水泥对片麻岩沥青混凝土水稳定性能的影响

 刘敬东

 (河北省高速公路管理局  石家庄  050000)

摘要  高速公路的发展对优质石料需求日益增加，针对片麻岩储量大、分布广泛的特点，文中采用水泥做抗剥落剂，将片麻岩混合在沥青混凝土中，通过浸水马歇尔和冻融试验等研究片麻岩沥青混凝土的水稳定性能。结果表明，采用水泥替代50%石灰石矿粉，制备的片麻岩沥青混凝土具有较好的抗水损害能力，残留稳定度达到83. 6%，冻融劈裂抗拉强度比达到76. 6%，相比不添加任何抗剥落剂的沥青混合料分别提高了38%和18. 4%。

关键词  片麻岩  沥青混合料  水损害

 据统计，我国天然玄武岩和石灰石储量按目前的消耗速度来计算，只能再维持15年。因此，筑路行业必须开发新型优质集料来应对这一现状。片麻岩由花岗岩变质而成，矿物成分与花岗岩相近，结构为板状结构或条状结构。其密度为2.4～2.9g/cm3，力学强度很高，是一种中性或弱酸性石料。片麻岩作为沥青混合料石料时，因为含有较多的二氧化硅成分，与沥青粘附性能不好，容易在水的作用下造成沥青膜的剥落，导致沥青路面出现掉粒、松散等水损害破坏。因此，如何有效提高片麻岩沥青混合料的水稳定性能，是其应用于沥青路面工程建设必须解决的关键问题之一。

 片麻岩在道路工程领域有一定的应用实例，如欧洲和美国采用的集料多为花岗岩、玄武岩、片麻岩和石英岩等。国内也对片麻岩进行了研究，孙长新通过对片麻岩等集料与沥青作用的热动力研究，认为在25℃～145℃范围内，沥青与矿料之间的反应非常微弱，且反应速度非常低，表明决定沥青混合料路用性能的主要因素是沥青粘性和矿料表面特性（表面棱角、表面积和表面电荷性质等）等。黄俊峰等通过浸水马歇尔试验和浸水车辙试验，分析石灰、粉煤灰等抗剥离剂对片麻岩沥青混合料水稳定性的影响，认为石灰和粉煤灰均能有效改善片麻岩沥青混合料的水稳定性。

 由于片麻岩与沥青之间的粘附性不太好，可能导致水损害的发生。因此，在国内片麻岩应用规模极小。本文希望通过掺加水泥作为抗剥落剂以提高片麻岩沥青混凝土的水稳定性能。

1原材料与实验方法

1.1填料

沥青混合料的填料选用石灰岩石料加工成的矿粉，其质量符合《公路沥青路面施工技术规范》（以下简称《规范》）的要求。亲水性、表观相对密度等指标测试结果见表1。

由于水泥是碱性物质，因此对沥青混合料水稳定性有一定的改善作用，在本文中作为一种抗剥落剂。它的使用方法有2种：一种是用水泥浆处理集料，使集料表面包裹一层水泥浆，然后再用于混合料；另一种则是用水泥取代部分矿粉加入到混合料中，这种方法使用方便，是目前最广泛采用的。本文也使用水泥代替矿粉的方法进行试验，实验采用的是重庆科华建材有限公司产42.5普通硅酸盐水泥，采用于法回转窑生产，混合材掺量矿渣为8%，石膏掺量为二水石膏5%，化学成分见表2。

1.2集料

 4. 75 mm以上的粗集料采用片麻岩，4.75mm以下的集料采用石灰岩，石灰岩和片麻岩的基本性能指标满足《规范》。

1.3沥青

 本文采用的是国创AH-70-A沥青，其软化点（环球法）为48℃，针入度为74(0.1 mm)，延度为150 cm。

2实验方法

2.1  沥青混合料级配设计

根据集料的筛分结果，本文采用AC-20C型级配，级配曲线见图1。按照《规范》中热拌沥青混凝土配合比设计方法确定最佳油石比。最终确定的片麻岩AC-20C的最佳油石比为4.3%。本实验的所有沥青混合料实验都严格按照(JTGE20- 2011)《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（以下简称《规程》）。

2.2片麻岩岩相分析

 偏光显微镜可利用透射光（单偏光、正交偏光、锥光）和反射光观察矿物的组成、颗粒特征及结构性能，用于鉴定岩石的种类，研究岩石的矿物组成及微观结构特性。本研究采用德国蔡司公司生产的Axioskop 40K-pol偏光显微镜对石料的岩相进行分析，其放大倍数为：50，100，200，500。

2.3片麻岩沥青混合料的浸水马歇尔试验

 选用水泥、脱硫灰、普通石灰石矿粉3种材料作为沥青混凝土的填料，其中水泥沥青混凝土中水泥掺量是代替50% (wt)石灰石矿粉。混合料类型采用玄武岩AC-16C型级配和片麻岩AC-20C型级配。

首先按照《规程》、《规范》的要求成型沥青混合料马歇尔试件，并对马歇尔试件的尺寸和空隙率进行检查，在试件满足直径(101.6±2)mm、高度(63.5±3)mm的情况下，并确保空隙率在4%～6%，然后进行试验。将每种沥青混凝土试件分成2组（A组一实验组，B组一对照组），将B组试件放入60 aC的标准恒温水浴箱中浸水30～45min，然后进行马歇尔稳定度实验；将A组试件放入60℃恒温标准水浴箱中浸水(48±1)h，取出后进行马歇尔稳定度试验。残留稳定度即可表示为

式中：MSi为实验组的马歇尔稳定度，kN；MS为对照组的马歇尔稳定度，kN。

2.4片麻岩沥青混合料的冻融实验

 将制作合格的试件分为2组，实验组和对照组。实验步骤如下。

 (1)实验组试件在真空度为97. 3～98.7 kPa条件下饱水15 min，然后在水中放置0.5 h。取出试件放入塑料袋中，加入10 mL的水，扎紧袋口，将试件放人冰箱中冷冻，温度为-18±2℃，时间16 h。取出后将试件放入60℃的恒温水浴箱中，恒温24 h。

 (2)实验组完成上述操作后，与对照组一起浸入25℃水中2h，然后进行劈裂实验，测得实验最大载荷。

劈裂抗拉强度Rr的计算见式(2)。

式中：RT为试件的劈裂抗拉强度，MPa；PT为试件的实验荷载值，N；h为试件的高度，mm。

劈裂抗拉强度比TSR的计算见式(3)。

式中：RT1为实验组试样的劈裂抗拉强度，MPa；RT2为对照组试样的劈裂抗拉强度，MPa。

3  结果与讨论

3.1  片麻岩岩相分析

片麻岩偏光显微镜照片如图2所示。该片麻岩主要矿物为：石英含量60%～70%，斜长石含量约20%左右，黑云母含量约15%左右；副矿物为绿帘石、绿泥石。矿物为多边形颗粒，斜长石、石英、黑云母都呈定向排列，表现出片理构造，有些绿帘石及绿泥石呈结合体，显眼球构造。岩相分析显示，片麻岩为黑云母花岗片麻岩，主要由粒状矿物石英、长石和一定数量的片状黑云母组成，有少量绿帘石和绿泥石，矿物呈定向排列，呈现出片理构造，属碱性长石片麻岩类。矿物组成表明，片麻岩具有一定的强度，但属于中性或弱酸性石料，不利于与沥青产生良好的粘附性。

3.2  片麻岩沥青混合料浸水马歇尔试验

当采用与沥青粘附性较差的片麻岩作集料时，由表3可见，采用石灰石矿粉做填料其残留稳度只有60. 6%，无法满足规范要求，这也证明了，不添加抗剥落剂或者进行其他处理，片麻岩是不能满足沥青路面工程需要的。采用水泥取代50%矿粉时，试件的马歇尔稳定度较石灰石矿粉的有所提高，这可能要归功于在试件处理过程中有水分进入试件内部，使加入的水泥在试件内部水化而形成的强度。而沥青混合料的抗剥落能力明显改善，残留稳定度达到了83. 6%，比石灰石矿粉试件提高了约20%。

3.3  片麻岩沥青混合料冻融试验

通过实验，得到的冻融劈裂实验结果见图3和图4。片麻岩AC-20C型沥青混合料，普通石灰石矿粉制备的混合料试件未进行冻融时，疲劳抗拉强度为1. 02 MPa，冻融后的试件下降至0.66MPa，冻融的TSR为64.7%；加入了水泥替代50%石灰石矿粉后，未冻融的试件的疲劳强度为1. 11 MPa，高于对应的石灰石矿粉试件，冻融后这一值下降为0. 85 MPa，TSR值提高到76. 6%；这说明水泥的加入可以提高沥青混合料的抗冻融破坏能力，这是因为水泥是碱性的，能够提高酸性集料与沥青之间的粘附性，从而减少水损害的产生。

4结论

 (1)片麻岩的岩相分析和成分分析结果表明，片麻岩主要矿物为：石英含量约60%～70%，斜长石含量约20%，黑云母含量约15%。片麻岩具有一定的强度，但属于中性或弱酸性石料，从材料酸碱性角度考虑不利于与沥青产生良好的粘附性。

 (2)利用片麻岩在不添加任何抗剥落剂或者其他处理的情况下制备得到的沥青混凝土，在水环境或者冻融条件下，水损害严重，残留稳定度为60. 6%，冻融劈裂抗拉强度比为64. 7%。

 (3)采用水泥作为抗剥落剂，替代50%石灰石矿粉，制备的片麻岩沥青混凝土具有较好的抗水损害能力，残留稳定度达到83. 6%，冻融劈裂抗拉强度比达到76. 6%。

 在后续的工作中，我们将围绕片麻岩沥青混凝土的路用性能开展进一步的研究。