集料類型對砂粒式瀝青混合料微觀形貌的影響

李秀珍

（山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，山西太原 030012）

0 引言

砂粒式瀝青混合料是一種最大集料粒徑不超過5 mm 的瀝青混合料，廣泛用于微表處、鋼橋面鋪裝、超薄磨耗層等[1-2]。砂粒式瀝青混合料的耐磨性是其應(yīng)用的關(guān)鍵，如何獲得耐久性優(yōu)良的砂粒式瀝青混合料是耐久性研究的重要科學問題[3-5]。研究發(fā)現(xiàn)，微觀形貌是宏觀性能的表現(xiàn)，從微觀角度上看，在影響砂粒式瀝青混合料耐久性的眾多因素中集料類型是主要影響因素，研究集料類型對砂粒式瀝青混合料微觀形貌的影響，可從根本上解決研究者對砂粒式瀝青混合料耐久性評價指標的錯誤認識[6]。

當前對砂粒式瀝青混合料的研究往往集中在宏觀性能，很少聚焦砂粒式瀝青混合料的微觀特性。武漢理工大學周新星[7]研究了砂粒式瀝青混合料動態(tài)力學及界面黏附性能，發(fā)現(xiàn)紫外輻照對砂粒式瀝青混合料動態(tài)模量影響大于溫度、頻率、集料類型的影響；玄武巖砂粒式瀝青混合料的界面黏附性能由黏聚失效主導；鋼渣砂粒式瀝青混合料界面黏附性能由黏聚失效主導；安山巖瀝青混合料界面黏附性能由黏附失效和黏聚失效共同主導。西南交通大學方明鏡等[8]研究了砂粒式防水瀝青混合料低溫彎曲蠕變性能，發(fā)現(xiàn)瀝青用量大于5%時，提高瀝青用量無法大幅度提升瀝青混合料的低溫抗裂性能。長沙理工大學顏義忠[9]研究了砂粒式改性瀝青混合料的性能與應(yīng)用研究，發(fā)現(xiàn)膠粉改性瀝青和SBS 改性瀝青的技術(shù)性質(zhì)都能滿足砂粒式改性瀝青混合料防治半剛性基層路面反射裂縫對改性瀝青的要求。華南理工大學吳礦懷等[10]將砂粒式瀝青混合料作為罩面層使用，發(fā)現(xiàn)砂粒式瀝青混合料具有良好的路用性能和表面功，可作為瀝青路面預防性養(yǎng)護的超薄罩面層。廣州大學祝軒等[11]研究了砂粒式瀝青混合料作為超薄磨耗層，并對其路用性能進行評價，發(fā)現(xiàn)NovaChip 的高溫性能、水穩(wěn)性能和抗滑性能較UTAC-5、OGFC-5 的好，低溫性能較UTAC-5 的稍差。長沙理工大學李睿[12]研究了砂粒式瀝青混合料作為薄層罩面的路用性能，發(fā)現(xiàn)薄層罩面AC-5 適用于氣溫偏低、降雨量中等、車流量較大的地區(qū)。綜上所述，砂粒式瀝青混合料的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，可作為預防性養(yǎng)護的重要表面層材料。

為透徹分析集料類型對砂粒式瀝青混合料微觀性能的影響，采用三維景深顯微鏡和掃描電子顯微鏡深入研究了當集料選用玄武巖、安山巖或鋼渣時細集料瀝青混合料的微觀形貌及路用性能，以期為砂粒式瀝青混合料的工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 原料與方法

1.1 原材料

石灰石和輝綠巖購于太原市尖草坪區(qū)呼延采石廠。鋼渣來自于太原鋼鐵集團有限公司。石灰石：0～2.36 mm 集料表觀密度為2.876 g/cm3；2.36～4.75 mm 集料表觀密度為2.695 g/cm3。輝綠巖：0～2.36 mm 集料表觀密度為2.839 g/cm3；2.36～4.75 mm 集料表觀密度為2.701 g/cm3。鋼渣：0～2.36 mm 集料表觀密度為2.896 g/cm3；2.36～4.75 mm 集料表觀密度為2.901 g/cm3。填料選用石灰石礦粉，無團聚結(jié)塊現(xiàn)象，親水系數(shù)為0.8，級配采用SMA-5。瀝青選用SBS 改性瀝青，其中SBS 摻量為4%，其2 ℃針入度為56（0.1 mm），軟化點為79 ℃，5 ℃延度為35 cm。聚酯纖維摻量為0.2%。

1.2 SMA-5配合比設(shè)計

砂粒式瀝青混合料級配組成如表1 所示。集料1.18 mm 為分界篩孔尺寸，1.18 mm 以下的集料僅占不到30%，1.18 mm 以上的集料占70%以上。礦粉用量占體系總用量的2%。

表1 砂粒式瀝青混合料級配組成

依據(jù)馬歇爾體積設(shè)計法進行SMA-5 砂粒式瀝青混合料的配合比設(shè)計。集料分別選用石灰石、輝綠巖、鋼渣，集料各項指標均符合規(guī)范要求。最佳油石比分別為6.5、6.5、7.5。SMA-5 砂粒式瀝青混合料馬歇爾試驗配合比設(shè)計參數(shù)如表2 所示。以石灰石、輝綠巖、鋼渣為集料的3 種砂粒式瀝青混合料馬歇爾配合比設(shè)計指標均符合規(guī)范要求。

表2 砂粒式瀝青混合料配合比參數(shù)

1.3 砂粒式瀝青混合料微觀形貌測試

利用VHX-600K 超景深顯微鏡對砂粒式瀝青混合料的微觀形貌進行測試，采用500～5 000 倍高清晰變焦鏡頭。同時采用掃描電子顯微鏡對砂粒式瀝青混合料進行了微觀形貌的測定，電子槍選用肖特基場發(fā)射電子槍，分辨率選用0.6 nm@15 kV，加速電壓選用0.02 kV～30 kV，探針束流選用3 pA～20 nA，穩(wěn)定度優(yōu)于0.2%/h。

2 結(jié)果與討論

2.1 集料類型對砂粒式瀝青混合料三維景深形貌的影響

如圖1 所示，砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域三維景深形貌顯示，輝綠巖砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域形貌明顯不同于石灰石和鋼渣。從表面平整度來看，輝綠巖砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域平整度要小于石灰?guī)r砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域，鋼渣砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域平整度要大于輝綠巖砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域。鋼渣砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域形貌顯示其少量區(qū)域為陰影區(qū)域，這部分區(qū)域主要是由于集料與瀝青之間的平整度相差太大，凹凸不平程度較大造成。

圖1 砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域三維景深形貌（放大倍數(shù)500X）

如圖2 所示，砂粒式瀝青混合料三維景深形貌顯示，輝綠巖砂粒式瀝青混合料三維景深形貌同樣明顯不同于石灰石和鋼渣砂粒式瀝青混合料。石灰石砂粒式瀝青混合料三維景深形貌顯示其表面部分區(qū)域為白色，為集料區(qū)域，部分區(qū)域為黑色，為瀝青填充區(qū)域。輝綠巖砂粒式瀝青混合料三維景深形貌顯示其具有較多的表面褶皺，瀝青和集料相間分布。鋼渣砂粒式瀝青混合料三維景深形貌顯示其表面反光區(qū)域較多，為鋼渣切割面，少量區(qū)域存在空隙，黑色區(qū)域為瀝青分布區(qū)域，大部分區(qū)域為瀝青-鋼渣混合區(qū)域。總體而言，鋼渣砂粒式瀝青混合料三維景深形貌中集料裸露較多，其次為石灰石砂粒式瀝青混合料，輝綠巖砂粒式瀝青混合料三維景深形貌中集料裸露最少。根據(jù)前人研究結(jié)果，瀝青-集料界面間的剝落定義為黏附失效，瀝青-瀝青之間的剝落定義為黏聚失效。結(jié)果表明，石灰石砂粒式瀝青混合料中黏附失效和黏聚失效共同主導，輝綠巖砂粒式瀝青混合料中黏聚失效占主導，鋼渣砂粒式瀝青混合料中黏附失效占主導。

圖2 砂粒式瀝青混合料三維景深形貌（放大倍數(shù)500X）

2.2 集料類型對砂粒式瀝青混合料掃描電子顯微鏡形貌的影響

如圖3，砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域掃描電鏡形貌顯示，石灰石砂粒式瀝青混合料表面有大量褶皺，為瀝青彎曲或突出所致，尖銳區(qū)域為石灰石集料形貌；輝綠巖砂粒式瀝青混合料表面襯度較大，黑暗和透明部分輪廓分明，黑暗部分大部分為瀝青，透明部分大部分為輝綠巖集料；鋼渣砂粒式瀝青混合料表面襯度差異性明顯，黑暗區(qū)域和透明區(qū)域整體差異較大，分區(qū)分塊呈現(xiàn)。前人研究表明，若砂漿區(qū)域中襯度差異明顯則表明砂漿中存在高凸起或高凹陷，即砂漿易發(fā)生脆斷；若砂漿區(qū)域中襯度相差較小，則表明砂漿區(qū)域中大部分為彈性斷裂，砂漿黏附性較好。因此，由上述結(jié)果可知，3 種砂粒式瀝青砂漿中輝綠巖和鋼渣砂粒式瀝青砂漿易發(fā)生脆斷，石灰石砂粒式瀝青砂漿易發(fā)生彈性斷裂，黏附性較好。

圖3 砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域掃描電子顯微鏡形貌（放大倍數(shù)2 000X）

如圖4 所示，砂粒式瀝青混合料掃描電子顯微鏡形貌顯示，石灰石砂粒式瀝青混合料掃描電子顯微形貌表面有部分集料裸露，瀝青牢固黏附在集料表面和周圍，存在黏附失效和黏聚失效現(xiàn)象；輝綠巖砂粒式瀝青混合料表面大部分區(qū)域被瀝青所占據(jù)，并未有集料裸露，存在黏聚失效現(xiàn)象；鋼渣砂粒式瀝青混合料表面大部分區(qū)域為微小集料裸露，瀝青填充在鋼渣集料孔隙和表面，存在黏附失效現(xiàn)象。這一結(jié)論和前期三維景深形貌結(jié)論極其吻合，表明利用三維景深和掃描電子顯微鏡均可很好地評價砂粒式瀝青混合料的微觀形貌，特別是微區(qū)失效特性。

圖4 砂粒式瀝青混合料掃描電子顯微鏡形貌（放大倍數(shù)2 000X）

3 結(jié)論

通過對石灰石、輝綠巖、鋼渣3 種不同集料類型的砂粒式瀝青混合料配合比設(shè)計、基本性能及微觀形貌的研究，得出以下主要結(jié)論：

a）輝綠巖砂粒式瀝青混合料砂漿區(qū)域形貌顯著不同于石灰石和鋼渣。

b）石灰石、輝綠巖、鋼渣3 種集料下砂粒式瀝青砂漿中輝綠巖和鋼渣砂粒式瀝青砂漿易發(fā)生脆斷，石灰石砂粒式瀝青砂漿易發(fā)生彈性斷裂，黏附性較好。。

c）石灰石砂粒式瀝青混合料中黏附失效和黏聚失效共同主導，輝綠巖砂粒式瀝青混合料中黏聚失效占主導，鋼渣砂粒式瀝青混合料中黏附失效占主導。三維景深和掃描電子顯微鏡均可很好地評價砂粒式瀝青混合料的微觀形貌，特別是微區(qū)失效特性。