利用片麻岩制备高等级路面材料的研究与应用-硕士论文

武汉理工大学 硕士学位论文 利用片麻岩制备高等级路面材料的研究与应用 姓名：徐敏 申请学位级别：硕士 专业：材料学 指导教师：丁庆军 20100501 摘要 水造成的损害是我国高速公路沥青混凝土路面最严重的早期破坏原因之 一。在诸多可控因素中，集料的岩石性质对沥青混合料的水稳定性能影响显著。 片麻岩、花岗岩和砂岩等酸性集料由于与沥青较差的粘附性而使其在公路建设 中得不到广泛应用。因此，研究酸性集料沥青混合料的水损害机理、优化设计 并制备酸性集料沥青混合料，对于酸性集料在沥青混凝土中的应用具有重要的 意义。 本文依托湖北省交通厅科技攻关项目一“武英高速公路高耐久多功能沥青 面层系统优化设计及其工程应用”，结合工程实例，以片麻岩为酸性集料的代表， 基于化学反应理论、表面能理论和表面构造理论分析了片麻岩沥青混合料水损 害的内在因素，并基于路面结构行为理论，分析了片麻岩沥青混合料水损害的 外在因素，探讨了片麻岩沥青混凝土的水损害机理。在此基础上，提出了片麻 岩沥青混合料的优化设计方案：通过掺加自主研发的界面增粘剂、水泥及对矿 料级配进行优化设计；制备出了水稳定性能与高温性能优良的片麻岩沥青混合 料，浸水残留稳定度与1 次冻融劈裂强度比分别达到9 2 8 、9 3 9 ，4 次冻融 劈裂强度比超过8 0 4 ，水稳定性能超过石灰岩普通沥青混合料；动稳定度超 过5 0 0 0 次m m ，满足高等级路面使用要求。 根据化学分析和岩相分析的测试结果，基于表面能理论的分析，采用S B S 、 促进剂、稳定剂等开发的界面增粘剂，改善基质沥青与片麻岩集料的粘附性能， 粘附等级达到5 ，同时在重交沥青中掺加6 的增粘剂后，沥青的软化点达到 9 3 ，6 0 粘度高达4 5 0 0 0 P a s 有利于提高混合料的高温性能；根据化学反应 理论，添加2 的水泥抗剥落剂；根据路面结构行为理论，通过控制细集料用量、 关键筛孔( O 0 7 5 m m ) 和沥青油膜厚度对片麻岩沥青混合料的级配进行优化设 计，提出片麻岩沥青混合料优化设计控制的关键点：A C 1 3 关键筛孔2 3 6 m m 通过率：4 3 0 9 ；A C 2 0 关键筛孔4 7 5 m m 通过率：4 6 乡扣5 2 ；A C 2 5 关键 筛孔4 7 5 m m 通过率：4 6 一5 2 。 采用本文的优化方案即通过掺加界面增粘剂、水泥和矿料级配优化，有效 地解决了片麻岩沥青混合料水稳定性能不足、耐久性差的难题，并成功应用于 武英高速公路。 关键词：片麻岩；界面增粘剂；水稳定性；水损害机理 A b s t r a c t f e l “ d a m a g ei s o n eo ft h em o s ts e r i o u sr e a s o n so ft h ee a r l yd a m a g eo ft h e e x p r e s s w a ya s p h a l tm i x t u r ep a v e m e n ti no u rC o u n t r y A m o n gt h er e a s o n sw h i c hc a n b ec o n t r o l l e d ，t h en a t u r eo ft h er o c ki nt h ea g g r e g a t ei st h eg r e a t e s ti m p a c to nt h e w a t e rs t a b i l i t y A c i d i ca g g r e g a t es u c ha sg n e i s s ，g r a n i t ea n dg r i t s t o n eC a nn o tb e w i l d l Yu s e di nr o a dc o n s t r u c t i o nb e c a u s eo ft h ep o o ra d h e s i o nt oa s p h a l t C o n c e r n i n g t h ev a s tl a n da n dt h eg r e a tv a n e t yo fg e o l o g i c a ls t r u c t u r e si nC h i n a , i fs o m er e 百o n s w h i c ha r er i e l li na c i d i cs t o n es t i l lk e e pp u r s u i n gt h eu s eo fa l k a l i ，n e u t r a ls t o n e ，t h e p r o j e c tc o s tw i l lb ei n c r e a s e da n dt h ep e r i o do fc o n s t r u c t i o nw i l lb ee x t e n d e d T h e r e f o r e ，t h e r ei sg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h es t u d yo fw a t e rd a m a g em e c h a n i s mo f a c i d i ca g g r e g a t ea s p h a l tc o n c r e t ea n di nt h es t u d yo fo p t i m i z i n gt h ed e s i g na n d p r e p a r a t i o no f a c i d i ca g g r e g a t em i x t u r e T l l i St h e s i si sb a s e do nt h ei t e m eo p t i m i z a t i o nd e s i g na n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no ft h ed u r a b l ea n dm u l t i f u n c t i o na s p h a l tp a v e m e n ts y s t e mo nW u y i n g E x p r e s s w a y ：砀et h e s i si sc o m b i n e dw i t ht h ep r o j e c t , s e t t i n gg n e i s sa sas a m p l eo f a c i d i ca g g r e g a t e B a s e do nc h e m i c a lr e a c t i o nt h e o r y , s u r f a c ee n e r g yt h e o r ya n dt h e t h e o r yo fs u r f a c es t r u c t u r ea n a l y s i s ，t h ea u t h o ra n a l y z e dt h ei n t e r n a lf a c t o r so fw a t e r d a m a g e B a s e do nt h ep a v e m e n ts t r u c t u r eb e h a v i o rt h e o r y , t h ea u t h o ra n a l y z e dt h e e x t e r n a lf a c t o r so fw a t e rd a m a g ea n dd i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo fw a t e rd a m a g ei n g n e i s sa s p h a l tc o n c r e t e O nt h i sb a s i s ，ao p t i m i z ep r o j e c to fg n e i s sa s p h a l tm i x t u r e h a sb e e np r o p o s e d B ya d d i n gi n t e r f a c et a c k i 丘e ra n dc e m e n ta n do p t i m i z i n gt h e d e s i g no ft h eg r a d i n g ak i n do fg n e i s sa s p h a l tm i x t u r e 、历t hg o o dw a t e rs t a b i l i t ya n d l l i 出t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eh a sb e e np r o d u c e d S o a k i n gr e s i d u a ls t a b i l i t yi s 9 2 8 ，1t i m ef r e e z e t h a ws p l i t t i n gi n t e n s i t yr a t i oi s9 3 9 4t i m e sf r e e z e t h a w s p l i t t i n gi n t e n s i t yr a t i oi sO V e r8 0 4 T h ew a t e rs t a b i l i t yi sb e t t e rt h a no r d i n a r y l i m e s t o n ea s p h a l tm i x t u r ea n dd y n a m i cs t a b i l i t yi sm o r et h a n5 0 0 0 t i m e s m m 甜1t h e p e r f o r m a n c e sh a v em e tt h er e x t u i r e m e n t so fh i g h - g r a d er o d eu s e A c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t so fc h e m i c a la n a l y s i sa n dp e t r o g r a p h i ca n a l y s i sa n d b a s e do nt h ea n a l y s i so fs u r f a c ee n e r g yt h e o r y , ak i n do fs e l f - d e v e l o p e di n t e r f a c e t a c k i f i e rw a sa d d e dt oi m p r o v et h ea d h e s i o np r o p e r t yb e t w e e na s p h a l ta n da g g r e g a t e w h o s ea d h e s i o nr a t i n gb e c a m eg r a d e5 A f t e ra d d i n g6 o ft h et a c k i f i e ri n t ot h e a s p h a l t ，t h es o f t e n i n gp o i n to ft h ea s p h a l ti s9 3 ，t h ev i s c o s i t yo fb i t u m e ni sa sh i 曲 a s8 5 0 0 0 P a S ，S Oi tC a ni n c r e a s eh i g ht e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fm i x t u r e A c c o r d i n g t ot h e o r yo fc h e m i c a lr e a c t i o n , 2 o ft h ec e m e n ta n t i s t r i p p i n ga g e n tW a sa d d e d A c c o r d i n gt ob e h a v i o r a lt h e o r yo fp a v e m e n ts t r u c t u r e ，b yc o n t r o l l i n gt h ea m o u n to f f i n ea g g r e g a t e ，k e ys i e v e ( 0 0 7 5 m m ) a n dt h ea s p h a l tf i l mt h i c k n e s s ，t h ek e yp o i n t so f c o n t r o l l i n gt h eo p t i m i z e dd e s i g no fg n e i s sa s p h a l tm i x t u r ea r ep r o p o s e di no r d e rt o o p t i m i z et h eg r a d i n gd e s i g no fg n e i s sa s p h a l tm i x t u r e T h ep a s sr a t eo ft h ek e ys i e v e 2 3 6 m mo fA C 一1 3 ：4 3 4 9 t h ep a s sr a t eo ft h ek e ys i e v e4 7 5o fA C 2 0 ： U 4 6 5 2 t h ep a s sr a t eo f t h ek e ys i e v e4 7 5o f A C 2 5 ：4 6 5 2 T h eo p t i m i z ep r o j e c tp r o p o s e di nt h i st h e s i si n c l u d ea d d i n gi n t e r f a c et a c k i f i e r a n dc e m e n ta n do p t i m i z i n gt h eg r a d i n gd e s i g n ，t h r o u g hw h i c ht h ep r o b l e m st h a t g n e i s sa s p h a l tm i x t u r es h o r t a g e o fw a t e r s t a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yh a v e b e e n e f f e c t i v e l ys o l v e d ，a n dt h ep r o j e c tW a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oW u y i n ge x p r e s s w a y ， w h i c hh a sg r e a tv a l u eo ft h ee c o n o m i cp r o m o t i o n K e yw o r d s ：g n e i s s ；i n t e r f a c et a c k i f i e r ；w a t e rs t a b i l i t y ；m e c h a n i s mo f w a t e rd a m a g e m 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：簋拯日期：丝生：；2 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：簿铋导师( 签名) 了灸争日期：弘丁；I 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景和意义 1 1 1 选题的意义 随着国民经济的飞速发展，我国对公路建设事业的投资比例不断加大，取 得了令人瞩目的成就，高速公路通车里程居世界第二位【l 】。沥青路面作为一种 高等级路面，以其优越的行车性能、方便的施工作业和经济造价，深受广大道 路工作者青睐，因此在高等级公路建设中多为采用【2 1 。由于建设规模的扩大， 车辆的分道行驶，车辆超载，重载车的增加，使沥青路面损害日益严重，沥青 路面在超载交通条件下出现的早期病害和破损类型几乎包含了沥青路面所有的 破损类型，如裂缝、车辙、波浪( 搓板) 、沉陷、隆起、松散、坑槽等。路面的 早期破坏降低了道路的服务水平，缩短了其使用寿命，影响了正常的生活秩序， 耗费了人力、财力，加重了国民经济负担p J 。 根据权威部门的统计，水造成的损害是我国高速公路沥青混凝土路面最严 重的早期破坏原因之一，同时水损害也是个世界性的问题。沥青混凝土的耐久 性主要依靠沥青与集料之间的粘附性程度，虽然施工方法、交通条件、环境因 素以及混合料的性质也对沥青混凝上的路面变质有一定影响。但水和水分的作 用是影响沥青混凝上耐久性的主要因素之一【4 】。路面水通过各种途径透入路面 与半刚性基层之间产生的破坏作用更为严重，由水引起的沥青路面的破坏过程 主要是：沥青路面施工完成以后，水和空气通过混合料和外界的连通空隙进入 混合料内部，如果水分不能及时排出，水就会存留在混合料内，在车辆荷载的 动水压力和温度的共同作用下循环反复，将使沥青和矿料发生剥离，造成强度 下降。如果进一步发展就会导致其他的系列诸如唧浆、松散、坑槽、车辙等多 种形式的破坏【5 】，见图1 1 。 武汉理T 大学硕士学位论文 图1 1 沥青路面病害 调查表明，造戒沥青路面早期损害破坏的原因十分复杂，可以归结为沥青 混合料空隙率过太、沥青混合料抗水损害能力不足、沥青面层厚度偏薄、韫合 料粒径偏大、混台料离析、压实度不足、路面渗水、排水设施不完善等旧。 从沥青混合科抗水损害能力方面考虑，影响沥青混合料水稳定性的因素主 要包括沥青混合科的配合比、材料质量、环境因素、及施工条件。诸多因素中， 集料的品种及性质对沥青混合料的水稳定性能影响最大“ J 。 一般来说，碱性集料与沥青有超好的结合力，而与酸性集料结合力较弱遇 水易剥落，所以挈碱性的石灰岩或偏中性的玄武岩通常成为目前沥青混台料的 首选，而酸性石料如片麻岩、花岗岩其粘附性能往往达不到要求【”。但由于我 国幅员辽阔，地质构造复杂，不同地区岩石种类于差万别，随着我国高速公路 的飞速发展，优质石料( 石灰岩、玄武岩、辉绿岩等) 将供不应求，这样就需 要我们因地制宜就地选材，利用丰富的弱酸性集料( 片麻岩、花岗岩等) 来 进行高速公路路面工程的建设。因此，研究酸性集料沥青混合料的水损害机理、 优化酸性集料沥青混合料，对于酸性集料在沥青混凝土中的应用具有重要的意 义。 112 选题的背景 本文依托“武英高速公路高耐久多功能沥青面层系统优化设计及其工程应 用”项目，“高耐久多功能沥青路面系统优化设计及其工程应用”是湖北省交通 厅科技项目，起止年限为2 0 0 7 年3 月至2 0 0 9 年1 2 月。武英高速是省委、省政 府及省交通运输厅为加快鄂东老区经济社会麓展，在国家高速公路网规划中争 取建设的一条“加密线”，这将对沿线地区经济社会发展形成强劲的拉动作用， 武汉理工大学硕士学位论文 特别是英山、罗田、团风三县将彻底告别无高速公路的历史，革命老区黄冈从 此实现了县县通高速公路。此外，武英高速公路将成为武汉及周边地区加强与 长江三角洲经济交流与合作的重要桥梁和纽带，将有力推动我省“8 + 1 城市圈” 建设和大别山红色旅游经济带建设，对于我省充分发挥区位、资源和劳动力资 源优势，全面提升对外开放水平，具有十分重要的意义。 武英高速公路工程沿线片麻岩、花岗岩等弱酸性石料分布广泛，而普遍用 于制各高等级公路沥青路面的石灰石非常匮乏，沿线从新洲至英山方向，岩体 从花岗岩变质为片麻岩( 以片麻岩为主) ，岩质变异性较大，另外片麻岩属于 酸性石料，与沥青的粘附性极差，用其制备的沥青混凝土水稳定性能难以达到 规范规定的技术要求，以上问题给武英高速沿线当地石料用于武英高速公路路 面施工提出了巨大的挑战。国内外对片麻岩应用路面基层研究较少，对片麻岩 应用于沥青面层展开了大量的研究，主要是在沥青混凝土中添加水泥或者消石 灰，这种单一技术措施，仅针对沥青与石料的界面粘附性能进行改善，并没有 考虑到车载作用下所形成的抽吸式正负压对路面的侵蚀作用，且经过多次冻融 循环后，冻融劈裂强度比严重衰减，片麻岩沥青混凝土水稳定性能改善效果有 限。因此，在片麻岩质地较脆、针片状含量较高、粘附性能差等不利条件下， 把片麻岩成功应用于高速公路路面建设，必须通过原材料控制、组成结构设 计、材料体系优化、成型检测技术改良和旌工工法优化等多方面措施进行优化 设计。如何克服了当地石料性能差、难以应用的难题并充分利用武英沿线片麻 岩石料，节约工程造价，具有显著的经济效益及技术指导意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沥青混合料水稳定性能的评价方法 国外从2 0 世纪3 0 年代就开始重视对沥青和沥青混合料水稳定性的研究， 从水稳定性的形成机理、影响因素，评价水稳定性的试验方法到水稳定性的控 制等方面进行了系统的研究探索，迄今为止取得了很多重大发现和研究成果【9 】。 但由于沥青和沥青混合料的水稳定性极其复杂，该问题还没有最终解决。1 9 3 3 年R i e d e l 和W e b e r 发表论文从结合料与石料间粘附性能的角度研究水稳定性的 机理。也是在1 9 3 0 年代，S a v i l l e 和A x o n 就首先用水煮法评价沥青和矿料的粘 附性。1 9 4 0 年代，H v e e m 认识到沥青抗水能力的重要性，并在道路建设中把沥 武汉理工大学硕士学位论文 青的抗水能力、稠度、耐久性、施工和易性作为选择沥青材料时必须检验的四 大工程性能。1 9 5 0 年代H a l l b e r g 已经注意到空隙内饱和水对沥青混合料水稳定 性的影响，他的研究表明，在温度变化时最大空隙压力将达到2 0 p s i ( 1 3 8 k P a ) 。 与H a l l b e r g 同时代的G o o d e 提出了用浸水压缩试验检验压实沥青混合料的水稳 定性，同时，T h d e n 首次用表面能理论解释沥青与集料的粘附机理。从1 9 6 0 代至1 9 8 0 年代，在对沥青混合料水稳定性的研究中，最引人瞩目的是P a n c h e l “ 的沥青化学性质对水稳定性影响的研究成果以及洛特曼试验( L o t t m a n ) 方法的 出现n 0 】。此后，对沥青及沥青混合料水稳定性的研究更加深入，各种理论和评 价水稳定性的方法不断涌现。 我国对沥青混合料水稳定性的研究起步比较晚，研究的方式主要是结合生 产需要，充分吸收国外先进技术和研究成果，并综合考虑我国的基础和技术水 平，探索解决我国公路沥青路面水损害的方法。其中，对国产重交通道路沥青 水稳定性的研究影响比较大的是“八五”国家科技攻关专题“道路沥青与沥青混 合料路用性能的研究”项目。“八五”攻关专题，主要参照美国战略公路研究计划 ( S H R P ) 的最新研究成果和研究思想。在水稳定性方面，通过对七种国产沥青 和三种典型矿料的试验分析，选取国内外使用较多且方便简便、数据稳定的浸 水马歇尔实验以及双面击实5 0 次的冻融劈裂实验作为水稳定的标准试验方法。对 于沥青和矿料粘附性，以静态浸水法作为评定沥青与矿料粘附性的标准方法】。 随着水损害研究的深入，国内开始关注各种试验评定方法的合理性、考虑 水损害的沥青路面结构设计、提高沥青混合料抗水损害的能力，并有一些成果 发表同时在我国的高等级公路建设中，人们逐渐对排水系统设计越来越重视。 但是，我们对路基路面排水的研究仅限于路面排水( 包括路肩排水) 、中央分隔 带排水路基排水，而在路面结构内部排水方面所做的研究工作不多【J 2 卅3 1 。 1 2 2 提高沥青混合料水稳定性能的技术措施 所有水损害都是发生在最不利的组合情况下，例如材料质量差、不合理的 混合料级配、空隙率过大、压实不足、离析严重、结构排水不良、重载作用及 极端的气候条件，针对以上问题，主要可以通过如下方式来提高沥青路面的水 稳定性能： ( 1 ) 沥青胶结料的选择 应采用粘度较大的沥青，这是因为粘度大的沥青中含有较多的极性物质， 4 武汉理工大学硕士学位论文 并具有良好的润湿性，所以粘度大的沥青抵抗水的置换能力要比粘度小的沥青 好【14 1 。 ( 2 ) 集料的选择。 集料是由矿物组成的，不同的矿物组成决定了不同集料的化学性质和晶体 结构，通常应选取憎水性好的碱性集料来防止集料与沥青之间的剥落。 集料表面的化学性质、表面积、空隙大小、表面构造等均对沥青混合料的 水稳定性能有一定的影响，集料表面有钙、镁、铝等高价阳离子时能与沥青产 生化学吸附而形成稳定的吸附层，如表面含低价阳离子如钾、钠等，此时因化 学吸附产生的吸附层就极不稳定。表面积大的集料也能有助于形成稳定的沥青 吸附层 1 2 , 1 5 】。 集料的吸水率也对沥青的水稳定性能有一定的影响。过分坚硬密实的石料 经破碎后如果没有形成粗糙的表面，沥青又不能被吸附进矿料里面，那么矿料 表面形成的沥青膜会很薄，沥青的用量偏少，这样会导致沥青混合料的强度满 足不了使用的要求。而选择含水率较大的集料，只要施工时足够干燥，就可将 一部分沥青吸附到矿料里面，反而有助于能有良好的水稳定性能【l6 1 。 ( 3 ) 采用合适的混合料类型和合理的集料粒径 沥青混合料的类型和沥青的用量对沥青混合料水稳定性能也有很重要的影 响，与大空隙的开机配混合料相比，密集配沥青混合料透水性小，水入侵要困 难些；按马歇尔实验方法决定沥青用量时，选用沥青用量高也有利于提高沥青 混合料的水稳定性能，但是沥青用量过多，会对混合料的高温性能和抗滑性能 产生不利的影响，所以应该综合考虑沥青混合料的各项性能来选择合适的沥青 用量【1 1 7 1 。 现在沥青面层的集料粒径普遍偏粗，与其相匹配的压实厚度稍偏薄，不利 于压实；集料粒径大会造成沥青混合料的离析问题。不仅表面层，中下面层的 情况更为严重。 ( 4 ) 使用抗剥离剂 提高沥青和集料的粘附性能和抗剥离性能，将大大地有利于提高沥青路面 的抗水损害能力，当采用酸性石料时，宜采用针入度小的沥青，并采取下列抗 剥离的措施【1 8 - 2 0 ： ( A ) 用干燥的磨细消石灰粉或生石灰粉、水泥作为填料的一部分，其用量 宜为矿料总量的1 2 。 ( B ) 在沥青中添加抗剥落剂。 5 武汉理工大学硕士学位论文 ( C ) 将粗集料用石灰浆处理后使用。 日本的抗剥落剂一般采用的也是消石灰，也可以使用油脂为主要成分的胺 类、酰胺类、第四铵盐类等阳离子表面活性剂等。 在美国，掺加消石灰粉和水泥也是作为基本的抗剥离措施，美国国家沥青 路面协会( N A P A ) 在对各种抗剥离措施进行比较后认为，效果最好、最稳定的是 掺加石灰，消石灰C a ( O H ) 2 和生石灰C a O 都是有效的，其用量通常为集料质量 的1 1 5 。 对于坚硬的酸性石料来说，目前应用最为广泛的抗剥落剂是从高脂肪酸衍 生出来的长链的胺类化合物，但其却存在原料成本较高和热稳定性差的缺点。 现在的道路工程则较多地采用了耐热性更好的聚胺类抗剥落利2 1 1 。 而且实践证明，抗剥落剂与集料和沥青也有相适性，使用不同的沥青和集 料时，也要选择不同的抗剥落剂。 ( 5 ) 施工质量控制和路面排水系统的完善 在施工的过程中，如遇雨天，水分会经碾压封闭于沥青混合料中，这样就 会对混合料的水稳定性能埋下隐患，同样也应避免在寒冷、潮湿的气候条件下 施工。另外，施工中碾压的压实度也很重要，如果没有很好的压实度，空隙率 加大不仅对水稳定性能不利，同时也会影响到混合料的其他性能【2 2 1 。 现在的路面排水往往只重视路基范围内的路面表面以外的水的排除，而对 路面结构层内部的排水不够重视，或者完全没有考虑，而排水不良又是造成水 损害的重要原因，所以排水设施应成为路面设计的重要内容【2 3 2 5 】。 1 3 研究的主要内容 本文在对武英高速沿线片麻岩石料进行多次抽样调查的基础上，通过对片 麻岩沥青混合料水损害机理的研究，提出片麻岩制各高等级路面优化设计方案。 具体内容为： ( 1 ) 集料调研 本文对武英沿线片麻岩石料进行了6 次跟踪抽样检测，并选取有代表性的 片麻岩进行了石料性能测试，包括压碎值试验、洛杉矶磨耗试验、表观密度和 吸水率试验、针片状含量试验，以及沥青与集料的粘附性试验，并研究片麻岩 的化学组成与其力学性能的关系。在以上石料性能测试的基础上，进行了普通 6 武汉理工大学硕士学位论文 沥青混合料A C 2 0 C 的水稳定性能的研究； ( 2 ) 片麻岩沥青混合料水损害机理分析 在片麻岩沥青混合料水稳定性的研究基础上，结合沥青与集料的粘附剥落 理论，探寻片麻岩沥青混合料水损害机理：一方面从片麻岩的化学成分、表面 微观构造研究片麻岩沥青混合料水稳定性能差的内在原因；另一方面从车载作 用下动水压力研究片麻岩沥青混合料水损害的外在原因； ( 3 ) 片麻岩沥青混合料的优化 针对武英高速沿线片麻岩石料的特征，采取掺加水泥、开发界面增粘剂、 优化混合料级配等方案进行片麻岩沥青混合料的优化设计，并进行试验段的铺 设。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章片麻岩沥青混凝土水稳定性能的研究 2 1 片麻岩调研情况 本文对武汉至英山沿线的片麻岩石料厂进行了调研，共取1 2 家料场，分别 是新洲朋达、赵家寨华丰、盛达、腾飞、顺通、灿阳白云山、栗林咀、隆昌、 精进、海型山、施家湖、玉龙、百涧河，共进行了6 次取样。料场调查情况与 试验结果汇总见表2 1 。 表2 1 片麻岩碎石厂调查情况 2 1 1 试验方法 本文根据J T GE 4 2 2 0 0 5 公路工程集料实验规程，对所取样的石料进行 了性能试验，包括压碎值试验、洛杉矶磨耗试验、表观密度和吸水率试验、针 片状含量试验，并根据J T J 0 5 2 2 0 0 0 公路工程沥青及沥青混合料试验规程， 进行了粗集料与沥青的粘附性试验、分述如下： ( 1 ) 粗集料压碎值试验 集料压碎值用于衡量石料在逐渐增加的荷载下抵抗压碎的能力，是石料力 学性质的一项指标，压碎值越大，说明石料的抗破碎能力越差。 ( 2 ) 粗集料洛杉矶磨耗试验 粗集料的洛杉矶磨耗损失是集料使用性能的重要指标，尤其是沥青混合料 武汉理工大学硕士学位论文 和基层集料，它与沥青路面的抗车辙能力、耐磨性、耐久性密切相关，一般磨 耗损失小的集料，集料坚硬、耐磨，耐久性好。 ( 3 ) 粗集料表观密度和吸水率试验 粗集料吸水率与沥青混合料中有效沥青含量及油膜厚度有关，对沥青混合 料水稳定性能有一定的影响。 ( 4 ) 粗集料针片状颗粒含量试验 粗集料中针片状颗粒的含量，可用于评价集料的形状和抗压碎能力，以评 定石料生产厂的生产水平及该材料在工程中适用性。 ( 5 ) 粗集料与沥青的粘附性试验( 水煮法) 粗集料与沥青的粘附性对沥青混凝土的水稳定性能有很重要的影响。沥青 与集料的粘附性分级指标见表2 2 。 表2 2 沥青与集料的粘附性等级 试验后钿料表面上沥青剥落情况粘附性等级 沥青膜完全保存，剥离面积百分率接近0 沥青膜少部分为水所移动，厚度不均匀，剥离面积百分率少于1 0 沥青膜局部明显地为水所移动，基本保留在石料表面上，剥离面 积百分率少于3 0 沥青膜局部明显地为水所移动，局部保留在石料表面上，剥离面 积百分率大于3 0 沥青膜完全为水所移动，石料基本裸露，沥青全浮丁书面上 2 1 2 结果与分析 片麻岩石料性能测试结果见表2 - 3 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 注： 1 表中l 一1 2 号料场的排序为武英沿线由西向东方向( 新州一英山) 。 2 由于采用两级颚破工艺生产，盛达和隆昌两料场的石料针片状含量大大超过规 范要求。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 从表2 3 的测试结果和现场调查情况，武英沿线的片麻岩石料具有以下特点： ( 1 ) 岩石的变异性大、匀质性差 一方面，从新州至英山方向，岩体从花岗岩变质为片麻岩( 以片麻岩为主) ， 变异性较大。总的来说，新州及附近的料场( 朋达、华丰) 的石料与沥青的粘 附性相对较好，其中朋达料场的石料压碎值和磨耗值也相对较好；从新州往罗 田沿线的料场( 盛达、顺通、白云山) 基本均为片麻岩石质，与沥青的粘附性 基本为2 级，压碎值在2 0 “ - 2 3 之间( 白云山料场为新开料场，取样中含有 较多表面的风化层，所以压碎值偏高) ；罗田周边料场( 栗林咀、隆昌、余河) 的石料密度较小，吸水率较高( 1 0 左右) ，且表观存在很大比例的红色颗粒， 其压碎值在2 3 左右，与沥青粘附性为2 级；罗田至英山以及英山以西沿线( 精 进、海型山、玉龙) 石料密度较大，各料场生产的石料针片状含量也较低，但 集料的压碎值较高，达到2 4 ，有的甚至超过2 6 。 另一方面，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。比如精进与海型山料场的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 ) 压碎值大，针片状含量高 总体而言，武英沿线片麻岩石料的压碎值普遍偏大，一般均在2 0 以上， 这与石料的针片状含量高有一定联系，其根本原因还是石料本身质地较脆。改 善颗粒形状对压碎值有一定改善，但影响不会很大；针片状含量高是另一个问 题，单从目前的试验结果看，只有两三个料场的石料能够满足规范要求。其余 料场的石料针片状含量均在2 0 左右，大的甚至达到4 0 以上，其中两个采用 两级颚式破碎的料场针片状含量均在3 0 以上。从石料的表观看，与一般高等 级公路重点中、下面层常用的石灰岩集料相比，武英沿线片麻岩集料的颗粒形 状明显较差，即集料的整体粒形均不是很理想，反映在试验过程中，就是按规 范要求为非针片状颗粒的粒形也普遍呈现一定针片状趋势。 ( 3 ) 与沥青的粘附性差 通过测试，武英沿线的片麻岩集料与沥青的粘附性普遍为2 级，需要在配 制沥青混合料过程中采取抗剥离措施。 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 3 片麻岩化学组成对其力学性能的影响 本文随即抽取8 个石料厂的片麻岩，采用X 射线荧光分析方法分析其化学 组成，对比不同化学组成时，片麻岩的力学性能( 包括压碎值、洛杉矶磨耗) ， 探明片麻岩的化学组成对其力学性能的影响。结果如表2 4 。 表2 4 化学成分分析 由表2 4 可知，片麻岩是以硅铝为主要成分的酸性石料( 一般认为，二氧 化硅含量6 6 以上的属于酸性石料口q ) ，并且随着二氧化硅含量的增加，洛杉 矶磨耗值和压碎值都是呈现减小的趋势，如图2 1 图2 - 1 片麻岩中S i O 。的含量与力学性能的关系 不同矿物组成的岩石，具有不同的力学性能，石英是造岩矿物中强度较大 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 的矿物，如果石英的颗粒在岩石中相互连接成骨架，则增加石英的含量可提高 强度，从而表现出更好的力学性甜2 7 1 。 2 2 片麻岩沥青混合料的水稳定性能 为了进一步验证片麻岩沥青混合料的水稳定性能不足的问题，本研究分别 选取朋达、栗林咀、隆昌、玉龙四个料场、三档规格的片麻岩进行普通沥青混 合料A C - 2 0 C 的配制及水稳定性能的试验研究，并与武穴田镇和黄石阳新两家 料场的石灰岩作对比分析。 2 2 1 试验方案 本文对4 个料场的片麻岩沥青混合料及田镇和阳新两个料场的石灰岩混合 料进行了取样测试、配合比设计及性能研究工作。分别为： ( 1 ) A C 2 0 C ( 隆昌片麻岩+ 普通沥青) ； ( 2 ) A C 2 0 C ( 隆昌片麻岩+ 改性沥青) ； ( 3 ) A C - 2 0 C ( 栗林咀片麻岩+ 普通沥青) ； ( 4 ) A C 2 0 C ( 栗林咀片麻岩+ 改性沥青) ； ( 5 ) A C 2 0 C ( 朋达片麻岩+ 普通沥青) ； ( 6 ) A C 2 0 C ( 朋达片麻岩+ 改性沥青) ； ( 7 ) A C 2 0 C ( 玉龙片麻岩+ 普通沥青) ： ( 8 ) A C 2 0 C ( 玉龙片麻岩+ 改性沥青) ； ( 9 ) A C 2 0 C ( 田镇石灰岩+ 普通沥青) ； ( 1 0 ) A C 2 0 C ( 阳新石灰岩+ 普通沥青) 。 2 2 2 测试方法 研究沥青混合料的水稳定性试验包括浸水马歇尔试验、多次冻融劈裂试验， 分述如下2 8 3 2 】： ( 1 ) 浸水马歇尔试验 该试验是根据荷兰壳牌石油公司中央研究所的研究成果提出的，是我国“八 五”计划中沥青水稳定性研究的成果之一，它通过长时间的静态浸水所造成的沥 1 3 武汉理T 大学硕士学位论文 青混合料的力学性能( 稳定度) 的衰减来反映其抗水损害性能。该试验由于设备 价格便宜且操作简单，在我国应用广泛。具体操作方法为：首先进行残留稳定 度( 浸水马歇尔) 试验，每种级配成型8 个试件，分为两组。一组在6 0 。C 水浴中 恒温4 8 小时，测其饱水稳定度：另一组在6 0 水浴中恒温3 0 m i n 后测马歇尔稳 定度。然后由下式计算其残留稳定度： M S o = M S M S I 式中：M S o ，M S ，M S l 分别为残留稳定度、浸水4 8 h 稳定度、浸水3 0 m i n 稳定度。 ( 2 ) 冻融循环劈裂试验 该试验是公路工程沥青和沥青混合料试验规程( J T J 0 5 2 9 ) 中新增的用 于评价沥青混合料水稳定性的试验方法，实际上是美国L o t t m a n 方法修正简化 而成，与A A S H T OT 2 8 3 试验( 美国S u p e r p a v e 规定的评价水稳定性的方法) 方法 比较相似。该方法是在规定条件下对沥青混合料进行冻融循环，在受到水损害 前后测定劈裂强度，以此强度之比来评价沥青混合料抗水损害能力，据美国的 路况调查表明，使用冻融循环试验的实验室结果与野外测定结果具有较好的相 关性。本研究共进行4 个循环冻融劈裂强度比测试。 试验方法参见J T J 0 5 2 2 0 0 0 公路工程沥青及沥青混合料试验规程。 2 2 3 原材料与材料制备 2 2 3 1 原材料 ( 1 ) 集料 片麻岩：隆昌、栗林咀、朋达、玉龙料场碎石，三档规格；石灰岩t 田镇、 阳新料场。 ( 2 ) 沥青 7 0 号道路沥青及I D 改性沥青，由湖北国创高新材料股份有限公司提供， 技术指标见表2 5 及表2 - 6 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 表2 5国创7 0 号道路石油沥青测试结果 测试项目 试验结果 针入度( 2 5 。c ，l O O g ，5 s ) ( O O l m m ) 针入度指数P I 延度( 5 e r a r a i n ，1 5 “ C ) ( c m ) 软化点( 环球法) ( ) 布氏粘度( 1 3 5 “ C ，P a s ) 密N ( 2 5 “ C ) ( g e r n 3 ) 7 2 - o 3 1 0 0 5 0 1 6 1 0 2 7 表2 - 6I - D 改性沥青性能指标测试结果 测试项目 测试值 针入度( 2 5 “ C ，l O O g ，5 s ) ( O 0 1 m m ) 5 9 针入度指数P I O 7 延度( 5 c m m i n ，5 “ C ) ( c m ) 4 5 软化点( 环球法) ( ) 7 9 布氏粘度( 1 3 5 “ C ，P a s ) 2 1 闪点( 开口) ( ) 3 0 9 密度( 2 5 。C ) ( g e m 3 ) 1 0 2 7 弹性恢复( 2 5 。C ，) 9 8 离析试验( 软化点差，) 9 0 集料表面的沥 青不易被水剥离【2 。 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9 0 9 5 ，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 一O H ，- - C O O H 、一N H 2 、一S H 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。W R I ( W e s t e r nR e s e a r c hI n s t i t u t e ) 对沥 青化学与粘附性的关系作了较为深入的研究，得出沥青极性物在集料表面被水 的取代与沥青品种有关。由于水是极性分子，且有氢键，因此水对石料的吸附 力很强。当极性石油沥青与亲水性石料粘附时，由于沥青与石料基本上是物理 吸附，故易为水所剥落。当含极性物质的石油沥青与憎水性石料粘附时，由于 沥青与石料不仅有物理吸附，同时还产生化学吸附，故不易被水剥落。此理论 从分子的极性方面阐述了沥青一矿料粘附