基于改進試驗的瀝青與集料低溫黏結性能評價

王曄曄 秦耀藝 李彬彬

（河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引言

瀝青混合料面層是與空氣、行車荷載等直接接觸的最表層，在運營期內要經受多次凍融循環作用，而經過凍融循環的瀝青混合料在車輛荷載的作用下，如果低溫性能不足，極易引起瀝青混合料面層的松散、坑槽等損壞，從而影響瀝青路面的使用質量和壽命[1]。

根據復合材料理論，瀝青混合料在凍融循環條件下出現的損傷不利位置多位于集料與瀝青的黏結面以及粗集料之間的膠漿連接面。因此，集料與瀝青及膠漿的界面黏結性能對瀝青混合料的凍融耐久性，尤其是低溫狀態下受冰荷載作用的力學行為有重要影響[2]。但是查閱相關文獻資料發現，目前關于瀝青混合料低溫性能方面的研究主要集中在瀝青材料或者瀝青混合料方面，關于瀝青與集料在低溫條件下的黏結性研究不足[3-5]。為此，本文以現行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中的“瀝青與集料的低溫黏結性試驗”（T 0660-2000）為基礎，針對該方法存在的不足，改進了試驗方法，以便更科學地判定不同膠結料與石料在低溫條件下的黏結性能，以指導各結構層瀝青結合料的選擇。

1 瀝青與集料低溫黏結性試驗方法分析

通過對T0660-2000 試驗方法規定的試驗儀器、材料、流程等進行研究，發現該方法存在著明顯的不確定因素。

1.1 缺少標準試驗設備

T0660-2000 試驗方法中對試驗器具、材料、方法和步驟等有明確規定，但是目前市場上并沒有標準試驗設備，試驗過程中難以保證儀器具有足夠的精確性，從而保證試驗結果的準確性。對此，開發了一套標準試驗設備，將擊實高度、擊實鋼球、標準方盤、集料位置固定方格網、集料套篩等制成標準設備，以降低試驗儀器誤差，提高試驗的穩定性、科學性。

1.2 集料粒徑要求范圍過寬

T0660-2000 試驗方法中使用的集料粒徑為4.75~9.5mm，集料大小差別較大，使得粒徑對試驗結果穩定性產生顯著影響。對此，本文開展了細化粒徑后的集料與瀝青的低溫黏結性試驗，結果見表1。

表1 不同粒徑玄武巖與基質瀝青低溫黏結性試驗

從表1中可以看出：集料粒徑為4.75~6mm 時，集料掉落數量和掉落質量顯著小于粒徑在6mm以上的集料，6~8mm 的集料掉落數量和質量小于8~9.5mm 檔集料，說明4.75~9.5mm 檔集料內部的粒徑組成對試驗結果具有顯著嚴重影響，集料粗細程度不同時，對試驗結果有顯著影響，因此需要嚴格控制試驗所用集料的粒徑組成。如果試驗時使用6mm 和8mm 方孔篩對4.75~9.5mm 檔集料進行二次篩分，采用粒徑為6~8mm 的集料進行試驗可大幅度提高試驗穩定性。

1.3 集料表面瀝青膜厚度無法保證

規范中要求集料表面覆蓋1mm 的瀝青，但操作過程只規定“鋼板不得傾斜，以防瀝青流向一邊”，無法保證瀝青膜厚度和均勻性[6]。對此，本文采用水準尺控制方盤保持水平，同時采用振動臺以低頻低幅振動使瀝青或瀝青膠漿形成厚度均勻的瀝青膜，減小了試驗條件的差異性。同時還探討了瀝青膜厚度對試驗結果的影響，結果表明，瀝青膜厚度1mm是合理的。

1.4 集料擺放主觀性較大

T0660-2000 試驗方法中提出要保證集料的擺放大體均勻，但實際操作中集料的擺放較為主觀和隨意，對試驗結果具有一定影響。因此，本文設計出集料位置固定方格網，以完全固定住每一顆集料的位置，每一次試驗每一個位置集料所受的沖擊能量保持一致，提高了試驗精度。

2 瀝青與集料低溫黏結性試驗過程

（1）按要求完成鐵架、底座、鋼板、集料回收槽等組裝，保持鐵架及底座水平，調整鐵架下底面高度距鋼板表面500mm。調整集料回收槽與鋼板位置，使鋼球自鐵架落下后恰好落在鋼板正中央。

（2）分別使用4.75mm、9.5mm 標準方孔篩對碎石集料進行初篩，得到粒徑4.75~9.5mm的集料，然后使用5.6mm、8mm 方孔篩對粒徑4.75~9.5mm 的集料進行進一步篩分，從粒徑5.6~8mm碎石中挑選出100顆形狀規則、接近立方體的碎石，洗凈后置于（105±5）℃的烘箱中烘干備用。

（3）將鋼板放置在溫度為（105±5）℃的烘箱中加熱備用。

（4）按T0602-2011 試驗方法的規定對瀝青進行加熱，然后將預熱后的鋼板放在平臺上并使用水準尺調整鋼板處于水平狀態后，立即向鋼板中倒入熱瀝青40g，并放置在混凝土振動臺上高頻低幅振動20s，以使瀝青在鋼板表面形成1mm的均勻薄膜。

（5）將鋼板放置在常溫環境中進行冷卻，同時使用方格網在瀝青上均勻地放100 顆準備好的碎石，共10排，每排10顆。

（6）按規范要求進行敲擊，計算被振落的集料數量占總集料數量的百分率。

3 集料與膠結料低溫黏結性評價

3.1 試驗結果與分析

采用3種石料、3種瀝青，在粉膠比0.8的條件下進行瀝青與集料低溫黏結性試驗，結果見表2。從表2 可以看出：

表2 不同類型集料與膠結料低溫黏結性試驗結果

（1）改性瀝青與集料之間具有更好的黏結性能，其中橡膠瀝青與集料的黏結性更好，這是因為改性瀝青具有較高的黏度，使得改性瀝青與集料間具有良好的黏結性能；

（2）不同類型集料與瀝青的黏結性能有所差異。石灰巖呈堿性，與瀝青有較好的黏結性；花崗巖雖然含有較多的酸性成分，但由于表面粗糙，因此在低溫條件下與膠結料也具有較好的黏結性能。

由于表2中3種集料與橡膠瀝青的試驗均無掉落，為增加掉落率，使用粒徑為9.5mm 的集料重新進行試驗，結果見表3。

表3 各類集料（9.5mm）與膠結料的低溫黏結性試驗結果

由表3 結果可以看出：對于粒徑為9.5mm 的集料，采用橡膠瀝青進行低溫黏結性試驗時，掉落的集料依然很少，顯示了橡膠瀝青優異的黏結性能。同時，當結合料為純瀝青時，使用6~8mm 檔集料可以明確反映瀝青與集料類型對瀝青與集料低溫黏結性的影響；當結合料為瀝青膠漿時，采用粒徑較小的集料無法區分不同瀝青與集料黏結性的差異，因此需要適當增大集料粒徑。此時，集料與瀝青或瀝青膠漿的黏結性能具有相似的規律。

3.2 膠結料與集料低溫黏結性損傷機理

以上試驗結果只能反映出集料與瀝青及膠漿之間的黏結性特點，如果要研究其損傷機理，還需要結合試件低溫下的破壞模式對其進行分析。集料與瀝青在單次敲擊后的破壞模式如圖1 所示。由圖1 結果可以看出，對于未摻礦粉的基質瀝青和SBS 改性瀝青，低溫敲擊鋼板時，破壞部位主要為瀝青與鋼板之間。但是，對于摻入礦粉的兩種瀝青膠漿，一次敲擊無法造成試件破壞，只有連續敲擊數次才可導致集料與膠漿脫離，或者試樣整體從鋼板脫落。集料與瀝青膠漿低溫敲擊破壞如圖2所示。

圖1 集料與瀝青低溫敲擊破壞圖

圖2 集料與瀝青膠漿低溫敲擊破壞圖

由圖1、圖2對比可以看出：與前文試驗結果相反，瀝青膠漿與集料間的粘結效果要比瀝青差。原因在于，當集料與瀝青相互作用時，集料在瀝青中會因自重而不斷下沉，直至穩定，此時集料和鋼板之間存在一定間隙，形成如圖3（a）所示的薄瀝青膜；而集料四周的瀝青量較多，接觸面積更大，形成的瀝青膜會更厚，使得集料與鋼板間的薄瀝青膜成為薄弱面，在敲擊時出現損傷。同時，由于鋼板表面光滑，與瀝青間的表面能遠小于集料與瀝青，使得鋼板與瀝青間的粘結力較低，容易分離。

圖3 集料與瀝青及膠漿粘結示意圖

集料與瀝青膠漿相互作用時，礦粉的存在使得瀝青膠漿具有較大模量，從而使集料在重力作用下下沉較短的距離即可與膠漿摩擦力達到平衡，使得集料與鋼板間存在較厚的瀝青膜，如圖3（b）所示。這時，石料四周和底部的瀝青膜均較厚，敲擊時的最不利位置分別在鋼板與膠漿的界面和石料與膠漿的界面，故出現圖4所示的2種破壞模式。

對于集料與橡膠瀝青的低溫敲擊試驗，由于橡膠瀝青具有較高的黏度，在制作試件時，必須提高瀝青加熱溫度以使橡膠瀝青正常流動，從而確保試件瀝青膜厚度達到1mm，而將集料放入橡膠瀝青后，只能下沉極短距離，使得集料與橡膠瀝青結合面成為薄弱面，在低溫敲擊時發生破壞如圖4（a）。對于橡膠瀝青膠漿，集料與膠漿間除上述不利位置外，膠漿與鋼板間也易發生剝離，如圖4（b）。

4 結束語

本文在對現行規范中瀝青與集料的粘結性試驗方法進行詳細研究的基礎上，改進了試驗方法，并開展了石灰巖、花崗巖、玄武巖3 種巖性集料與3 種瀝青及其膠漿的低溫粘結性能試驗，得出如下結論：

（1）現行規范提出的集料與瀝青低溫粘結性試驗方法并不完善，存在多種可能影響試驗結果準確性、科學性的因素，有必要對該試驗方法加以改進和完善。

（2）相對于基質瀝青，改性瀝青與集料的粘結性能更好，其中橡膠瀝青又明顯優于SBS改性瀝青。

（3）集料類型對瀝青與集料的粘結性能有一定影響。一般來說，堿性集料與瀝青間的粘結性較好，其中花崗巖雖含有較多酸性成分，但由于表面粗糙，使得其與瀝青的粘結性良好。同時，當瀝青的黏度較大時，集料類型對瀝青與集料粘結性的影響較小。

（4）對于集料與瀝青的低溫粘結性破壞試驗，當采用的膠結料黏度較低時，破壞多發生在鋼板與瀝青之間，從而可有效區分集料類型的影響；當采用的膠結料黏度較大時，集料類型對試驗結果的影響較小，可以用于研究不同結合料的粘結效果。如果需要分析集料類型的影響，可以適當增大集料粒徑。