（道路与铁道工程专业论文）关于用花岗岩作SMA骨料的技术研究.pdf

中文摘要 摘要 s m a 路面结构已经在我国的公路建设中得到了大范围的应用。目前，我国的 s m a 多采用玄武岩等中性石料作为集料，而这种石料只有少数地区才有。为了解 决优质路用集料的短缺和合理地利用区域资源，开展花岗岩用于s m a 混合料的研 究是十分必要的。 本文介绍了试验研究原材料选择方面需要注意的问题，并且通过试验确定了 原材料的物理力学性能指标。应用粘附性试验确定了本研究选用的普通沥青和改 性沥青添加抗剥落剂的最佳掺量，并且发现适当的加入抗剥落剂可以改善沥青与 集料的粘附性。基于级配型抗滑沥青混凝土的设计理念，采用马歇尔体积设计法 对花岗岩s m a 1 6 混合料进行了目标配合比设计，通过初试级配确定了设计配合 比。根据设计空隙率确定了混合料的最佳油石比，同时对本研究提出的配合比设 计进行了检验。 通过对花岗岩s m a 混合料生产配合比的调整和评定，确定了生产配合比和最 佳油石比，并且对生产配合比进行了验证。选择了具有代表性的路段铺筑了试验 路，在试验段的铺筑工程中，主要进行了s m a 混合料施工工艺确定。对试验路段 的路面进行了为期两年的现场检测，检测结果表明，试验路段使用性能良好，由 此说明选择合理的级配和采取适当的抗剥落措施，花岗岩在s m a 沥青路面中的应 用是可行的。 关键词：花岗岩；s m a ；配合比；粘附性；抗剥落剂 英文摘要 s t u d y o i lg r a n i t ea g g r e g a t eu s e di ns t o n em a s t i ca s p h a l t a b s t r a c t s 队p a v e m e n th a sb e e nw i d e l yu s e di n t h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o no fc h i n a n o w a d a y s ，b a s a l ta n ds o m en e u t r a lm i n e r a l sa r ea p p l i e di ns m ap a v e m e n t ，b u tt h o s e o n l ye x i s ti nf e wr e g i o n s i ti sv e r yn e c e s s a r yt os t u d yo nt h eg r a n i t ea d a p t a b i l i t yo f s m af o rs o l v i n gt h ed e f i c i e n c yo fh i g hq u a l i t ya g g r e g a t e sa n du t i l i z i n gr e g i o nr e s o u r c e i nr e a s o n s o m ei s s u e so nm a t e r i a l ss e l e c t i o na r ei n t r o d u c e d ，a n dt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ei n d i c e so fm a t e r i a lu s e di nt h i sr e s e a r c ha r ee s t a b l i s h e do nb a s eo fs o m e l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s a d h e s i v e n e s st e s ti sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h ea d h e s i v e n e s s b e t w e e ng r a n i t ea n da s p h a l t ，m o d i f i e da s p h a l ta r ea d d e di n t od i f f e r e n td o s a g e so f a n t i s t r i p p i n ga g e n t ，t h r o u g ha n a l y s i so nt h e t e s tr e s u l t s ，t h eo p t i m u ma n t i s t r i p p i n g a g e n tc o n t e n ti sc o n c l u d e d w ef i n do u tt h a ta d h e s i v e n e s sc a nb ei m p r o v e db yt h e a d d i t i o no fp r o p e ra n t i s t r i p p i n ga g e n t s b a s e do nt h ed e s i g nt h e o r yo fg r a d e d a n t i s k i d d i n ga s p h a l tc o n c r e t e ，m a r s h a l l v o l u m ed e s i g np r o c e d u r ew a sa d o p t e dt o e s t a b l i s ht a r g e tg r a d a t i o nd e s i g no fs m a - 16t y p eg r a n i t e m i x t u r e t h eo p t i m u ma s p h a l t c o n t e n to fm i x t u r e si sd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ov o l u m eo fa i rv o i d s ，a n df u r t h e r m o r ew e m a k ee x p e r i m e n t sc o n f i r mt h em i x t u r e sd e s i g n t h em i x t u r e s g r a d a t i o na n dt h eo p t i m u n la s p h a l tc o u t e n t a r ea s c e r t a i n e di n p r o d u c t i o np r o c e s so nb a s eo fg r a d a t i o nm o d u l a t i o na n de v a l u a t i o n t h ee x p e r i m e n t a l s e c t i o no fp a v e m e n ti sc h o s e ni nat y p i c a lr e g i o n ，a n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi s p r o p o s e do fs m ag r a n i t e sm i x t u r e sd u r i n gp a v e m e n tc o n s t r u c t i o n t h ed e t e c t i o nr e s u l t s s h o wt h ep e r f o r m a n c eo fe x p e r i m e n t a ls e c t i o ni sf a v o r a b l et h r o u g hl o c a ld e t e c t i o na n d o b s e r v a t i o nf o rt w oy e a r s ，w h i c hi m p l i e sg r a n i t ec a nb eu s e di ns m ab yc h o o s i n g a p p r o p r i a t eg r a d a t i o n sa n da n t i - s t r i p p i n ga g e n t s k e yw o r d s ：g r a n i t e ；s m a ；m i x t u r eg r a d a t i o n ；a d h e s i v e n e s s ；a n t i 。s t r i p p i n ga g e n t s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：差王蕉崮蚩旦墨世量整数蕉盔婴宜：。除论文中已经 注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表 或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：互豸元刃喵年7 月2 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密口( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：乏豸乏 导师签名： 一例7v 日期： 乃d 扩年7 月2 日 关于用花岗岩作s m a 骨料的技术研究 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 随着高速公路的飞速发展，车辆行驶速度和轴载的不断提高，路面的表面功 能对行车舒适性和安全性的影响变得越来越重要，对路面的抗滑性能也提出了更 高的要求。因此，近年来道路工程界对沥青路面抗滑表层的研究一直是一个热点。 另外，由于能源的不可再生性以及我国交通行业倡导的节能减排技术，因此如何 因地制宜的开展新材料、新技术在路面中的应用已成为道路工作者所面临的一个 重要问题。 目前，抗滑表层的研究主要集中在新型沥青混合料的设计和应用上。如：沥 青玛蹄脂碎石混合料( s m a ) 、多碎石沥青混合料( s a c ) 、开级配排水式抗滑 磨耗层( o g f c ) 以及a c v 型级配等等。这些新型沥青混合料有个共同的设计 特点是提高粗集料用量，强调由粗集料形成的骨架嵌挤作用来增大沥青混合料的 宏观构造深度，从丽提高路面的抗滑性能。目前，这些新型沥青混合料逐渐取代 传统的密实型级配成为我国高等级公路面层选择的主要类型。s m a 是一种由沥青、 纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架 间隙而组成的沥青混合料。它的基本组成是碎石骨架和沥青玛蹄脂结合料两大部 分了，它是一种密实式、粗集料嵌挤型间断级配沥青混凝土，生产成本略高于传 统的热拌沥青混合料，但其具有抗车辙、抗裂、抗滑及耐久性好等优点。在s m a 结构中使用改性沥青能够得到更佳的使用性能，从而达到延长道路的使用寿命， 降低养护成本等目的。s m a 结构在实践中已开始应用，其中沈大高速改扩建工程 就是国内第一条大面积使用s m a 结构的高速公路。 通常热拌沥青混合料所使用的骨料为石灰岩等碱性石料，因为碱性石料与沥 青材料的粘附性能较好，不易剥落，但其耐磨性能较差，不能满足高等级沥青路 面表面层抗滑及耐磨耗的要求。目前，我国的抗滑表层s m a 多采用玄武岩等中性 石料，而耐磨耗性能较好的玄武岩等石料，只有少数地区才有。从大连市石料分 帮睛况来看，花岗岩蕴藏量较大。大连境内发现的矿产资源有：有色金属、非金 属、黑色金属、贵重金属、能源矿产、矿泉水、地热等5 6 种，探明储量的2 8 种， 第1 章绪论 已开发利用的4 3 种。储量大、经济价值及潜在经济价值较高的矿产有：金刚石、 水泥用石灰岩、制灰用石灰岩、溶剂用石灰岩、玻璃用石英砂岩、建筑用花岗岩 等。花岗岩分布面积占全市陆地2 8 。而高速公路普通使用的玄武岩在大连地区 没有分布，辽宁仅有黑山、义县、铁岭等少数地区蕴藏有玄武岩。由于优质路面 表面层骨料( 玄武岩) 短缺，我省大部分高等级公路所用的集料都是从黑山、铁 岭等地购入，运距达3 0 0 4 0 0 公里，且价格较高，浪费了大量资金。随着公路建设 事业的发展，全国各个省市的玄武岩和石灰岩的开采量也急剧增大，在未来几年 内将会出现料源危机的问题，此时，寻找替代材料已迫在眉睫。如果花岗岩能够 作为抗滑表层s m a 的粗集料，则可以替代耐磨耗性能差的中性或碱性集料，不仅 能够充分发挥花岗岩优良的物理力学性能，增强路面的抗滑性，而且能够解决大 连市优质路用集料短缺的问题，避免了资源浪费，降低了生产成本，同时带动了 地方相关产业的发展，由此所带来的经济效益和社会效益将是巨大的，以大连地 区为例，玄武岩综合单价约为每立方米2 6 0 元，花岗岩综合单价约为每立方米1 8 0 元，采用花岗岩替代玄武岩，s m a 骨料价格可降低6 0 。因此，开展关于用花岗 岩作s m a 骨料的技术研究无论在经济上还是上技术上都是十分必要的，即能够降 低工程造价，又可为寻找替代材料提供一种借鉴。 大连市交通工程质量监督站作为主持单位承担了大连市交通局关于用花岗 岩作s m a 骨料的试验研究科研项目，在大连地区铺筑了一段花岗岩s m a 试验 路，目前这一科研项目已结题，本人作为该科研项目主要参加人。全过程参与了 关于用花岗岩作s m a 骨料的试验研究。 1 2 国内外研究现状 沥青路面的水损坏作为我国高速公路沥青路面早期损坏的一种主要模式【lj ，如 何对沥青路面水损坏的影响因素进行全面分析，并提出相应防治措施是关键。造 成沥青路面水损害的原因很多，如沥青混合料空隙率过大，路面渗水，道路排水 系统不完善，路面厚度偏薄，压实度不足等，但究其根本原因是沥青与集料的粘 附性差，沥青从集料表面发生剥落所造成。因此，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。一般来讲，碱性石料与沥青间的粘附 性较好，但碱性石料的耐磨性较差；而大部分的酸性石料具有耐磨性好、强度高 关于用花岗岩作s m a 骨料的技术研究 等优点，但与沥青间的粘附性不好：只有少部分的中性石料才能兼顾粘附性与耐 磨性均良好。花岗岩石料是一种典型的酸性石料，其与沥青的粘附性比较差，在 工程实际中为解决花岗岩沥青混合料水稳定性比较差的问题，各国的道路工作者 们提出了许多有益的意见和建议，并研究出了一系列效果较好的改善措施。 1 。2 1 沥青与集料的粘附性研究 m a s a d 研究了不同级配石灰岩和花岗岩沥青混合料的水稳性能、空隙结构、空 隙压力和粘附性之间的关系，基于空隙分布情况和粘附性解释了两种混合料的水 稳性能的差异 2 1 。国内很多学者对沥青与集料的粘附性进行了研究，确定了粘附性 的测定方法，分析了不同沥青与集料的粘附机理。早在1 9 9 6 年，何建等通过3 种试 验方法对国产石油沥青粘附性进行研究，认为8 0 水浸法辅以标准图片是半定量 评定沥青粘附性行之有效的方法，同时确定了沥青的粘附性指标以及不同气候区 粘附性等级推荐值【3 】。封晨辉通过粘度与粘附性试验的对比分析得出，沥青粘度的 大小对其与集料，特别是花岗岩集料的粘附性影响较大，并且提出了应用胶质沥 青质的比值来评价沥青粘附性更合理 4 1 。周卫峰5 7 1 用狄色理论对沥青与集料粘附 性试验方法与沥青混合料水稳性的相关关系进行了分析。结果显示水浸法试验结 果与沥青混合料的水稳性相关关系最好。即水浸法试验结果最能体现沥青混合料 水稳性的好坏。在某些情况下，诸如粘度、改性剂网络结构、集料表面的粗糙程 度等对试验结果有决定性的作用。延西利利用自己刀：发设计的剪切粘附试验，对 两种品质的沥青和两种性质的石料进行了粘附性剪切试验分析，给出了沥青与石 料间粘附性强弱的定量评价方法及粘附性受剪切速率和试验温度影响的变化规律 【引。肖庆一等 9 1 探讨采用粘附功试验表征沥青与矿料粘附性的可行性，以润湿吸附 理论为基础，讨论了沥青与矿料的粘附性、粘附力的内在关系，提出了以粘附功 作为沥青与矿料粘附性的表征指标。结果表明，粘附功试验表征沥青与矿料粘附 性是可行的。孙长新通过测定沥青与矿料之间吸附热进行定量分析，并与混合料 的路用性能联系起来，这种从能量角度出发的定量分析方法为路用混合材料的微 观分析提供了参考【1 0 】。 沥青与集料之间的相互作用是沥青混合料结构形成的重要因素，它直接影响 着沥青混合料的路用性能。因此，深入研究沥青与集料之间的相互作用机理，充 第1 章绪论 分认识并积极利用与改善这个作用过程具有十分重要的意义。沥青与集料之间的 相互作用主要包括“粘附 和“剥落”这两种最基本的、互为矛盾体的作用。参 考国内外科研工作者的成果，关于沥青在集料表面上作用可归结为“粘附”和“剥 落”两种理论。 ( 1 ) 粘附理论 粘附是指一种物体与另一种物体粘结时的物理作用或化学作用。关于粘附机 理的研究可归纳为力学理论【i l 】、化学反应理论【1 2 1 、表面能理论【12 1 、表面构造理论 【l l 】和极性吸附理论【l l 】。以上五种理论，从不同角度对沥青与集料的粘附机理予以 解释，每一种理论都有其合理之处，但由于沥青与集料之间的粘附极其复杂，每 一种理论由不能完全概括说明其作用机理，因此只有综合运用这些研究成果才能 够系统全面地解释沥青与集料之间的相互作用。 ( 2 ) 剥离理论 当沥青与集料之间的粘结不足时，沥青会从集料表面离开，进而从集料表面 脱落，这一沥青失去对集料粘附性的破坏过程称之为剥落。造成剥落破坏的根本 原因是水和交通荷载的作用，所以称由此所造成的破坏叫水损害。沥青剥落的机 理通常有表面张力理论【1 3 】、表面电位理论【1 2 】和美国学者t a y l o r 和k h o s l s 的思想。 本文主要介绍表面张力理论和t a y l o r 和k h o s l s 的思想。 ( 2 1 ) 表面张力理论 液体要粘附在固体表面，完全浸润是形成高粘结强度的必要条件。表面化学 认为，液体对固体的润湿作用主要有三种情况，如图1 1 所示，它通常可用接触角 9 的大小来衡量，侈越小润湿效果越好。 ( a ) 充分润湿 ( b ) 部分润湿( c ) 不润湿 图1 1 液体对固体的润湿作用 f i g u r e1 1w e t t i n ge f f e c to fl i q u i do ns o l i d 关于用花岗岩作s m a 骨料的技术研究 图1 2 表面张力理论解释剥落 f i g u r e1 2s t r i p p i n ge x p l a i n e ds u r f a c et e n s i l ef o r c e 根据经典的润湿理论，当沥青与集料粘结后遇水时，在沥青一集料一水三相 界面上会产生三种表面张力：一种是水一集料界面上的表面张力仃。，它能使沥青 在集料表面铺展，增；n - - - 者间的粘结；另一种是集料一沥青界面上的表面张力仃西， 它阻止沥青在集料表面铺展，不利于二者粘附；还有一种是沥青一水界面上的表 面张力，它会部分阻止沥青的铺展。 如图1 2 所示，在平衡状态下，三种张力能够互相抵消，因此有 矿品= 盯曲+ 仃6 。c o s l 9 ，则 c o s 护：o w a - - g r a b( 1 1 ) 仃枷 当c o s 0 o ，即0 p o o b ，沥青会在集料表面良好的铺展， 增强了二者的粘附，一般不会发生剥落：而当当c o s l 9 0 ，即9 0 。 矽 o 15 r a m ( ) 0 0 7 5 m m ( ) 1 0 0 9 5 9 9 0 3 1 0 0 9 0 1 0 0 7 5 1 0 0 。 外观无团粒结块无团粒结块 1 7 第2 章原材料性能测试 表2 4 中的数据表明，该矿粉细度比较好，0 0 7 5 m m 筛孔的通过率可以达到 9 0 3 ，可见此矿粉是一种较为理想的路用填料。 2 1 6 抗剥落剂性能简介 为了改善花岗岩的酸性集料与沥青的粘附性，需要在沥青中加入抗剥落剂。 在第1 章中已经阐述了目前国内外使用抗剥落剂的研究和应用成果，其中在实际工 程中，普遍采用消石灰粉、生石灰粉和水泥等矿物添加剂作为抗剥落剂。另外， 研究人员在对各种抗剥落措施( 其中包括应用液体抗剥落剂) 进行详细的比较研 究后发现，效果最好和最稳定的还是石灰( 生石灰粉和消石灰粉) 。但是，在我 国大范围的应用石灰作为抗剥落剂还是存在一定困难。一方面，沥青混合料中掺 加石狄的工艺相对复杂一点：另一方面，局部地区石灰粉的供应渠道不畅通，采 购有一定困难，而且质量无法保证。因此，针对本研究课题所在地区的实际情况， 采用了吉林石油化工设计研究院a s a 9 3 0 4 沥青抗剥落剂，该抗剥落剂为液体 状，在沥青中的掺量为沥青质量的3 o 5 o ，应用时，将沥青加热熔化成液态时掺 入，搅拌均匀后使用。 液体抗剥落剂一般都是有机高分子表面活性剂，通常是以一定的剂量掺入沥 青中使用的。它主要通过其亲油基团与沥青粘结，亲水基团与集料粘结，使沥青 与集料的粘附性得以提高。由于集料本身性质的不同，必须使用不同的表面活性 剂，如t 对于表面带有负电荷的酸性集料，应使用阳离子型表面活性剂，而对于 表面带有正电荷的中性或碱性集料，则应该使用阴离子型的表面活性剂【1 9 1 。由于 花岗岩是典型的酸性集料，其表面带有负电荷，故在选择液体抗剥落剂时一般都 足阳离子型的表面活性剂居多。目前常用的阳离子型液体抗剥落剂主要是含有碱 性基团的各种胺类物质，如多胺类、酸胺类的化合物。关于胺类抗剥落剂改善沥 青与集料之间粘附性的机理，有如下几种理论。一种理论认为由于它具有碱性， 能够增强酸性集料与沥青之间的酸碱作用力；另一种理论认为，胺类外加剂属于 阳离子型表面活性剂，能够补充酸性集料表面过剩的负电荷，加强了沥青与集料 界面上的静电吸附能力；还有一种理论认为，由于胺类外加剂的官能团是州h 2 ， n 上有一个孤电子对，能够和酸性集料的活性中一& , s i 0 2 之间产生作用力，最后在沥 青与集料界面上形成氢键，从而增强了二者之间的粘结【1 9 】。目前关于胺类外加剂 关于用花岗岩作s m a 骨料的技术研究 的改善机理，主要倾向于第三种理论。通常情况下，胺类外加剂能够对花岗岩等 酸性集料与沥青之间的粘附性起到很好的改善效果。但是，由于目前市场上的胺 类抗剥落剂绝大部分是从高级脂肪酸衍生出来的长链化合物，有些根本就是粗胺， 这些抗剥落剂的受热稳定性较差，高温时容易分解，使抗剥落剂的改善效果减弱 川。而且在高速重载交通作用下，动水压力能够轻易地将沥青中加入胺类抗剥落 剂后在沥青与集料界面上形成的氢键破坏，形成裸露的旷，由于它的活性很强， 极易迁移，在常温下就具有可逆性。因此，有时虽然在粘附性试验中胺类抗剥落 剂效果很好，但在工程上的使用效果却很不理想，耐久性较差。现在有许多厂商 己经认识到了这一点，因此在生产过程中采用了一些不同于传统胺类抗剥落技术 的创新配方，得到了一些热稳定性很好的优质的产品，可以在选择抗剥落剂时予 以考虑。对于花岗岩等酸性集料而言，选用高温时稳定且难分解，常温时在动水 压力作用下不具有可逆性的抗剥落剂是特别重要的。 2 ，1 7 纤维稳定剂简介 选用了德国j r c 公司生产的粒状木质纤维素，密度为1 1 1 7g c m 3 。该纤维相 比普通的絮状木质素纤维，易于操作，对于湿气不再敏感，不会结块可以使用价 廉可靠的投料设备轻松投料，由于每根纤维表面裹覆沥青，优化了拌和效果，从 而缩短混合料拌和时间和提高拌和站的产量。纤维稳定剂的掺加比例以沥青混合 料总量的质量百分率计算，本研究选用掺量为3 o 。在混合料拌和时，先干拌 1 0 1 5 s ，然后再湿拌。 2 2 沥青与集料( 花岗岩) 粘附性试验 2 2 。1 粘附性试验方法简介 自二十世纪3 0 年代以来，很多学者相继提出了多种评定沥青与集料粘附性 的试验方法，最简单直观的就是将沥青裹覆在集料表面，浸入水中，判断沥青从 集料表面剥落的数量，从而确定沥青的粘附等级。每一种方法都力求模拟自然和 交通荷载条件下产生剥落的过程和剥落破坏的情况。由于剥落形成过程影响因素 较多鼽机理复杂，至今尚没有一种公认的准确的试验方法。国际上通行的试验方 第2 章原材料性能测试 法有：水煮法、水浸法、光电比色法、搅动水净吸附法等，然而各国根据实际情 况又各有不同的规定。下面对几种方法简单介绍如下： ( 1 ) 水煮法 水煮法是用粒径大于1 3 2 m m 的粗集料，在1 5 0 。c 左右的沥青中浸润，取出冷 却后在沸水中煮3 m i n ，观察碎石表面沥青膜被水移动剥落的程度。集料与沥青的 粘附性按剥落百分率分为5 个等级，等级越高粘附性越好。水煮法的试验方法简 单，操作方便，观察碎石表面沥青被沸水剥落的情况比较直观，可以较快地确定 沥青与集料的粘附性，但此方法评定结果受到人为因素的影响，具有一定经验性。 ( 2 ) 水浸法 水浸法是选用粒径介于9 5 1 3 2 m m 之间的粗集料2 0 颗，用沥青拌合成混合料， 浸泡在8 0 的恒温水槽中3 0 m i n ，然后评定沥青膜剥落面积百分率。长安大学在 “八五国家科技攻关课题研究时，制作了一套不同剥落率的样本照片，通过对 比照片可以进行粘附性等级评定，这在一定程度上避免了人为因素的影响。 ( 3 ) 光电比色法 水煮法和水浸法都是半定量的测定方法，不能得出确切的沥青膜剥落率数值， 而光电比色法是可以作为定量测定剥落率的方法。试验通常采用7 2 1 型光电分光 光度计测定，染色液采用0 0 1 9 l 的酚藏红花生物染料溶液。它的基本原理是基于 物质在光的激发下，对光波长的选择性吸收，而有各自的吸收光带，当以色散后 的光谱通过某一溶液时，某些波长的光线会被溶液吸收，在通过溶液的光谱中出 现相应的黑暗谱带。根据波尔定律，在一定的波长下，溶液中某一种物质的浓度 与光的吸收效应存在一定关系，即有色溶液的吸光度与溶液的浓度、液层厚度成 正比。光电分光光度计就是将透过溶液的光线通过光电转换器将光能转换为电能， 从指示器上读出相应的吸光度，根据事先标定的标准曲线，即可推算出溶液的浓 度。试验时，用规定数量的沥青混合料样品浸于己知浓度的6 0 。c 染料水溶液中2 h ， 因水浸而使沥青膜剥落，裸露的石料表面将吸附染料，使水溶液中染料浓度下降。 染料浓度的变化用分光光度计测定，从而准确推算出沥青与集料的粘附性。 ( 4 ) 搅动水净吸附法 关于用花岗岩作s m a 骨料的技术研究 搅动水净吸附法是美国s h r p 计划推出的定量测定沥青与集料粘附性的方法。 它是基于矿料表面对沥青有吸附作用，以及遇水后对沥青膜的置换作用，即水使 沥青膜剥落的特性，将一定粒级的集料放在沥青与甲苯的混合溶液中一段时间进 行循环回流，则会有一部分沥青吸附到集料表面，然后，向该混合溶液中加入一 定量的水，让水对吸附在集料表面的沥青进行置换。这一系列过程使混合溶液中 沥青的浓度发生改变，利用光电分光光度计测定溶液的吸光度，即可计算出集料 对沥青的吸附剂量、加水后沥青的剥落量，以及计算出集料表面剥落的沥青剥落 率或吸附率。 以上介绍的都是直接评定沥青与集料粘附性的方法，除此之外采用沥青混合 料水稳定性的评价方法也可间接评价沥青与集料的粘附性。沥青混合料在浸水条 件下，由于沥青与集料的粘附力降低，导致损坏，最终表现为混合料的整体力学 强度降低，因此，沥青混合料的水稳定性最终是由浸水条件下沥青混合料物理力 学性能降低的程度来表征的。目前国内外水稳定性试验的评价方法多种多样，试 验条件各异，评价指标也不相同，但大致可分为静荷载试验和是动荷载试验。静 荷载试验包括浸水马歇尔试验、冻融劈裂强度试验、浸水劈裂强度试验、浸水抗 压强度试验。这些试验通过浸水前后试件的马歇尔稳定度、劈裂强度、抗压强度 之比来评价水造成的损失。美国a a s h t ot 2 8 3 规定的洛特曼( l o t t m a n ) 试验将 试件进行真空饱水或冻融循环，测定试验前后的劈裂抗拉强度或者回弹模量比来 评价水稳定性。动荷载试验如浸水车辙试验及浸水环道试验，力求模拟汽车行驶 状态下路面的受损状态。浸水车辙试验试件尺寸为3 0 c m x 3 0 c m x 5 c m ，用轮碾法成 型。试件在2 5 水中浸泡2 0 m i n ，然后在0 0 9 m p a 浸水抽真空1 5 m i n ，再放到一1 8 冰箱中放置1 6 h ，而后放在4 0 水中融化4 h 后进行浸水车辙试验，碾压速度4 2 次m i n ，碾压4 0 0 0 次后测定其剥落率。浸水环道试验比浸水车辙试验的规模要大， 但更接近实际状态，用达到剥落指数破坏的次数作为评价指标。 上述评价粘附性的试验方法都各有优缺点，应根据实际情况选用。水煮法试 验简单易行，用于鉴别粗集料与沥青的粘附性时比较直观，在工程及科研中应用 都很广泛。但水煮试验样品少，试验条件不甚严格，且分级较粗，人为因素影响 较大。水浸法试验样品较多，可以避免以偏概全错误的发生，而且水浸法有标准 第2 章原材料性能测试 的剥落率图对照评定，可以减少人为因素的影响，试验过程较水煮法复杂一些， 但结果更可靠一些。光电比色法通过酚藏红花溶液浓度的改变确定剥落率，使沥 青与集料的粘附率定量化，可用于确定抗剥落剂的最佳添加量【5 1 1 ，克服了水煮和 水浸法分级较粗的缺点，适用于科学研究。光电比色法的测定结果对不同石料的 差别较小，剥落率普遍偏大，这可能是光电比色法不仅记入了沥青膜剥落影响的 溶液浓度，也包括了从沥青膜上溶解但并未剥落的沥青对溶液浓度的影响【52 1 。搅 动水净吸附法较光电比色法有很大改进，它不再使用染料示踪，直接用沥青与甲 苯混合溶液的浓度改变量计算沥青在集料表面的吸附和剥落，试验结果与实际情 况较相符，用于定量研究沥青与集料的粘附性更加可靠【5 2 】。但它的技术难度较大， 试验仪器设备方面目前还不可能全面推广，现在多在科研项目中使用。浸水马歇 尔试验和冻融劈裂试验等混合料的水稳性试验通过浸水、冻融循环等环境条件的 改变来模拟沥青路面的实际工作状况，加速成型混合料的破坏进程，可以反应沥 青路面在较长的服务期内沥青与集料的性质。但混合料试验在成型试件时很难统 一，空隙率和饱水率较难控制，而沥青混合料的水稳性与进入试件中的水量关系 很大，因此有些数据的离散性较大，而且通过混合料的试验评定粘附性扩大了试 验的影响因素，如果要确定单一因素如沥青的粘度、某一组分对粘附性的影响难 以达到目的【4 j 。 2 2 2 粘附性试验 本文通过比较不同的试验方法，并结合实际的试验条件和工程实际，选用公 路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) ( 简称为规程) 中的沥 青与粗集料的粘附性试验( t 0 6 1 6 1 9 9 3 ) 中的水煮法作为评定方法。试验时需要 注意如下几个方面。 ( 1 ) 进行水煮试验时，首先应选择具有代表性的5 个集料，要求粒径 1 3 2 1 9 m m 的集料形状接近立方体。选择代表性集料时，要尽量选择表面均匀的颗 粒，外观为表面颜色一致，否则表面不均匀的集料在水煮时剥落情况与表面均匀 的集料会存在明显差异。 ( 2 ) 控制沥青被加热的温度在1 5 0 c 左右，保证沥青与加热的集料接触发生 相互作用时沥青的粘度在同一温度下，增加数据的可比性。 关于用花岗岩作s m a 骨料的技术研究 ( 3 ) 水煮过程在洁净透明的大玻璃杯中进行，垫石棉网，人为控制水的“微 沸”程度相当。“微沸”定义为容器中的液体表面局部区域有滚动，间或有大气 泡由容器底部上升至液体表面后破裂的现象【5 3 】。水煮时还不时有沥青从集料表面 脱落漂浮在液面上，为避免集料在取出时“脱落物又粘回去，应及时用报纸将 其粘走。 ( 4 ) 水煮3 m i n 后关火，并及时在水中观察沥青膜剥落情况，评定等级。如 果将裹有沥青的集料取出后再观察，就会使一些聚集成团的沥青又铺展开，造成 没有剥落的假相，特别对于花岗岩，水煮3 m i n 后，在水中时，只有零星的沥青聚 集在集料富含活性物质的点上，几乎没有成片的沥青膜。但一旦从水中取出，沥 青又铺展成薄层，似乎没有剥落。 ( 5 ) 对5 个集料分别评定等级，求其平均值，取接近的整数作为最后结果。 同时，找有经验的人员一同评定，将人为误差降到最低。 本试验按照其产品说明的4 o 的经验剂量基础上，在西太平洋石油a h 9 0 沥 青中分别掺加3 5 o 、4 0 o 、4 5 o 。不同掺量抗剥落剂的粘附试验结果见表2 5 。 试验结果发现，普通沥青不添加抗剥落剂的情况下，经过水煮以后，石块表面上 的沥青薄膜基本已完全脱落，只有少量残余，只能达到2 级。添加4 o o 抗剥落剂 的粘附效果较好，5 块试样的等级分别为5 、5 、5 、4 、5 ，最终评定结果达到5 级。 表2 5 不同掺量抗剥落剂的粘附性试验 t a b l e2 5a d h e s i v e n e s st e s to fa s p h a l ta d d e di n t od i f f e r e n td o s a g eo fa n t i s t r i p p i n ga g e n t s 对于花岗岩与改性沥青进行粘附性试验，在不添加抗剥落剂情况下，结果不 理想，沥青膜基本保留，剥离面积少于3 0 ，只能达到3 级。为了改善这种状况， 继而又考虑到掺加一定量的抗剥落剂，但掺加量的多少对于沥青混合料性能的改 善程度十分重要，掺量太小，改善效果不太明显，而掺量太大，不仅会增大造价， 第2 常原材料性能测试 而l 1 会给沥青混合料的性能带来一定安全隐患。因此，按产品说明的3 。 5 o j t j 旨， 掺加最小用昔3 o 进行粘附性试验。试验结果表明，针对本研究的花岗岩性质，添 加3 抗剥落剂的粘附效果很好，具体结果见表2 6 ，试验过程见图2 2 。山此j - j 见， 加入适当的抗剥落剂i 叮以有效地改善沥青与花岗岩之间的粘附性。 表2 6 改性沥青加入抗剥落剂的料附性试验 t a b l e2 6a d h e s i v e n e s st e s to fm o d i f i e da s p h a l ta d d e di n t oa n t i s t r i p p i n ga g e n t 黼 ( a ) s b s 改性沥青4 i 添加抗剁落剂：人部分沥青膜脱落，彳沸 表面沥青部分为水煮后脱落的沥 青膜住彳i 料水过程中粘附在表l f 形成。 l j-j一 ( b ) s b s 改性沥青添加0 3 抗剥落剂：沸水表面只有少龄轻质油分漂浮。 图2 2 花岗岩与改降沥青粘附性试验 f i g u r e2 2a d h e s i v e n e s st e s to fg r a n i t ea n ds b sm o d i f i e da s p h a l t 2 4 关于用花岗岩作s m a 骨料的技术研究 2 ，3 本章小结 本章介绍了试验研究原材料选择方面需要注意的问题，通过试验确定了原材 料的物理力学性能指标，且各项指标均满足规范要求。通过粘附性试验确定 了本研究选用的抗剥落剂的最佳掺量，为混合料配合比设计打下了坚实的基础。 第3 章花岗岩沥青混合料的配合比设计 第3 章花岗岩沥青混合料的配合比设计 s m a 混合料作为骨架一空隙结构的代表，由粗集料构成的坚固的骨架结构提 供了优良的抵抗永久变形的能力，填充粗集料结构空隙的沥青玛蹄脂提供了较好 的耐久性，粗糙的表面构造使路面具有优良的抗滑性能，因此是一种较为理想的 结构类型。s m a 混合料设计级配时，当公称最大粒径等于或大于1 3 2 m m 的s m a 混合料以4 7 5 m m 作为粗集料骨架的分界筛孔。考虑到这一层面的问题，能否将沥 青混合料中大于或等于4 7 5 m m 筛孔的粗集料采用花岗岩，而4 7 5 m m 筛孔以下的 细集料则采用碱性集料。通过这种配合比设计，既能保证粗集料形成较好的骨架 嵌挤作用，使沥青混合料具有足够的构造深度和较好的高温稳定性，同时还能兼 顾混合料的粘聚力，保证沥青混合料的低温性能和耐久性，并且对于改善花岗岩 与沥青的粘附性起到很好的作用。再则，因为花岗岩十分坚硬，不易破碎，若将 其加工成细集料应用在沥青路面中，一方面增加了石料加工的造价，另一方面由 于其与沥青的粘附性较差，不但没有提高混合料的路用性能，相反却带来不利的 影响。事实上，早在1 9 9 8 年，朱劲秋【5 4 】提出了对于抗滑表层密级配沥青混凝土 ( a c 1 6 i ) 的不同级配区域采用不同类型的石料，即1 - 2 c m 粒径粗碎石用花岗岩， 0 5 1 c m 粒径细碎石用石灰岩，再加入砂和石英岩石粉。这一设计思想，在实际路 面应用中取得了良好的效果，而这种配比设计，被称作级配型抗滑沥青混凝土。 因此，本研究在进行s m a 混合料设计时，采用了s m a 1 6 级配类型，关键筛孔 4 7 5 m m 以上的粗集料采用花岗岩，而4 7 5 m m 以下的细集料采用石灰岩。 现阶段我国的s m a 混合料的配合比设计采用马歇尔试件的体积设计方法进 行，因此本研究采用该种方法进行花岗岩沥青混合料的级配设计。 3 1 目标配合比设计 3 1 1 初试级配 沥青混合料的级配对于其整体的路用性能十分重要，由于花岗岩不同于常见 的路用集料，因此解决花岗岩沥青混合料的配合比问题是它应用的关键所在。按 照s m a 配合比设计程序，在工程设计级配范围内，调整个种矿料比例设计3 组不 同粗细的初试级配，以4 7 5 m m 通过率为变化点，改变4 7 5 m m 通过率分别为2 2 8 、 关于用花岗岩作s m a 。罔料的技术研究 2 5 2 、2 7 6 左右，二个级配均固定矿粉用量，9 5 m m 通过葺墨大体上在叶i 值卜卜 波动，材料配比见表3 1 ，级配计算结果见表3 2 ，集料配比试验见图3 1 。 表3 1 材料配比 t a b l e3 1c o m p o s i t i o no fm i n e r a lm a t e r i a l s 1 33 02 91 71 3 1 13 弩 、 。 懑畦k，毒溺 -一。糟臻属舞蟛馥蠡盘曩曩窘! 霭妻赫 图3 1 集料试验 f i g u r e3 1a g g r e g a t eg r a d a t i o nt e s t 2 7 警孥 第3 章花岗岩沥青混合料的配合比设计 选择3 个集料级配的目的是选择3 个不同的沥青混合料的集料间隙率v m a ， 以便满足v m a 大于1 6 5 的要求。满足v m a 大于1 6 5 的要求对于充分发挥粗 集料的嵌挤作用是至关重要的。按我国公路工程集料试验规程( j t ge 4 2 2 0 0 5 ) 测定4 7 5 m m 以上粗集料骨架的松方毛体积相对密度烁，根据y ，计算粗集料骨架 混合料的平均毛体积相对密度。计算每一组矿料4 7 5 m m 以上粗集料的松装间隙 率v c a d r c ，具体计算参照式3 1 ，结算结果见表3 3 。 坎m 。肥：( 1 一旦) 1 0 0 y 翻 式中：蚝一粗集料骨架的松方毛体积相对密度； 地一粗集料骨架混合料的平均毛体积相对密度。 表3 3 矿料毛体积相对密度v c a d r c t a b l e3 3v c a d r co fm i n e r a la g g r e g a t e s ( 3 1 ) 3 1 2 设计配合比确定 选择初试油石比首先要考虑关于s m a 对最小沥青用量的规定。当然最小沥青 用量只有在v m a 符合要求的情况下才能实现，如果矿料之间没有足够的间隙以填 充沥青，就无法实现最小沥青用量的规定。1 9 9 8 年美国各州公路工作者协会 ( a a s h t o ) 对s m a 的最小沥青用量按合成集料的毛体积相对密度作了规定【5 5 1 ， 见表3 4 。从该表可以看出，相对密度每增加0 0 5 ，沥青用量减少0 1 。由于集料 中粗集料比例特别大，沥青用量基本上取决于粗集料的合成毛体积密度。 关于用花岗岩作s m a 骨料的技术研究 表3 4a a s h t o 的s m a 关于沥青用量的规定 t a b l e3 4s p e c i f i c a t i o no fa a s h t of o ra s p h a l tc o n t e n ti ns m a 销( g c 嚣m 3 ) l 嚣d , 物j 葛 合成粗集料的毛最小沥青 最小油 体积相对密度青用量? 粤体积相对密度用量 石比 ( ) l 0 j ( c m 3 )( )( ) 2 4 06 87 32 7 56 0 6 4 2 4 5 6 77 22 8 05 96 1 3 2 5 0 6 67 12 8 55 86 2 2 5 5 6 56 92 9 05 76 0 2 6 06 36 72 9 55 65 9 2 。6 56 2 6 6 3 o o5 。5 5 8 2 7 0 6 16 5 我国经过大量的研究和工程实践表明，美国的s m a 对沥青用量的规定与我国 有一定差异，即沥青用量偏大。因此考虑我国的具体情况以及实际的地理气候条 件，沥青用量的选择也往往根据经验值。根据大连地区工程应用s m a 的沥青用量 经验值，首先按5 9 的油石比作为初试油石比，确定最佳级配，结果见表3