洪新明，周 勇

(廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

水損害是瀝青路面的典型病害之一，對(duì)瀝青路面服役性能和服務(wù)質(zhì)量具有較大的不良影響。如何提升瀝青路面的抗水損害性能或延緩瀝青路面出現(xiàn)水損害的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，是道路工作者思考和探討的重要課題之一[1-3]。

瀝青混合料是由瀝青基體相、集料增強(qiáng)相和瀝青/集料界面相組成的復(fù)合材料，其中瀝青/集料界面相是瀝青混合料的薄弱部位。瀝青/集料界面的黏附作用是瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要影響因素，提升瀝青/集料界面的黏附作用是保證瀝青混合料水穩(wěn)定性必要的技術(shù)措施。目前，采用改性瀝青，添加熟石灰、水泥和胺類抗剝落劑，選擇堿性集料等技術(shù)措施已被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，并取得了良好的效果[4-6]。然而，進(jìn)一步增強(qiáng)瀝青/集料界面的黏附作用，提升熱拌瀝青混合料的水穩(wěn)定性，是道路工作者不斷探尋的課題。

納米材料近年來受到科技人員的關(guān)注。納米材料因其較大的比表面積而具有較好地提升瀝青/集料黏附作用的特性，其中納米熟石灰的出現(xiàn)為界面黏附作用的提升提供了新的思路和方法[7-9]。然而，納米熟石灰對(duì)瀝青/集料的黏附提升作用受瀝青種類、集料種類和評(píng)價(jià)方法等的影響而表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律，亟待進(jìn)一步探討納米熟石灰改性瀝青及其混合料的抗水剝離特性，為其應(yīng)用提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 原材料

1.1.1 納米熟石灰

納米熟石灰產(chǎn)自河北省靈壽縣天晨礦產(chǎn)品加工廠，其基本物理性能指標(biāo)見表1。根據(jù)表1，納米熟石灰的顆粒大小為220nm，而普通石灰的顆粒大小為微米級(jí)別(通常為十幾微米)，由于納米熟石灰較小的顆粒使熟石灰改性瀝青具有較高的黏附性能。采用X射線熒光光譜試驗(yàn)測(cè)定該納米熟石灰的化學(xué)組成，測(cè)定結(jié)果見表2。由表2可知，納米熟石灰中的主要氧化物為CaO(含量達(dá)60%以上)，其次為SiO2、Al2O3和Fe2O3。

表1 納米熟石灰技術(shù)性能指標(biāo)

表2 納米熟石灰的化學(xué)組成

1.1.2 基質(zhì)瀝青

本文選用兩種針入度分級(jí)均為70#的基質(zhì)瀝青(SK-70#和DH-70#)。為了保證兩種基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能滿足使用要求，依照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)，對(duì)其常規(guī)性能進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見表3。由表3可知，兩種基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)均符合規(guī)范要求，并達(dá)到A級(jí)瀝青水平。

表3 瀝青結(jié)合料技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 集料

試驗(yàn)選用典型代表堿性和酸性巖類的石灰?guī)r和花崗巖集料，成型瀝青混合料,以探究納米熟石灰對(duì)石灰?guī)r和花崗巖集料瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。兩種集料的技術(shù)指標(biāo)見表4。由表4可知，石灰?guī)r和花崗巖最大的差異在于洛杉磯磨耗損失率，石灰?guī)r的磨耗損失遠(yuǎn)大于花崗巖的磨耗損失，表明石灰?guī)r的抗磨耗能力較差。

表4 石灰?guī)r和花崗巖集料的技術(shù)指標(biāo)

1.2 納米熟石灰(NHL)改性瀝青

為了將NHL與瀝青結(jié)合料拌和，先將基質(zhì)瀝青加熱至150℃，并采用螺旋槳葉輪攪拌器進(jìn)行攪拌，同時(shí)分次緩慢地添加入NHL并攪拌10min；接著采用高速剪切乳化機(jī)在相同的溫度下連續(xù)剪切20min，剪切速率為4 000轉(zhuǎn)/min，即制得NHL改性瀝青結(jié)合料[10]。本文制備了NHL摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的NHL改性瀝青(該摻量指占基質(zhì)瀝青的重量)。

單側(cè)閉合性NeerⅡB型不穩(wěn)定鎖骨遠(yuǎn)端骨折；受傷3周內(nèi)手術(shù)；傷前患側(cè)肩關(guān)節(jié)功能正常且術(shù)后隨訪＞12個(gè)月者。

1.3 瀝青混合料

試驗(yàn)采用熱拌密級(jí)配瀝青混合料GAC-16進(jìn)行試驗(yàn)，其礦料級(jí)配如圖1所示。采用馬歇爾試驗(yàn)方法，拌制不同NHL改性瀝青用量下的混合料并雙面擊實(shí)75次成型馬歇爾試件，以馬歇爾穩(wěn)定度、流值和其他體積參數(shù)為控制指標(biāo)，瀝青混合料油石比為4.8%，空隙率為4.1%。

圖1 GAC-16瀝青混合料礦料級(jí)配

2 試驗(yàn)方法

2.1 改進(jìn)的水煮法

由于《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的水煮法為定性的測(cè)試方法，測(cè)試結(jié)果受人為因素影響較大，本文采用改進(jìn)的水煮法定量地評(píng)價(jià)NHL對(duì)瀝青與集料黏附性能的提升效果。改進(jìn)的水煮法試驗(yàn)方法為選用粒級(jí)為19～31.5mm的集料顆粒，涂膜NHL瀝青并水煮3min，稱量水煮前后涂膜NHL的集料顆粒的質(zhì)量，并采用水煮前后瀝青質(zhì)量的損失率作為瀝青/集料黏附性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。水煮前后瀝青質(zhì)量的損失率采用式(1)進(jìn)行計(jì)算。

(1)

式中:α為瀝青質(zhì)量損失率(%)；m0為未涂膜瀝青的集料重量(g)；m1為集料涂膜瀝青后的重量(g)；m2為沸煮并干燥后集料的質(zhì)量(g)。

2.2 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)

參照AASHTO T283方法分析評(píng)價(jià)熱拌瀝青混合料(HMA)的水穩(wěn)定性能，該試驗(yàn)方法在試件飽水和凍融循環(huán)條件下測(cè)定HMA的水穩(wěn)定性能。測(cè)定時(shí)加載變形速率為50mm/min，溫度為25℃，采用不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下(1次、3次和5次)的間接拉伸試驗(yàn)指標(biāo)(間接拉伸強(qiáng)度)，作為水穩(wěn)定性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。剪切拉伸強(qiáng)度(ITS)的計(jì)算方法如式(2)所示。試驗(yàn)時(shí)采用6組平行試件，結(jié)果為6組平行試驗(yàn)的平均值。

(2)

式中：ITS為間接拉伸強(qiáng)度(kPa)；F為劈裂時(shí)的破壞力(kN)；t為瀝青混合料試樣高度(cm)；d為瀝青混合料試樣直徑(cm)。

同時(shí)，采用間接拉伸強(qiáng)度比TSR評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，其為濕試件與干試件間接拉伸強(qiáng)度的比值，如式(3)所示。

TSR=ITSwet/ITSdry

(3)

式中：TSR為間接拉伸的強(qiáng)度比(%)；ITSwet為浸濕試件的間接拉伸強(qiáng)度平均值(kPa)；ITSdry為干燥試件的間接拉伸強(qiáng)度平均值(kPa)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 基于改進(jìn)的水煮法評(píng)價(jià)納米石灰改性瀝青-集料黏附性

分別以石灰摻量為0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的石灰改性瀝青，采用改進(jìn)的水煮法測(cè)定各摻量下瀝青的剝落率，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 瀝青在集料表面的剝落率

由圖2可知，整體上瀝青-石灰?guī)r的瀝青膜剝落率小于瀝青-花崗巖，表明瀝青-石灰?guī)r具有較好的黏附性能，這主要?dú)w因于弱酸性瀝青-堿性集料的酸堿中和理論的黏附性能形成原理。隨著熟石灰粉摻量的增多，兩種瀝青的瀝青膜剝落率逐漸減小，即熟石灰粉的添加改善了瀝青-集料的黏附性能，且改善效果隨著石灰粉摻量的增多而增強(qiáng)。當(dāng)熟石灰粉摻量為0.5%～1.0%時(shí)，瀝青膜剝落率迅速減小，說明熟石灰粉在該范圍內(nèi)時(shí)，具有較高的黏附性能改善效果。當(dāng)熟石灰粉摻量大于1.0%時(shí)，其對(duì)瀝青-集料黏附性能的改善逐漸變?nèi)?，如摻量?.5%增加到2.0%時(shí)，SK-石灰?guī)r的瀝青膜剝落率僅減少5.5%，DH-石灰?guī)r的瀝青膜剝落率僅下降3.8%。此外，對(duì)于同一種集料，SK瀝青的瀝青膜剝落率小于DH，表明SK瀝青與集料具有更好的黏附性能。

綜上所述，瀝青-集料的黏附性會(huì)受到瀝青和集料種類的共同影響，本文中的SK-石灰?guī)r具有較小的瀝青膜剝落率，即SK具有與石灰?guī)r較優(yōu)越的配伍性。并且，石灰粉對(duì)瀝青/集料黏附性能的改善符合二次拋物線的規(guī)律，如圖2所示，即摻量較少時(shí)，改善效果明顯，當(dāng)摻量大于1.0%時(shí)，改善效果不明顯，趨于平穩(wěn)。

3.2 納米石灰改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性

采用AASHTO T283方法測(cè)定納米熟石灰改性瀝青混合料經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)的間接拉伸強(qiáng)度，評(píng)價(jià)納米熟石灰改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。不同納米熟石灰摻量的納米熟石灰改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度如圖3所示。潮濕和干燥條件下間接拉伸強(qiáng)度比也是評(píng)價(jià)熱拌瀝青混合料的重要指標(biāo)之一，采用式(3)計(jì)算各瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度比，如圖4所示。

圖3 不同納米熟石灰改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度

圖4 不同納米熟石灰改性瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度比

間接拉伸強(qiáng)度指標(biāo)可表征瀝青混合料的抗水損害性能，較高的間接拉伸強(qiáng)度表明具有較優(yōu)的抗水損害性能。由圖3和圖4可知：

(1)在同一凍融循環(huán)次數(shù)條件下，無論是石灰?guī)r還是花崗巖，ITS指標(biāo)隨著納米熟石灰摻量的增加而增加，即納米熟石灰的摻加提高了熱拌瀝青混合料的抗水損害性能。當(dāng)納米熟石灰摻量高于1.0%時(shí)，ITS的增幅逐漸減小，表明此時(shí)瀝青混合料的抗水損害性能逐漸趨于平穩(wěn)，增加納米熟石灰的摻量對(duì)提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性能效果不再明顯，因此本文建議納米熟石灰的摻量取用1.0%。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各摻量的納米熟石灰改性瀝青的間接拉伸強(qiáng)度指標(biāo)值均下降，即抗水損害性能降低，這是因?yàn)r青混合料暴露于水中，瀝青/集料黏附或?yàn)r青結(jié)合料自身黏聚能力損失。然而，納米熟石灰作為一種抗剝落劑，添加后明顯提高了熱拌瀝青混合料的黏附性，增強(qiáng)了瀝青混合料的抗水損害能力。

(3)在同一試驗(yàn)條件下，石灰?guī)r瀝青混合料的水穩(wěn)定性能均高于花崗巖瀝青混合料。納米熟石灰的存在也改善了瀝青與集料的黏附性能，從而提升了抗水損害性能。

(4)間接拉伸強(qiáng)度比(TSR)為潮濕和干燥條件下間接拉伸強(qiáng)度的比值，瀝青混合料應(yīng)具有較大的TSR。

(5)摻加納米熟石灰可提升瀝青混合料的水穩(wěn)定性20%～30%，效果顯著。

(6)相比于DH瀝青，納米熟石灰改性SK瀝青具有更好的水穩(wěn)定性能，表明納米熟石灰與SK瀝青具有更好的配伍性。

(7)間接拉伸指標(biāo)和間接拉伸強(qiáng)度比指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果一致，說明納米熟石灰能夠改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文采用納米熟石灰對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性處理，并通過改進(jìn)的水煮試驗(yàn)和瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)，探究納米熟石灰對(duì)瀝青結(jié)合料與集料的黏附作用及混合料抗水損害提升效果。

(1)摻加納米熟石灰可以有效增強(qiáng)瀝青/集料的黏附特性。隨著摻量的增加，納米熟石灰對(duì)瀝青/集料黏附特性的改善符合二次拋物線規(guī)律?？紤]到技術(shù)性能及經(jīng)濟(jì)性，建議納米熟石灰的摻量選擇取用1.0%。

(2)納米熟石灰的添加有效提升了瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

(3)堿性石料與瀝青的粘附性優(yōu)于酸性石料與瀝青的粘附性。