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 劉敬東

 (河北省高速公路管理局  石家莊  050000)

摘要  高速公路的發(fā)展對(duì)優(yōu)質(zhì)石料需求日益增加，針對(duì)片麻巖儲(chǔ)量大、分布廣泛的特點(diǎn)，文中采用水泥做抗剝落劑，將片麻巖混合在瀝青混凝土中，通過(guò)浸水馬歇爾和凍融試驗(yàn)等研究片麻巖瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能。結(jié)果表明，采用水泥替代50%石灰石礦粉，制備的片麻巖瀝青混凝土具有較好的抗水損害能力，殘留穩(wěn)定度達(dá)到83. 6%，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比達(dá)到76. 6%，相比不添加任何抗剝落劑的瀝青混合料分別提高了38%和18. 4%。

關(guān)鍵詞  片麻巖  瀝青混合料  水損害

 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)天然玄武巖和石灰石儲(chǔ)量按目前的消耗速度來(lái)計(jì)算，只能再維持15年。因此，筑路行業(yè)必須開(kāi)發(fā)新型優(yōu)質(zhì)集料來(lái)應(yīng)對(duì)這一現(xiàn)狀。片麻巖由花崗巖變質(zhì)而成，礦物成分與花崗巖相近，結(jié)構(gòu)為板狀結(jié)構(gòu)或條狀結(jié)構(gòu)。其密度為2.4～2.9g/cm3，力學(xué)強(qiáng)度很高，是一種中性或弱酸性石料。片麻巖作為瀝青混合料石料時(shí)，因?yàn)楹�有較多的二氧化硅成分，與瀝青粘附性能不好，容易在水的作用下造成瀝青膜的剝落，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)掉粒、松散等水損害破壞。因此，如何有效提高片麻巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性能，是其應(yīng)用于瀝青路面工程建設(shè)必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

 片麻巖在道路工程領(lǐng)域有一定的應(yīng)用實(shí)例，如歐洲和美國(guó)采用的集料多為花崗巖、玄武巖、片麻巖和石英巖等。國(guó)內(nèi)也對(duì)片麻巖進(jìn)行了研究，孫長(zhǎng)新通過(guò)對(duì)片麻巖等集料與瀝青作用的熱動(dòng)力研究，認(rèn)為在25℃～145℃范圍內(nèi)，瀝青與礦料之間的反應(yīng)非常微弱，且反應(yīng)速度非常低，表明決定瀝青混合料路用性能的主要因素是瀝青粘性和礦料表面特性（表面棱角、表面積和表面電荷性質(zhì)等）等。黃俊峰等通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和浸水車轍試驗(yàn)，分析石灰、粉煤灰等抗剝離劑對(duì)片麻巖瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為石灰和粉煤灰均能有效改善片麻巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

 由于片麻巖與瀝青之間的粘附性不太好，可能導(dǎo)致水損害的發(fā)生。因此，在國(guó)內(nèi)片麻巖應(yīng)用規(guī)模極小。本文希望通過(guò)摻加水泥作為抗剝落劑以提高片麻巖瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能。

1原材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1填料

瀝青混合料的填料選用石灰?guī)r石料加工成的礦粉，其質(zhì)量符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）的要求。親水性、表觀相對(duì)密度等指標(biāo)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

由于水泥是堿性物質(zhì)，因此對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性有一定的改善作用，在本文中作為一種抗剝落劑。它的使用方法有2種：一種是用水泥漿處理集料，使集料表面包裹一層水泥漿，然后再用于混合料；另一種則是用水泥取代部分礦粉加入到混合料中，這種方法使用方便，是目前最廣泛采用的。本文也使用水泥代替礦粉的方法進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用的是重慶科華建材有限公司產(chǎn)42.5普通硅酸鹽水泥，采用于法回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)，混合材摻量礦渣為8%，石膏摻量為二水石膏5%，化學(xué)成分見(jiàn)表2。

1.2集料

 4. 75 mm以上的粗集料采用片麻巖，4.75mm以下的集料采用石灰?guī)r，石灰?guī)r和片麻巖的基本性能指標(biāo)滿足《規(guī)范》。

1.3瀝青

 本文采用的是國(guó)創(chuàng)AH-70-A瀝青，其軟化點(diǎn)（環(huán)球法）為48℃，針入度為74(0.1 mm)，延度為150 cm。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1  瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)集料的篩分結(jié)果，本文采用AC-20C型級(jí)配，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。按照《規(guī)范》中熱拌瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)方法確定最佳油石比。最終確定的片麻巖AC-20C的最佳油石比為4.3%。本實(shí)驗(yàn)的所有瀝青混合料實(shí)驗(yàn)都嚴(yán)格按照(JTGE20- 2011)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》）。

2.2片麻巖巖相分析

 偏光顯微鏡可利用透射光（單偏光、正交偏光、錐光）和反射光觀察礦物的組成、顆粒特征及結(jié)構(gòu)性能，用于鑒定巖石的種類，研究巖石的礦物組成及微觀結(jié)構(gòu)特性。本研究采用德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的Axioskop 40K-pol偏光顯微鏡對(duì)石料的巖相進(jìn)行分析，其放大倍數(shù)為：50，100，200，500。

2.3片麻巖瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)

 選用水泥、脫硫灰、普通石灰石礦粉3種材料作為瀝青混凝土的填料，其中水泥瀝青混凝土中水泥摻量是代替50% (wt)石灰石礦粉�；旌狭项愋筒捎眯�武巖AC-16C型級(jí)配和片麻巖AC-20C型級(jí)配。

首先按照《規(guī)程》、《規(guī)范》的要求成型瀝青混合料馬歇爾試件，并對(duì)馬歇爾試件的尺寸和空隙率進(jìn)行檢查，在試件滿足直徑(101.6±2)mm、高度(63.5±3)mm的情況下，并確保空隙率在4%～6%，然后進(jìn)行試驗(yàn)。將每種瀝青混凝土試件分成2組（A組一實(shí)驗(yàn)組，B組一對(duì)照組），將B組試件放入60 aC的標(biāo)準(zhǔn)恒溫水浴箱中浸水30～45min，然后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)；將A組試件放入60℃恒溫標(biāo)準(zhǔn)水浴箱中浸水(48±1)h，取出后進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。殘留穩(wěn)定度即可表示為

式中：MSi為實(shí)驗(yàn)組的馬歇爾穩(wěn)定度，kN；MS為對(duì)照組的馬歇爾穩(wěn)定度，kN。

2.4片麻巖瀝青混合料的凍融實(shí)驗(yàn)

 將制作合格的試件分為2組，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)步驟如下。

 (1)實(shí)驗(yàn)組試件在真空度為97. 3～98.7 kPa條件下飽水15 min，然后在水中放置0.5 h。取出試件放入塑料袋中，加入10 mL的水，扎緊袋口，將試件放人冰箱中冷凍，溫度為-18±2℃，時(shí)間16 h。取出后將試件放入60℃的恒溫水浴箱中，恒溫24 h。

 (2)實(shí)驗(yàn)組完成上述操作后，與對(duì)照組一起浸入25℃水中2h，然后進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)最大載荷。

劈裂抗拉強(qiáng)度Rr的計(jì)算見(jiàn)式(2)。

式中：RT為試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；PT為試件的實(shí)驗(yàn)荷載值，N；h為試件的高度，mm。

劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR的計(jì)算見(jiàn)式(3)。

式中：RT1為實(shí)驗(yàn)組試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；RT2為對(duì)照組試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa。

3  結(jié)果與討論

3.1  片麻巖巖相分析

片麻巖偏光顯微鏡照片如圖2所示。該片麻巖主要礦物為：石英含量60%～70%，斜長(zhǎng)石含量約20%左右，黑云母含量約15%左右；副礦物為綠簾石、綠泥石。礦物為多邊形顆粒，斜長(zhǎng)石、石英、黑云母都呈定向排列，表現(xiàn)出片理構(gòu)造，有些綠簾石及綠泥石呈結(jié)合體，顯眼球構(gòu)造。巖相分析顯示，片麻巖為黑云母花崗片麻巖，主要由粒狀礦物石英、長(zhǎng)石和一定數(shù)量的片狀黑云母組成，有少量綠簾石和綠泥石，礦物呈定向排列，呈現(xiàn)出片理構(gòu)造，屬堿性長(zhǎng)石片麻巖類。礦物組成表明，片麻巖具有一定的強(qiáng)度，但屬于中性或弱酸性石料，不利于與瀝青產(chǎn)生良好的粘附性。

3.2  片麻巖瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)

當(dāng)采用與瀝青粘附性較差的片麻巖作集料時(shí)，由表3可見(jiàn)，采用石灰石礦粉做填料其殘留穩(wěn)度只有60. 6%，無(wú)法滿足規(guī)范要求，這也證明了，不添加抗剝落劑或者進(jìn)行其他處理，片麻巖是不能滿足瀝青路面工程需要的。采用水泥取代50%礦粉時(shí)，試件的馬歇爾穩(wěn)定度較石灰石礦粉的有所提高，這可能要?dú)w功于在試件處理過(guò)程中有水分進(jìn)入試件內(nèi)部，使加入的水泥在試件內(nèi)部水化而形成的強(qiáng)度。而瀝青混合料的抗剝落能力明顯改善，殘留穩(wěn)定度達(dá)到了83. 6%，比石灰石礦粉試件提高了約20%。

3.3  片麻巖瀝青混合料凍融試驗(yàn)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得到的凍融劈裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3和圖4。片麻巖AC-20C型瀝青混合料，普通石灰石礦粉制備的混合料試件未進(jìn)行凍融時(shí)，疲勞抗拉強(qiáng)度為1. 02 MPa，凍融后的試件下降至0.66MPa，凍融的TSR為64.7%；加入了水泥替代50%石灰石礦粉后，未凍融的試件的疲勞強(qiáng)度為1. 11 MPa，高于對(duì)應(yīng)的石灰石礦粉試件，凍融后這一值下降為0. 85 MPa，TSR值提高到76. 6%；這說(shuō)明水泥的加入可以提高瀝青混合料的抗凍融破壞能力，這是因?yàn)樗�泥是堿性的，能夠提高酸性集料與瀝青之間的粘附性，從而減少水損害的產(chǎn)生。

4結(jié)論

 (1)片麻巖的巖相分析和成分分析結(jié)果表明，片麻巖主要礦物為：石英含量約60%～70%，斜長(zhǎng)石含量約20%，黑云母含量約15%。片麻巖具有一定的強(qiáng)度，但屬于中性或弱酸性石料，從材料酸堿性角度考慮不利于與瀝青產(chǎn)生良好的粘附性。

 (2)利用片麻巖在不添加任何抗剝落劑或者其他處理的情況下制備得到的瀝青混凝土，在水環(huán)境或者凍融條件下，水損害嚴(yán)重，殘留穩(wěn)定度為60. 6%，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比為64. 7%。

 (3)采用水泥作為抗剝落劑，替代50%石灰石礦粉，制備的片麻巖瀝青混凝土具有較好的抗水損害能力，殘留穩(wěn)定度達(dá)到83. 6%，凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比達(dá)到76. 6%。

 在后續(xù)的工作中，我們將圍繞片麻巖瀝青混凝土的路用性能開(kāi)展進(jìn)一步的研究。