不同填料對瀝青混合料粘結破壞機理的影響研究

作者簡介：

譚恩清（1985—），工程師，主要從事道路與橋梁技術研究和施工管理工作。

文章采用機械和熱力學方法，研究不同填料對瀝青混合料抵抗粘結破壞性能的影響。通過往70#瀝青中分別添加石粉、熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥四種填料，采用BBS拉脫試驗和威廉姆平板試驗測定了膠漿的拉脫強度和表面自由能;加入石灰巖和花崗巖骨料制備瀝青混合料，采用凍融劈裂試驗分析其水穩定性能。結果表明：熟石灰和碳酸鈣作為填料對于提高混合料的抗粘結破壞性能和水穩定性能具有顯著作用。

瀝青混合料;粘結破壞;填料

U416.21A080263

0 引言

瀝青混凝土已廣泛地應用在世界各地的道路工程中，不斷增加的軸載、交通量、施工和設計誤差均會對瀝青路面造成重大損壞，從而降低路面的性能[1-3]。其中水損害是造成瀝青混合料內部瀝青和集料發生剝落的最直接因素，水損害被定義為瀝青在水存在下強度和耐久性的降低[4-5]。

瀝青混合料發生水損害主要有兩個階段：第一階段，水分以蒸汽或液體的形式進入混合料;第二階段，水分在混合料中形成水膜阻隔瀝青膜與集料，導致瀝青-集料之間界面破裂或者分離。這種斷裂破壞面產生在瀝青與集料界面處，導致瀝青與集料粘附性能降低甚至喪失的破壞稱之為粘結破壞。瀝青混合料發生粘結破壞是一種復雜的現象，集料的物理化學性質、瀝青的性質和填料的礦物成分等因素都會對混合料抗粘結破壞能力產生影響[6-7]。盡管瀝青混合料中使用的材料對粘結破壞機理的影響很重要，但是對于瀝青膠漿與集料發生粘結破壞的研究較少。對于瀝青膠漿而言，填料的選用對于膠漿性能有著顯著影響[8-9]。基于此現狀，本研究采用機械和熱力學方法研究不同填料對于瀝青膠漿、瀝青混合料抗粘結破壞性能和水穩定性能的影響。

1 原材料及配合比設計

為了制備不同成分的試樣，本研究分別采用了石灰巖和花崗巖兩種類型的骨料來模擬酸性和堿性性質對水分損害性能的影響。基于馬歇爾配合比設計試驗，石灰巖和花崗巖骨料的最佳瀝青用量分別為6%和5.5%。初步試驗結果表明，在本研究中使用3.5%～5%的填料在降低瀝青混合料的水損害方面具有最佳效果，因此選用4%作為填料的摻量。四種填料的分別為石粉、熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥，其中石粉為本研究中使用的石灰巖和花崗巖骨料的粉末。瀝青材料性能數據見表1，混合料級配曲線圖見圖1。

2 粘結破壞試驗結果

2.1 BBS拉拔試驗

前人研究表明，BBS拉脫試驗可作為測量瀝青材料的粘結強度的方法。拉脫試驗通過測定將粘附在石板上的瀝青或瀝青膠漿分離所需要的拉脫強度作為評價其粘結強度的指標[10]。試驗中瀝青膠漿樣品在-18 ℃的冰箱中保存16 h，然后將樣品轉移到60 ℃的水浴中保持24 h，最后在室溫（25 ℃）下保持24 h。試驗中所用石板分別為石灰巖石板和花崗巖石板，以模擬實際瀝青路面中膠漿與骨料的真實情況。拉脫試驗結果見圖2。

由圖2可知，填料的添加會提高瀝青膠漿的拉脫強度。通過對比不同填料可以發現，熟石灰和碳酸鈣對于瀝青膠漿的拉脫強度影響較大，拉脫強度相對于對照組提升了12%～19%;而石粉和碳酸鹽水泥的添加對于瀝青膠漿的拉脫強度的提升程度較小，拉脫強度相對于對照組提升了1%～6%。此外，在石灰巖石板和花崗巖石板中可以觀察到相同的行為，這說明熟石灰和碳酸鈣作為填料對于提高混合料抵抗粘結破壞能力具有積極作用。

2.2 瀝青膠漿自由能試驗

由于瀝青混合料在潮濕破壞中的粘結破壞與所用材料的表面性質直接相關，表面自由能（SFE）方法可以作為一種選擇耐潮濕敏感性材料的合適方法[11]。本研究采用威廉姆平板法研究不同填料的瀝青膠漿的表面自由能。試驗通過在薄玻璃板表面均勻涂上瀝青膠漿，然后浸入特定溶液中，之后再以緩慢且恒定的速度將其從溶液中取出。通過玻璃板浸入和收回過程中形成的兩類接觸角計算膠漿的表面自由能。表面自由能降低的程度越大，表明材料的粘附性越強。試驗結果如圖3所示。

如圖3所示，向瀝青中添加填料均會導致表面自由能降低，填料的添加提高了膠漿的粘附性。熟石灰和碳酸鈣對于瀝青膠漿的粘結強度提升效果最明顯，達到了24%和18.9%;石粉和碳酸鹽水泥的提升效果略低，僅為8.1%和5.4%。熱力學方法表明，熟石灰和碳酸鈣可以較好地降低膠漿的表面自由能，提升膠漿粘結強度，與BBS拉脫試驗結果相符。這是因為熟石灰和碳酸鈣比表面積大、吸附性強，與瀝青之間產生良好的粘附性，從而表征出膠漿粘結強度的提升。

2.3 凍融劈裂試驗結果

凍融劈裂試驗是評價混合料水穩定性能的常用方法之一。該試驗通過對試樣在凍融前后的抗拉強度（ITS）進行測量，將凍融前后的抗拉強度比（TSR）作為混合料的水穩定性能的評價指標。試件尺寸為62.5×100 mm，加載速率為50 mm/min。試驗結果見下頁圖4。

由圖4結果可知，相對于常規填料（石粉），熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥的使用均增加了石灰巖和花崗巖骨料瀝青混合料的ITS值。同時，在兩種骨料的混合料試樣中，熟石灰填料對于混合料的ITS值提升效果最大;相對于石灰巖骨料，花崗巖骨料制備的混合料均具有較高的ITS值。混合料經過凍融后，熟石灰和碳酸鈣填料混合料的ITS值相較于其他填料仍具有良好的抗拉強度，但花崗巖骨料混合料ITS值出現大幅降低。這是因為花崗巖骨料中的礦物具有較高的親水性，即其中高百分比的二氧化硅礦物增加了親水性，最終導致混合料易發生集料分離，水穩定性差。

由圖4中的抗拉強度比曲線可知，在石灰巖骨料混合料中使用熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥作為填料的TSR值提升了14%～23%，這說明上述填料的使用已經引起了混合料水穩定性能的提升，即混合料抵抗粘結破壞抗性的提升。但是在花崗巖骨料混合料中熟石灰和碳酸鈣填料的使用對于TSR的提升幅度僅為3%～5%，并且碳酸鹽水泥作為填料降低了混合料的TSR值。

綜上所述，在混合料中選用合適的骨料（石灰巖）和填料（熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥）對于提高混合料的水穩定性能具有極大的影響，反映到道路工程中對于實際路面抵抗雨水潮濕等條件引起的粘結破壞具有積極影響。

3 結語

文章通過對瀝青膠漿的BBS拉脫試驗、威廉姆平板試驗和對瀝青混合料的凍融劈裂試驗，可以得出以下結論：

（1）填料的添加會提高瀝青膠漿的拉脫強度。熟石灰和碳酸鈣對于瀝青膠漿的拉脫強度影響較大，約為12%～19%;石粉和碳酸鹽水泥的添加對于瀝青膠漿的拉脫強度的提升程度較小，約為1%～6%。

（2）向瀝青中添加填料均會導致表面自由能降低，提高瀝青膠漿的粘附性。熟石灰和碳酸鈣對于瀝青膠漿的粘結強度提升效果達到了24%和18.9%;石粉和碳酸鹽水泥的提升效果僅為8.1%和5.4%。熟石灰和碳酸鈣可以較好地降低膠漿的表面自由能，提升膠漿粘結強度。

（3）熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥的使用均增加了石灰巖和花崗巖骨料瀝青混合料的ITS值。熟石灰填料對于混合料的ITS值提升效果最大。經過凍融后，熟石灰和碳酸鈣填料混合料ITS值仍具有良好的抗拉強度。

（4）在石灰巖骨料混合料中使用熟石灰、碳酸鈣和碳酸鹽水泥作為填料的TSR值提升了14%～23%，即混合料抵抗粘結破壞抗性得到了提升;在花崗巖骨料混合料中熟石灰和碳酸鈣填料的使用對于TSR的提升幅度僅在3%～5%，并且碳酸鹽水泥作為填料降低了混合料的TSR值。

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