酸性集料在沥青路面中的应用研究报告Word格式文档下载.docx
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酸性集料，粘附性，沥青路面，寒冷地区
报告摘要：
本项目结合黑龙江目前公路建设，考虑黑龙江所处寒冷地区特点，调查酸性料使用状况，分析酸性集料沥青混合料损坏机理，对酸性料沥青混合料抗剥落措施以及混合料设计进行研究，并结合试验段工程，提出酸性料沥青混合料生产过程中的质量控制标准。
英文摘要：
Inthisarticle,wecombinedwiththehighwayconstructioninHeilongjiangprovince,consideredthecoldregioncharacteristics,researchtheserviceconditionofacidicaggregate.Theadhesionofthehotmixtureasphaltwithacidicaggregateandthemixturedesignwerethekeypointinthisarticle,andmechanismofdeteriorationwasanalyzed.Atthelast,wetestandverifytheroadpropertybythetestroad.
1.概述
1.1项目背景与意义
沥青结合料呈弱酸性，通常热拌沥青混合料所用石料为石灰岩、玄武岩等碱性或者中性石料，与沥青粘附性较好，不易剥落。
我省很多地区没有规范要求的中性或偏碱性石料，因此储量丰富、抗压强度高、耐磨的酸性石料（如花岗岩等）成为高等级沥青路面的石料来源是未来发展的必然选择。
酸性石料和沥青之间的粘结能力较差，如果通过相应措施处理，不仅能充分发挥酸性石料抗压强度高、耐磨的特点，提高沥青路面使用性能，而且能解决高速公路石料短缺的问题，避免了资源浪费，降低了工程成本，同时还能带动当地相关产业的发展，具有较高的经济效益与社会效益，极具推广价值。
截止目前，我省在高等级公路中应用酸性石料的工程较少，尚没有成套成熟经验可供参考，因此开展酸性石料应用于高等级公路的技术研究是非常必要和及时的。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外状况
欧美国家从20世纪20年代起就开始重视沥青混合料水稳性与粘附性的研究，美国在1920年就有用石灰作为改善沥青路面抗水损害的添加剂，上世纪30年代Saville等人提出采用水煮法评价沥青和矿料的粘附性，到了上世纪50年代Hallberg等人开始利用真空饱水对沥青混合料的水稳性进行评价，20世纪60年代起，随着各种表面活性剂的开发，为了在沥青路面中使用力学性能较好的酸性石料，Mathews等人开始提出以含伯胺或仲胺的有机多胺或单胺与含有羰基的醛类或酸类进行反应为基础的胺类表面活性剂作为抗剥落剂，美国SHRP计划在上世纪90年代的研究报告中总结了胺类抗剥落剂、固体和液体抗剥落剂、热稳定抗剥落剂和熟石灰在沥青混合料中的剥落效果。
1.2.2国内状况
我国从“八五”期间开展重交道路沥青水稳性研究，结合美国SHRP计划研究成果确定采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验作为评价沥青混合料水稳定性的标准试验。
并且从80年代开始研制沥青抗剥落剂，至今已有几十种用于工程实践，目前市场上绝大多数抗剥落剂均为胺类抗剥落剂，国内许多科研单位和公司在非胺类抗剥落剂方面也进行了广泛研究并取得了一些成果，如哈尔滨工业大学研制的含铬外加剂，同济大学研制的含活性磷羟基的TJ-066型抗剥落剂。
周兴业等人建议用玄武岩石屑代替花岗岩石屑从而改善花岗岩沥青混合料的水稳性。
王抒音等人通过对花岗岩、安山岩等集料中掺加含铬外加剂并应用于通化—梅河口一级公路，结果表明经过含铬外加剂处理后矿料表面Si、Na原子含量下降，过度金属含量升高，矿料表面Cr3+的存在改善了其与沥青的粘附性与沥青混合料抗水损害能力。
我国对酸性集料沥青混合料的研究虽然较多，但作为高等级公路沥青路面的应用较少，且没有形成一套成熟的设计理论方法与施工技术。
1.3主要研究内容和技术路线
1.3.1研究的主要内容
（1）酸性料使用状况调查与损坏机理分析
调查我省酸性石料分布、使用状况，根据强度、粘结能力等不同的指标对我省的酸性石料进行分类，提出适合我省实际情况的酸性石料评价指标；
研究使用酸性料的沥青混凝土面层工作状态，分析环境因素（水、温度等）、车载等对酸性料使用性能的影响，重点分析使用酸性料沥青混凝土面层的损坏机理，并提出相应的改善措施。
（2）酸性料混合料设计与抗剥落措施研究
基于酸性料沥青混凝土的损害机理与长期使用性能评价，确定酸性料混合料室内设计方法，并通过理论分析与试验研究，提出适合寒冷地区的使用酸性料沥青混凝土的评价指标。
室内比对不同抗剥落剂、酸性指数不同的集料对混合料的影响，以及其对耐久性的影响。
根据寒冷地区酸性材料的特点与设计指标，结合施工工艺，提出满足寒冷地区使用性能要求的抗剥落措施。
（3）酸性集料沥青混合料施工技术研究
针对酸性石料的控制特点，对拌和楼的调节和控制、摊铺机调节和摊铺工艺、压路机选择和压实过程等内容提出相应的标准和要求，重点突出过程控制。
提出酸性料沥青混合料生产过程中的质量控制标准，包括级配和沥青用量的检验和验证，允许的偏差和波动等等。
1.3.2技术路线
本研究拟在国内外成果的基础上，通过对黑龙江省酸性料使用状况的调查，基于粘结强度、抗剥落性能等指标对酸性料进行分类，确定酸性石料的评价指标。
重点从抗剥落角度分析酸性料沥青路面过早损坏的机理，室内比对不同抗剥落剂、酸性指数不同的集料对混合料的影响，评价混合料的抗水损、抗剥落以及耐久性性能。
建立使用酸性料沥青混合料的设计方法和室内评价指标，研究不同类型抗剥落措施的适应性，在综合考虑荷载与环境因素影响的基础上，观测不同类型抗剥剥措施的匹配性及其使用性能，通过实体工程总结施工经验，并最终确定酸性料的成套技术方案。
技术路线如图1.2.1所示：
图1.3.1技术路线图
2.酸性集料使用状况调查
2.1酸性集料调研情况
本研究项目对黑龙江全省各市石场进行了大致调研，并从各石场取料进行分析，可以发现全省以花岗岩、片麻岩以及石英砂岩为代表的酸性集料分布广泛，从哈尔滨到东部的鸡西市的，从北部的伊春市到南部的牡丹江市都存在各种酸性集料不同地区代表岩性如表2.1.1所示。
表2.1.1黑龙江省酸性石料汇总
城市
地区
岩性
编号
与沥青粘附性
压碎值
表观密度
哈尔滨市
阿城区
花岗岩
1#
2
16.1
2.721
2#
3
18.3
2.732
3#
18.4
2.719
鸡西市
城子河区
石英砂岩
23.4
2.587
24.3
2.613
21.1
2.622
麻山群
片麻岩
22.4
2.651
21.3
2.723
23.1
2.686
14.7
2.739
17.6
2.751
15.1
2.750
佳木斯市
24.1
2.649
15.2
2.691
23.6
2.638
牡丹江市
东北部
24.2
2.661
2.633
13.7
2.763
14.6
2.748
13.5
伊春市
前进地区
2.713
15.8
2.701
16.3
2.722
绥化市
东部
22.7
2.618
23.5
2.600
21.2
2.603
通过对黑龙江省各地去酸性集料进行现场调研及汇总试验，我省酸性集料地区有以下特点：
（1）各地区岩石存在一定变异性
从牡丹江至鸡西方向，麻山群附近岩体从花岗岩变质为片麻岩（以花岗岩为主），变异性较大。
压碎值相对较好，部分片麻岩样品中含有较多表面的风化层，所以压碎值偏高，鸡西、绥化地区石英砂岩的石料密度较小（2.6g/cm3左右），吸水率较高（l.0%左右），其压碎值在23%左右。
另一方面，存在同一山体的不同料场之间以及同一料场的岩石均有一定的变异，匀质性较差的现象。
比如佳木斯石料来源基本在同一位置，在生产工艺基本相同的情况下，其压碎值和磨耗值均相差较大。
说明同一山体表层和内部石料存在一定的差异。
（2）与沥青的粘附性差
通过测试，我省各地酸性集料与沥青的粘附性普遍为2~3级，需要在配制沥青混合料过程中采取抗剥离措施。
通过对我省酸性集料进行调研可以得出，这些酸性集料除与沥青粘附性较低外，力学性能、物理性质均可以符合公路工程集料要求，如经过合理的粘附性改善措施，可以具备取代玄武岩、石灰岩等优质的高速公路用集料。
2.2酸性集料破坏机理分析
2.2.1集料与沥青粘附作用
集料与沥青的粘附作用是一个非常复杂的物理化学过程，主要有以下几种理论来分析解释：
（1）力学理论
力学理论认为矿料与沥青间的粘附是通过分子力的作用。
矿料粗糙多孔的表面增加了矿料与沥青的结合面积，提高了矿料与沥青间的粘结力；
另外，由于集料表面存在各种大小空隙或者微裂缝，沥青在高温时以液态形式渗入到空隙中后，随着温度降低，沥青则在空隙与微裂缝中发生胶凝硬化，起到楔入与锚固作用，从而增强了集料与沥青之间的结合力。
（2）化学反应理论
化学反应理论认为，沥青与矿料之间的粘附性主要来源于沥青与矿料表面发生的化学反应。
沥青结合料呈弱酸性，当其与碱性矿料表面的碱性活性分子发生反应后，产生较好的粘附性。
而对于酸性集料则少有化学反应，所以表现为酸性集料与沥青的粘附性差。
（3）表面能理论
表面能理论认为沥青与集料的粘附性是由沥青的湿润能力与集料表面的紧密结合力决定的，这种结合力是根据能量作用即沥青与集料润湿矿料表面而形成的，当集料处于潮湿状态时，其与水的粘附力要大于与沥青的粘附力，因此水能浸入集料与沥青的界面，形成集料—沥青—水的表面接触。
液体完全浸润固体表面是形成高粘结强度的必要条件。
液体润湿固体表面的过程也是固液体系的表面自由能减小的过程。
润湿的过程通常用接触角θ来衡量。
液体对固体的浸润通常分为以下三种情况：
ⅰ.当接触角θ接近0°
时，液体浸润固体表面并扩展到整个表面的倾向，集料表面完全润湿。
ⅱ.当接触角θ小于90°
时，液体浸润固体表面并有一定的扩展，集料被水润湿的程度比沥青润湿的要好，所以集料表面的沥青容易被水剥离。
ⅲ.当接触角θ大于90°
时，液体有离开固体自我收缩的倾向，不能浸润固体表面，集料表面的沥青不易被水剥离。
（4）分子定向理论
分子定向理论认为，沥青与矿料间的粘附性是由沥青中的表面活性物质对矿料表面的定向吸附而形成的。
当沥青与集料表面紧密接触时，沥青分子定向吸附，以便适应集料能量的需求。
水分子是偶极分子，而沥青分子通常是无极性分子，拥有更多极性的水分子很容易满足表面能量的需求。
表面活性物质的分子是由极性基和非极性基组成的不对称结构，极性基带有偶极矩，故能表现出力场。
石油沥青的元素组成中，碳和氢的含量为90%～95%，其余部分为氧、硫、氮。
沥青的活性（极性）部分就含有这些元素，如—OH，—COOH、—NHZ、—SH等。
沥青可视为表面活性物质在非极性碳氢化合物中的溶液。
沥青吸附于矿料表面后，沥青与矿料表面首先发生极性分子定向而形成吸附层;
与此同时，在极性力场中的非极性分子由于得到极性的感应，获得额外的定向能力，遂而构成致密的表面吸附层。
所以认为，沥青极性是粘附的本性，是导致矿料吸附沥青的根本原因。
沥青在矿料表面的吸附可分为物理吸附、化学吸附和选择性扩散吸附。
上述4种理论分别以不同角度解释了集料与沥青之间的粘附作用，而沥青混合料发生水损害并造成集料与沥青剥离的原因涉及了很多因素，包括以上几种理论之间物理化学的相互作用，需要综合对集料本身进行化学分析，研究酸性集料沥青混合料中集料与沥青间的粘附—剥离机理。
2.2.2酸性集料沥青混合料水损害机理
本文选取阿城、嫩江、牡丹江等城市附近料场的花岗岩、片麻岩、石英砂岩、石灰岩进行化学成分分析，本试验的实验原理为利用X射线光子或其它微观离子激发待测物质中的原子，使之产生荧光，根据荧光的波长以及强度对集料主要成分进行分析，试验结果如表所示2.2.1所示。
表2.2.1集料化学成分分析实验结果
主要成分含量%
CaO
MgO
Fe2O3
Al2O3
TiO2
SiO2
K2O
Na2O
烧失量
2.98
1.57
3.01
13.28
0.35
69.18
2.54
6.13
0.90
0.79
0.23
4.24
10.89
0.22
74.30
3.14
1.10
5.98
5.12
3.04
0.99
0.89
74.28
0.88
石灰岩
48.59
2.465
0.275
1.155
1.885
0.13
0.265
41.825
从试验结果可以看出，以花岗岩、片麻岩为代表的酸性集料是以硅铝为主要成分的石料，其中SiO2含量均大于65%，而以石灰岩为代表的碱性集料是以钙铝为主要成分，其SiO2含量小于52%。
从化学反应角度来看，沥青中含有少量的梭酸和亚枫，使得沥青呈弱酸性。
石灰岩中的碱性活性中心可以与沥青中的酸性成分发生反应，生成具有较强吸附性能的沥青盐酸，从而使得集料与沥青间有较好的粘附性。
酸性石料由于没有碱性活性中心，故与沥青之间不能形成良好的粘附。
为此，常在集料中添加消石灰作为抗剥落剂，其原理就是因为石灰的成分主要是氧化钙（CaO），加水消解后，成为氢氧化钙（Ca（OH））2。
消石灰的Ca（OH）2含量一般达到90%以上，氢氧化钙是强碱性物质，其溶液的pH>
12，当氢氧化钙与沥青中的梭酸、亚枫接触时，即产生化学反应，生成硷土盐。
硷土盐具有较强的吸附性能，能牢固地粘附在粒料表面而不剥落，沥青就不易从粒料上脱离，从而增加了沥青与粒料的粘附作用。
另外使用消石灰能使沥青中的极性成分与消石灰发生反应或被吸收，而这些成分能被进一步氧化而增加了沥青的粘度，使沥青本身的凝聚力更强。
从表面能角度来看，SiO2的极化能力比较大，水是一种极性分子，因此酸性集料倾向于将更多的水覆盖在其表面以使其不饱和的立场得到补偿，降低表面能，其跟水的接触角越是小，与沥青的接触角则越是大，沥青就越容易从集料表面被水剥离。
为减小集料与沥青的接触角，通常会通过添加表面活性成分，使其覆盖在集料表面从而减小酸性集料与沥青之间的界面张力，提高酸性集料与沥青之间的粘附性能。
从沥青混合料设计角度来看，由于行车过程中对沥青路面造成的动水压力加剧了集料表面沥青膜的剥离。
一方面，车载经过路表积水地方，在沥青混合料空隙上方形成很大的压力从而将路表积水直接压入混合料空隙中；
当车轮离开积水地方的时候，会在空隙处形成负压，这样的正负压抽吸水是沥青路面水损害的最主要影响因素。
另一方面，在车载作用下由混合料中连通空隙形成的超孔隙水压力，会在混合料内部连通空隙中形成高压水流，从而对沥青混合料施加冲刷压力，产生多种破坏。
因此，在酸性集料沥青混合料配合比设计时，为减少水损害的产生，应通过增加沥青膜厚度、减小混合料空隙等方式提高酸性集料沥青混合料的抗剥落性与水稳定性。
2.3本章小结
（1）沥青时弱酸行的，易与集料中的CaO、MgO等碱性物质发生反应，通过化学成分分析试验，作为花岗岩、片麻岩、石英砂岩等酸性集料，其CaO、MgO含量普遍偏低，尤其花岗岩和片麻岩两这含量不足5%，石灰岩的碱性氧化物含量较大，占总量50%以上。
碱性物质含量低是酸性集料与沥青粘附性差的主要原因之一。
（2）集料中添加消石灰作为抗剥落剂，加水消解后，成为氢氧化钙（Ca（OH）2）。
当氢氧化钙与沥青中的梭酸、亚枫接触时，即产生化学反应，生成硷土盐。
（3）酸性集料倾向于将更多的水覆盖在其表面以使其不饱和的立场得到补偿，降低表面能，其跟水的接触角越是小，与沥青的接触角则越是大，沥青就越容易从集料表面被水剥离。
3.酸性集料路用性能试验
3.1试验方案
3.1.1提高酸性集料与沥青粘附性措施
保证沥青与集料的粘附性和抗剥离性能是防止路面破坏的最基本的条件之一。
众所周知，像花岗岩等典型的酸性石料，虽然具有高强、耐磨等特点，但与沥青的粘附性比较差，导致沥青混合料的路用性能难以满足工程要求。
为提高酸性集料的粘附性，常采用以下几种措施：
（1）集料中掺加抗剥落剂；
（2）使用水泥或消石灰代替部分或全部矿粉，掺量不宜大于混合料总量的1.0%，否则不利于混合料水稳定性能；
（3）对沥青进行改性，沥青结合料中添加增粘剂。
为增强酸性石料与沥青的粘附性，提高酸性集料沥青混合料的路用性能，本研究酸性集料选取阿城天利石场花岗岩作为代表，从掺加抗剥落剂、改善矿粉与石屑性质等方面进行混合料配比优化，针对寒冷地区气候特点分别采用沥青中掺加0.4%的抗剥落剂、将矿粉总量的1/3用石灰代替、集料浸泡在消石灰水中2小时后烘干、用石灰岩石屑代替花岗岩石屑等措施，对酸性集料沥青混合料粘附性、水稳性与低温稳定性等性能。
3.1.2酸性集料粘附性评价试验
本研究粘附性试验以《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0616—1993沥青与粗集料的粘附性试验中水煮法为基础对酸性集料与沥青粘附性进行评价，并且在试验中注意以下几个方面：
（1）5个13.2mm～19mm的集料形状、规格、颜色接近，具有代表性。
（2）保持每一个试验烧杯中水保持在微沸状态（95℃左右），且不允许有沸开的泡沫。
（3）浸煮时间延长至5min，将集料从水中取出时，应注意将集料上方水中聚集成团的沥青清掉，防止已经从集料表面脱离的沥青油膜重新粘在集料表面。
3.1.3酸性集料沥青混合料水稳性试验
本研究水稳性试验是以《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0709—2000浸水马歇尔稳定度试验、T0729—2000沥青混合料冻融劈裂试验为基础，对酸性集料沥青混合料进行水稳性评价。
3.1.4酸性集料沥青混合料低温稳定性试验
本研究低温稳定性试验是以《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0716—1993沥青混合料劈裂试验、T0715—1993沥青混合料弯曲试验以及T0720—1993沥青混合料线收缩系数试验为基础，对酸性集料沥青混合料进行低温稳定性能评价，其中低温劈裂试验与弯曲试验更适用于评价沥青混合料的低温抗荷载破坏能力，线收缩系数试验更适用于评价沥青混合料的抗低温收缩开裂能力。
3.2试验结果与分析
3.2.1原材料选择
（1）沥青
虽然石料的性质是影响石料与沥青粘附性的主要因素，但沥青的酸值对粘附性也有一定的影响，沥青的酸性越大说明该沥青表面活性组分含量越高，其与石料的粘附性就越好。
本研究选择SBS（Ⅰ-B）改性沥青，其各项指标见表3.2.1所示。
表3.2.1沥青结合料各项指标
项目
技术指标
试验结果
针入度25℃，（0.1mm）不小于
80～100
88
延度5℃（cm）最小
40
＞100
软化点℃最小
50
52.5
运动粘度135℃（Pa.s）最大
1.3
闪点（℃）最小
230
285
溶解度（%）最小
99
99.5
TFOT后残留物
质量损失（％）最大
1.0
0.1
针入度比25℃（％）最小
55
66.1
延度5℃（㎝）最小
25
75
（2）集料
酸性集料除与沥青粘附性方面要求略低以外，其余各项指标均应满足高速公路对集料的技术要求。
本研究所用集料为花岗岩，集料来自阿城天利石场，粗集料的各项性能如表3.2.2所示。
表3.2.2粗集料各项性能指标
指标
单位
技术要求
试验方法
石料压碎值不大于
％
26
T03161
洛杉矶磨耗损失不大于
20.3
28
T0317
视密度不小于
t/m3
2.660
2.6
T0304
吸水率不大于
0.7
坚固性不大于
5
12
T0314
4.75～9.5mm颗粒针片状含量不大于
8.5
15
T0312
水洗法<
0.075mm颗粒含量不大于
0.3
1
T0310
软石含量不大于
1.1
T0320
细集料各项性能如表3.2.3所示。
表3.2.3细集料各项性能指标
指标
T0328、T0329
砂当量不小于
78
65
T0334
矿粉各项性能指标如表3.2.4所示。
表3.2.4矿粉的各项性能指标
2.717
T0352
含水量不大于
烘干法
粒度范围
<
0.6mm
100
T0351
0.15mm
93.7
90~100
0.075mm
88.6
75~100
外观
无团粒结块
亲水系数
0.2
＜1
T0353
（3）消石灰与水泥
消石灰或水泥的掺加方法采用将消石灰或水泥直接加入到沥青混合料中一起拌和的方式，为确保掺加消石灰或水泥后矿料与沥青粘附性能够提高到预期目标，必须对消石灰与水泥的质量进行严格控制，保证其具有良好的纯度、细度与钙、镁含量。
消石灰技术指标如表3.2.5所示。
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