岩混合料抵抗水损害能力，其在水环境下的高温性能得到提升。

图7 最大弯拉应变

由图7可知，无外加剂凝灰岩混合料最大弯拉应变值最小，只达到石灰岩试样77.4% 说明相较于石灰岩混合料，凝灰岩混合料低温抗裂能力较弱；但在掺2%消石灰后，凝灰岩混合料最大弯拉应变值得到提升，并接近石灰岩试样试验结果，如掺2%消石灰试样最大弯拉应变为2 239 MPa 达到了石灰岩试样94.7% 与未掺外加剂凝灰岩试样相比提高了22.4% 并满足规范要求。说明消石灰在沥青中起到了一定的增韧增塑作用，从而显著提高凝灰岩混合料的低温性能。

4 结语

(1)通过水煮法试验可知，掺入1%消石灰和0.3%抗剥落剂后集料黏附等级提升效果并不明显，在更高掺量下的凝灰岩黏附等级可达4～5级，效果较显著。

(2)相比不掺外加剂的凝灰岩混合料，掺2%消石灰后试样残留稳定度和冻融劈裂比提高了21%和13.5% 掺0.6%抗剥落剂后相应指标提高了13.6%和9.5%;长期老化试验表明，掺抗剥落剂凝灰岩混合料易受老化影响，改善效果不及消石灰显著。

(3)通过路用性能试验验证了掺2%消石灰提升凝灰岩混合料高低温性能的效果，如掺2%消石灰下试样的动稳定度达到石灰岩混合料试样的96.8% 最大弯拉应变相比未掺外加剂凝灰岩混合料试样提高了22.4%。

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