方解石对沥青混凝土长短期冻融性能影响试验研究.pdf

施工技术（中英文）年 月下第 卷 第 期：方解石对沥青混凝土长短期冻融性能影响试验研究王 强，郭晓刚，郝培文，苗 瑞（中交第二航务工程局有限公司第六工程分公司，湖北 武汉；长安大学公路学院，陕西 西安；上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海）摘要 方解石为石灰岩的主要成分（以上），而石灰岩是建筑集料中最常见的材料之一，因此方解石在石灰岩中的含量会影响最终沥青混凝土的性能。针对目前路面规范对含有方解石集料的分类方法及评价体系的不足，研究方解石对沥青混凝土长短期性能的影响及自然冻融影响劣化过程的机理。通过设计自然环境条件下的全尺寸冻融循环试验，分析经过 个试验循环后的原材料与沥青混凝土的性能，得出含有方解石的沥青混凝土的劣化规律，发现其在自然冻融下的影响要远远大于室内试验的结果，方解石的亲水作用对混合料产生了侵蚀、崩解。关键词 混凝土；方解石；冻融循环；水损害；劣化机理；试验中图分类号；文献标识码 文章编号（），（，；，；，）：（），：；国家自然科学基金（）作者简介 王 强，高级工程师，：通信作者 郭晓刚，工程师，：收稿日期 引言 方解石是我国最常见的天然碳酸钙矿物，其集合体多表现为簇形的晶体状，敲击可得方形碎块，因此称为方解石，是石灰岩的主要成分（以上）。石灰岩简称灰岩，属于碳酸盐岩，是常用的路面材料之一，其作为典型的碱性石料被认为虽然强度较玄武岩低，但与沥青黏附性更好，具有一定的水稳定性，能预防早期水损害，可作为路面面层材料。道路建设中遵循就地取材的施工原则，在缺少优质玄武岩的情况下，分布广泛的石灰岩常被建议在路面各层结构中使用，甚至在有水的环境中，如排水路面中的下面层。王 强等：方解石对沥青混凝土长短期冻融性能影响试验研究 但近年研究发现，含有较多方解石的石灰岩并不具有一般石灰岩在路面施工中的适用性，其可能会损害沥青混凝土路面的性能。有观点认为，方解石遇热易崩解，会降低与沥青的黏附性，使沥青逐渐剥落，造成早期坑槽等路面水损害问题。浙江省高速公路沥青路面规范化施工与质量管理指导意见（年修订版）中认为，方解石属于软石类，其含量应不大于集料的。更有学者认为方解石超过集料的 时，集料的压碎值会受到极大影响。谭巍调研了我国南方某地的石灰岩，认为硅化物含量较高、方解石含量较少的石灰岩具有更好的强度性能。等使用分子动力模拟研究发现，方解石集料在遇水浸润作用下会极大地降低沥青与集料的黏附性，破坏集料与沥青间的微观结构。且在 与咸水的作用下，石灰石中的方解石会在节里处和晶面位置产生溶解现象。等对沥青混合料中游离的方解石进行了研究，发现其在酸性环境中易被溶蚀，且也会受硫酸根岩石的影响。同时，含方解石集料特殊的菱角性与表面的粗糙度、空隙形状等在混合料中对与沥青间黏附性的影响可能远大于沥青与岩性的作用。但有学者提出不同观点。杨涛等对凝灰岩的沥青混凝土进行了水稳定性试验测试，发现方解石含量的提高，会增强其耐高温、耐低温及水稳性能。对含有方解石的石灰岩进行 压碎值试验，其强度没有弱化。等通过分子动力模拟计算干湿状态下界面黏结功，发现碳酸钙分子与沥青的水稳定性要好于氧化硅分子。等对高方解石含量（）的石灰岩表面纹理、岩性、黏附等级及与沥青的界面强度等进行研究，发现其具有相当好的性能表现。甚至在沥青老化后，石灰岩与沥青的黏附性能也好于相同条件下的硅酸岩类。这种矛盾可能是当前沥青混凝土路面中石料评价体系不完善造成的。等认为，传统路用石料的岩性分类方法中按照二氧化硅的含量来划分是不合理的，这种方法不能充分表征集料内部的组分，无法判断集料本身的强度及其与沥青的黏附性。这使对这类石料的长、短期抗水损害，抗剥落性能的评价不足，使生产和施工缺乏依据，致使部分公路沥青混凝土路面在通车早期就发生了大面积的坑槽、破损、推移等病害。而公路设计、施工规范未对石灰岩的岩性进行再次细分，没有给出试验与评价的方法。在不同气候区域，温差大小的不同，导致了集料对沥青混凝土水稳定性影响的显著性。且由于室内试验假设条件的限制，使不同研究人员得出的结论不同。通过上述结论可知，含有方解石的沥青混凝土在实验室中表现较好，但在现场调研中的实际表现较差，且存在被水侵蚀的可能。目前室内试验与现场情况是脱节的，室内试验不能有效评价方解石对沥青混凝土的影响，尤其是水稳定性。虽其分子在初期与沥青产生了较好的黏结，在理想试验环境中表现出较好的性能，但其与现场差异较大，室内模拟冻融过程不能全面再现实际路面劣化过程。方解石在沥青混凝土中受到水的冻融作用的劣化机理仍不清晰。为研究方解石在现场沥青混凝土劣化过程中的作用和机理，解决室内试验与现场情况关联性差的问题，本文设计了自然条件下的足尺寸冻融循环试验。通用对比室内试验方法，经过 个自然冻融季节后，对含具有不同性质集料，的沥青混合料，路面性能进行水稳定性及强度的试验，对比多种不同岩性集料在同等试验条件下对混合料的性能影响，从而获得方解石在沥青路面中发生破坏的机理与过程，进一步完善含有方解石的沥青混凝土性能评价方法，为优化和控制沥青混合集料中方解石成分提供依据。试验设计 试验方法 为判断含有方解石的沥青混凝土路面在自然冻融条件下的性能下降过程，试验依托于足尺寸加速加载环道试验，在首年秋季摊铺了沥青混凝土路面，通过封闭交通，使路面在不受干扰的情况下经受 年的自然冻融过程。采集路面性能下降过程中的信息，通过使用劈裂强度试验和提取试验（包括集料的级配、岩性测试、沥青含量、针入度、软化点、延度试验等），分析自然冻融前后的沥青混凝土材料性能变化，对比实验室内劈裂强度试验、冻融劈裂试验和车辙试验结果，再通过对比参照试验，得出含有方解石的沥青混凝土在实际路面中的性能劣化机理。根据当地的气温记录，按月平均低温降低到 及以下开始计算冻融季节，至平均低温高于 以上为止，经历 年的冻融季节气温变化如图 所示。由图 可知，个冻融季节的气温变化情况基本一致，冻融季节均处于 月至来年 月。集料的选择 试验评价的集料选取了结晶灰岩（集料），其为典型的碱性集料，方解石成分含量达到 以 施工技术（中英文）第 卷图 经历 年的冻融季节气温变化 上。试验中还分别对比了中性（集料）和酸性石料（集料）。按照 公路工程集料试验规程的试验操作方法，详细岩性分析如下。）集料 斜长角闪岩，矿物成分主要为中性，其中含角闪石，斜长石、少量石英，榍石、帘石、少量不透明矿物。）集料 角闪片岩，矿物成分偏酸性，其中含角闪石、辉石 ，斜长石、少量石英 ，榍石、帘石、碳酸盐、不透明矿物、磷灰石等。）集料（目标集料）结晶灰岩，矿物成分主要为碱性，其中含方解石，石英，透闪石、透辉石，少量不透明矿物等。种集料的基础物理性能指标如表 所示。表 原材料中 种集料的力学性能 项目压碎值质量损失 坚固性试验质量损失 集料 集料 集料 技术要求试验方法 注：，为 公路工程集料试验规程的试验编号 由表 可知，种集料均符合 公路沥青路面施工技术规范的要求，为进行更好的比较，选取压碎值接近集料 而坚固性更好的集料，和坚固性接近于集料 而压碎值表现较好的集料，以考察各基础指标的重要性。沥青的选取 按照 的方法设计级配，采用 改性沥青，通过正交试验确定最终级配与最佳油石比，混合料级配曲线如图 所示。混合料，的最佳油石比分别为 ，。图 混合料，的级配曲线 ，试验结果与分析 自然冻融前混合料性能试验 冻融前首先测试了配制好的 种混合料性能，如表 所示，均符合设计规范要求。表 冻融前混合料性能 集料车辙次冻融劈裂强度 冻融前冻融后冻融劈裂抗拉强度比 劈裂强度混合料 混合料 混合料 由表 可知，集料 虽坚固性质量损失率比集料 高 ，但其冻融劈裂强度并未受到影响，组样品性能基本一致，这说明混合料 在实验室条件下具有一定的抗冻融能力。虽集料，在原材料性能上优于集料，但制备成混合料后，混合料 的性能却表现稍好。这主要是因为试件内部空隙较大的部位受到冻融后，沥青与集料黏附性下降导致强度衰减，未对集料造成损伤；且 改性沥青加强了集料与沥青间的界面，所以三者没有明显差异。集料 是碱性石料，相比集料，的中性、弱酸石料，其与沥青的黏附性更强，因此表现出了更好的性能；故在实验室的常规试验中，混合料性能与界面的强度更密切。自然冻融后材料性能调查结果 经过 个自然冻融季节后，路面材料无论从整体上还是组成上均出现了不同程度的性能下降，后文将从集料、沥青、混合料 个角度分析。王 强等：方解石对沥青混凝土长短期冻融性能影响试验研究 集料 通过试验提取经过 个冻融季节后路面芯样中的集料，再次按照规范的方法进行坚固性测试，结果如表 所示。表 提取集料的坚固性试验结果 集料坚固性试验质量损失 平均值 集料 集料 集料 对比表，表 可知，组试样集料的坚固性较冻融前均出现了下降，其中冻融后的集料 坚固性质量损失最大。因此单独对回收的集料 进行压碎值测定及软弱颗粒含量测定（），发现压碎值增长至 ，增长率为 ；软弱颗粒含量从最初的小于，增长到 。可推测，集料 受到自然冻融影响，有 的石料产生了软化，转变为软弱颗粒，但未软化的石料仍具有一定的强度与坚固性。同时发现，沥青混凝土中方解石的崩解与软化是逐渐进行的，而方解石本身没有对材料整体的强度造成直接影响，而是崩解后产生了大量的软弱颗粒，导致结构失稳。沥青 为调查富含方解石的沥青混合料在冻融劣化过程中沥青的作用，对提取回收的沥青进行软化点、延度、针入度试验，其中，延度测试温度为，结果如表 所示。表 回收改性沥青性能试验结果 试验软化点延度针入度（，）样品 样品 由表 可知，提取后的沥青由于经历年限（年）较短，且未受到车载的损伤，受老化影响较小，其结果与 试验结果有一定的一致性，可认为实验室中 的老化效果相当于自然环境下 年时间的老化效果。沥青在自然环境下老化与 老化后性能对比如图 所示。但不同的是自然环境的老化对延度的损伤更图 沥青在自然环境下老化与 老化后性能对比 苛刻，在针入度几乎相同的情况下，自然环境下老化的沥青延度下降明显更快，自然老化对沥青黏聚力损伤更大。这是由于自然环境中存在紫外线老化。沥青在自然老化过程中，逐渐失去黏性，更易从石料的表面剥落，与崩解的方解石屑糅合在一起，形成沥青泥沙，使失去沥青裹附的石料接触到空气与水，促使方解石再次崩解，最终表现为层内松散与路面失稳，如图 所示。图 层内松散、失稳及产生的沥青泥浆化，由图 可知，芯样孔内出现沥青泥浆化，石料碎裂化。该情况与含方解石集料的检测结果一致，软弱颗粒增多是该种石料发生病害的主要原因。级配 通过对自然冻融后的沥青混合料进行提取，获 施工技术（中英文）第 卷得冻融后的实际级配，试验前后级配变化如图 所示。混合料，级配较稳定，所以各取 点对比；选取混合料 的 点与原级配曲线进行对比。图 自然冻融后混合料的级配变化 由图 可知，混合料，的级配更趋向于分布在基准级配两侧，且变化不大，产生了一定程度上的粗集料变细，细集料增多，其可能是由施工的不均匀性、碾压机械的强度等引起的，也同样存在一定程度上的冻融损伤，使粗集料变细。混合料 的级配变化曲线与混合料，的区别较大，可明显看出其 个点的曲线均分布在原基准级配曲线上方，说明混合料 中各挡集料均在冻融后发生了变细的现象，所以混合料 的冻融损害是系统性的。在粒径小于 的颗粒中，混合料 的级配曲线比原基准曲线位置高，可知在集料损失中部分转化为粒径较细的粉末状态。在常用的拌合温度下，方解石虽会产生一定的崩解，但数量较小，也同样可保证所生产的沥青混凝土强度，初期的性能试验数据符合设计标准，这也是部分学者认为含方解石石料可作为集料制备沥青混凝土的原因。但方解石崩解的过程是长期作用，在有水环境下，受反复冻融影响产生了崩解，这种情形应称为冻融崩解，其影响远大于方解石的热崩解。油石比 提取后的混合料，在自然冻融后的油石比如表 所示。表 面层提取试验油石比检测结果 混合料实测油石比 均值 原油石比 降低比例 由表 可知，混合料，中的沥青经过 个自然冻融季节，保持了原始油石比，可判断没有发生剥落现象；反之，混合料 较设计油石比下降了，损耗比率达 ，出现较大剥落，表现为沥青含量降低。自然冻融现场对含有方解石的沥青混凝土会产生剥离、侵蚀的作用，这是因为虽然方解石与沥青吸附能力较强，但方解石同样具有亲水作用，致使现场路面裂缝发展，界面易被水侵入，失去黏附作用。混合料 对混合料，分别进行劈裂强度试验，以多组试验的平均值作为该混合料劈裂强度的代表值，与冻融前的基准劈裂强度进行对比，结果如表 所示。由表 可知，混合料，受自然冻融影响较小，对石料损害较小，所以沥青没有产生剥落，且沥青发生轻微的老化作用，使沥青混合料性能得到一定的提高。但使用方解石的混合料，受自然冻融影响较大，劈裂强度下降了 ，这是由于其集 王 强等：方解石对沥青混凝土长短期冻融性能影响试验研究 表 自然冻融前、后混合料劈裂强度对比 集料抽查点数初始劈裂强度 冻融劈裂强度 混合料 混合料 混合料 料开始变细、软化，沥青开始剥落，已产生较大的内部损害，难以形成结构强度。实验室结果显示混合料，的初始劈裂强度、冻融劈裂强度均较好，符合规范要求。但经过 个自然冻融过程后，其性能发生了明显不同的改变。参照组混合料，的强度与实验室结果相比反而有所增加，这是由于实验室中冻融劈裂试验假设了试样的不密实状态，只考虑了试件空隙中的水造成的损害，与实际路面情况不符；而实际水损害是在复杂因素作用下产生的破坏，还要考虑材料界面、各成分的物理化学性质、路面结构组合及其他外部作用的耦合等因素。这是由于自然冻融的效力远远大于实验室环境，在一个自然冻融季节中，可能会出现几十次，甚至上百次的冻融循环。所以才需进行现场自然冻融试验，来修正实验室内试验，从而可有效控制和预测路面材料的性能。且自然环境中雨水的酸化使方解石产生了较高的亲水性，更易受到水的侵害。结语 ）集料岩性的差别不会使材料本身在物理性能上产生明显差异，其制备的沥青混凝土在室内性能试验的评价中表现相近。但经过自然冻融后，含有方解石的石料较普通石料的坚固性下降更快，说明其在自然冻融条件下，抵抗冻融的能力较差。）含有较多方解石路面的劣化机理为：较高含量的方解石受自然冻融而崩解，引起沥青混凝土整体材料强度的快速下降，出现路面的破坏、失稳。）自然冻融对含有方解石的沥青混合料的影响要远大于实验室内冻融劈裂试验模拟的结果。且冻融劈裂试验在评价质量较好的沥青混凝土时，往往会低估其水稳定性，而对集料较差的沥青混凝土反而会产生高估现象。）沥青混凝土室内试验的假设条件与现场路面环境的差异是导致关联性差的主要原因。室内试验过多关注试件的孔隙状态和拉应力影响，而没有考虑其他因素，如材料黏附性、化学特性、热稳定性等。）改性沥青在 试验中的老化程度，相当于模拟了近 年自然环境的老化效果。且这种轻微的沥青老化，在一定程度上提高了沥青混合料强度、水稳定性。）自然冻融试验可联通室内试验与现场路面的关系，发现室内试验的不足，对进一步进行室内冻融试验的修正、新标准试验的开发具有重要意义。岩石的岩性、结构体系十分复杂，目前技术规范的石料划分方法难以满足路面材料设计的需求。自然冻融试验可较好地发现深层的路面问题，可作为修正、验证常规试验的重要手段。建议下一步开发缩尺寸的冻融模拟试验，进一步完善评价方法，构建我国路面使用集料细化准则。参考文献：原健安，张登良沥青与矿料粘附性研究中国公路学报，（）：，（）：延西利，梁春雨沥青与石料间的剪切粘附性研究中国公路学报，（）：，（）：韩森，刘亚敏，徐鸥明，等材料特性对沥青集料界面粘附性的影响长安大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，谭忆秋，吴建涛，李晓民，等沥青与集料交互作用能力的评价指标哈尔滨工业大学学报，（）：，（）：谭万波石灰岩在贵州高速公路沥青路面中的应用交通标准化，（）：，（）：交通运输部公路科学研究院排水沥青路面设计与施工技术规范：北 京：人 民 交 通 出 版社，：，黄耀，朱双贵隆高速公路含方解石石灰岩沥青混合料性能及应用研究广州航海学院学报，（）：，施工技术（中英文）第 卷 ，（）：何萍 改性沥青与石灰石、方解石的粘附性试验公路工程，（）：，（）：汪曙光方解石含量对沥青混合料性能影响的试验研究湖南交通科技，（）：，（）：，谭巍基于沥青路面抗滑特性的实验系统开发与石灰岩优选关键技术研究重庆：重庆交通大学，：，（）：孟繁奇，李春柏，刘立，等咸水方解石相互作用实验地质科技情报，（）：，（）：，：刘占良，郝景贤粗集料性能对沥青混合料性能的影响公路，（）：，（）：，：，（）：杨涛，郑健龙，谢博，等凝灰岩沥青混合料高低温和水稳定性能试验研究公路交通科技，（）：，（）：刘安，李闯民温度对沥青混合料用集料的压碎值影响探讨公路，（）：，（）：，：，（）：，：，：，：，：，（）：沈金安沥青路面的水损害与抗剥落剂性能评价石油沥青，（）：，（）：中交路桥技术有限公司公路沥青路面设计规范：北京：人民交通出版社，：，交通运输部公路科学研究院公路沥青路面施工技术规范：北京：人民交通出版社，：，郭博，高妮大温差地区沥青混合料材料组成因素对路用性能的影响筑路机械与施工机械化，（）：，（）：卢廷基，李中汉，岳爱军含方解石石灰岩沥青混合料性能的试验研究西部交通科技，（）：，（）：，（）：冯新军，唐雄，熊旭酸雨对沥青混合料路用性能的影响研究武汉理工大学学报，（）：，（）：周兴林，刘万康，冉茂平，等酸雨对石灰岩沥青混合料抗滑性的影响公路，（）：，（）：