洪新明，周 勇
(广东华路交通科技有限公司，广州 510420)
水损害是沥青路面的典型病害之一，对沥青路面服役性能和服务质量具有较大的不良影响。如何提升沥青路面的抗水损害性能或延缓沥青路面出现水损害的时间节点，是道路工作者思考和探讨的重要课题之一[1-3]。
沥青混合料是由沥青基体相、集料增强相和沥青/集料界面相组成的复合材料，其中沥青/集料界面相是沥青混合料的薄弱部位。沥青/集料界面的黏附作用是沥青混合料水稳定性的重要影响因素，提升沥青/集料界面的黏附作用是保证沥青混合料水稳定性必要的技术措施。目前，采用改性沥青，添加熟石灰、水泥和胺类抗剥落剂，选择碱性集料等技术措施已被广泛应用于实际工程中，并取得了良好的效果[4-6]。然而，进一步增强沥青/集料界面的黏附作用，提升热拌沥青混合料的水稳定性，是道路工作者不断探寻的课题。
纳米材料近年来受到科技人员的关注。纳米材料因其较大的比表面积而具有较好地提升沥青/集料黏附作用的特性，其中纳米熟石灰的出现为界面黏附作用的提升提供了新的思路和方法[7-9]。然而，纳米熟石灰对沥青/集料的黏附提升作用受沥青种类、集料种类和评价方法等的影响而表现出不同的变化规律，亟待进一步探讨纳米熟石灰改性沥青及其混合料的抗水剥离特性，为其应用提供科学的理论依据。
1.1 原材料
1.1.1 纳米熟石灰
纳米熟石灰产自河北省灵寿县天晨矿产品加工厂，其基本物理性能指标见表1。根据表1，纳米熟石灰的颗粒大小为220nm，而普通石灰的颗粒大小为微米级别(通常为十几微米)，由于纳米熟石灰较小的颗粒使熟石灰改性沥青具有较高的黏附性能。采用X射线荧光光谱试验测定该纳米熟石灰的化学组成，测定结果见表2。由表2可知，纳米熟石灰中的主要氧化物为CaO(含量达60%以上)，其次为SiO2、Al2O3和Fe2O3。
表1 纳米熟石灰技术性能指标
表2 纳米熟石灰的化学组成
1.1.2 基质沥青
本文选用两种针入度分级均为70#的基质沥青(SK-70#和DH-70#)。为了保证两种基质沥青的技术性能满足使用要求，依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，对其常规性能进行测定，测定结果见表3。由表3可知，两种基质沥青的性能指标均符合规范要求，并达到A级沥青水平。
表3 沥青结合料技术指标
1.1.3 集料
试验选用典型代表碱性和酸性岩类的石灰岩和花岗岩集料，成型沥青混合料,以探究纳米熟石灰对石灰岩和花岗岩集料沥青混合料水稳定性的影响。两种集料的技术指标见表4。由表4可知，石灰岩和花岗岩最大的差异在于洛杉矶磨耗损失率，石灰岩的磨耗损失远大于花岗岩的磨耗损失，表明石灰岩的抗磨耗能力较差。
表4 石灰岩和花岗岩集料的技术指标
1.2 纳米熟石灰(NHL)改性沥青
为了将NHL与沥青结合料拌和，先将基质沥青加热至150℃，并采用螺旋桨叶轮搅拌器进行搅拌，同时分次缓慢地添加入NHL并搅拌10min；
接着采用高速剪切乳化机在相同的温度下连续剪切20min，剪切速率为4 000转/min，即制得NHL改性沥青结合料[10]。本文制备了NHL掺量为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%的NHL改性沥青(该掺量指占基质沥青的重量)。
单侧闭合性NeerⅡB型不稳定锁骨远端骨折；
受伤3周内手术；
伤前患侧肩关节功能正常且术后随访＞12个月者。
1.3 沥青混合料
试验采用热拌密级配沥青混合料GAC-16进行试验，其矿料级配如图1所示。采用马歇尔试验方法，拌制不同NHL改性沥青用量下的混合料并双面击实75次成型马歇尔试件，以马歇尔稳定度、流值和其他体积参数为控制指标，沥青混合料油石比为4.8%，空隙率为4.1%。
图1 GAC-16沥青混合料矿料级配
2.1 改进的水煮法
由于《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的水煮法为定性的测试方法，测试结果受人为因素影响较大，本文采用改进的水煮法定量地评价NHL对沥青与集料黏附性能的提升效果。改进的水煮法试验方法为选用粒级为19～31.5mm的集料颗粒，涂膜NHL沥青并水煮3min，称量水煮前后涂膜NHL的集料颗粒的质量，并采用水煮前后沥青质量的损失率作为沥青/集料黏附性能的评价指标。水煮前后沥青质量的损失率采用式(1)进行计算。
(1)
式中:α为沥青质量损失率(%)；
m0为未涂膜沥青的集料重量(g)；
m1为集料涂膜沥青后的重量(g)；
m2为沸煮并干燥后集料的质量(g)。
2.2 沥青混合料水稳定性试验
参照AASHTO T283方法分析评价热拌沥青混合料(HMA)的水稳定性能，该试验方法在试件饱水和冻融循环条件下测定HMA的水稳定性能。测定时加载变形速率为50mm/min，温度为25℃，采用不同冻融循环次数条件下(1次、3次和5次)的间接拉伸试验指标(间接拉伸强度)，作为水稳定性能的评价指标。剪切拉伸强度(ITS)的计算方法如式(2)所示。试验时采用6组平行试件，结果为6组平行试验的平均值。
(2)
式中：ITS为间接拉伸强度(kPa)；
F为劈裂时的破坏力(kN)；
t为沥青混合料试样高度(cm)；
d为沥青混合料试样直径(cm)。
同时，采用间接拉伸强度比TSR评价沥青混合料的水稳定性能，其为湿试件与干试件间接拉伸强度的比值，如式(3)所示。
TSR=ITSwet/ITSdry
(3)
式中：TSR为间接拉伸的强度比(%)；
ITSwet为浸湿试件的间接拉伸强度平均值(kPa)；
ITSdry为干燥试件的间接拉伸强度平均值(kPa)。
3.1 基于改进的水煮法评价纳米石灰改性沥青-集料黏附性
分别以石灰掺量为0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的石灰改性沥青，采用改进的水煮法测定各掺量下沥青的剥落率，试验结果如图2所示。
图2 沥青在集料表面的剥落率
由图2可知，整体上沥青-石灰岩的沥青膜剥落率小于沥青-花岗岩，表明沥青-石灰岩具有较好的黏附性能，这主要归因于弱酸性沥青-碱性集料的酸碱中和理论的黏附性能形成原理。随着熟石灰粉掺量的增多，两种沥青的沥青膜剥落率逐渐减小，即熟石灰粉的添加改善了沥青-集料的黏附性能，且改善效果随着石灰粉掺量的增多而增强。当熟石灰粉掺量为0.5%～1.0%时，沥青膜剥落率迅速减小，说明熟石灰粉在该范围内时，具有较高的黏附性能改善效果。当熟石灰粉掺量大于1.0%时，其对沥青-集料黏附性能的改善逐渐变弱，如掺量从1.5%增加到2.0%时，SK-石灰岩的沥青膜剥落率仅减少5.5%，DH-石灰岩的沥青膜剥落率仅下降3.8%。此外，对于同一种集料，SK沥青的沥青膜剥落率小于DH，表明SK沥青与集料具有更好的黏附性能。
综上所述，沥青-集料的黏附性会受到沥青和集料种类的共同影响，本文中的SK-石灰岩具有较小的沥青膜剥落率，即SK具有与石灰岩较优越的配伍性。并且，石灰粉对沥青/集料黏附性能的改善符合二次抛物线的规律，如图2所示，即掺量较少时，改善效果明显，当掺量大于1.0%时，改善效果不明显，趋于平稳。
3.2 纳米石灰改性沥青混合料的水稳定性
采用AASHTO T283方法测定纳米熟石灰改性沥青混合料经历不同冻融循环次数的间接拉伸强度，评价纳米熟石灰改性沥青混合料的水稳定性能。不同纳米熟石灰掺量的纳米熟石灰改性沥青混合料的间接拉伸强度如图3所示。潮湿和干燥条件下间接拉伸强度比也是评价热拌沥青混合料的重要指标之一，采用式(3)计算各沥青混合料的间接拉伸强度比，如图4所示。
图3 不同纳米熟石灰改性沥青混合料的间接拉伸强度
图4 不同纳米熟石灰改性沥青混合料的间接拉伸强度比
间接拉伸强度指标可表征沥青混合料的抗水损害性能，较高的间接拉伸强度表明具有较优的抗水损害性能。由图3和图4可知：
(1)在同一冻融循环次数条件下，无论是石灰岩还是花岗岩，ITS指标随着纳米熟石灰掺量的增加而增加，即纳米熟石灰的掺加提高了热拌沥青混合料的抗水损害性能。当纳米熟石灰掺量高于1.0%时，ITS的增幅逐渐减小，表明此时沥青混合料的抗水损害性能逐渐趋于平稳，增加纳米熟石灰的掺量对提升沥青混合料的水稳定性能效果不再明显，因此本文建议纳米熟石灰的掺量取用1.0%。
(2)随着冻融循环次数的增加，各掺量的纳米熟石灰改性沥青的间接拉伸强度指标值均下降，即抗水损害性能降低，这是因沥青混合料暴露于水中，沥青/集料黏附或沥青结合料自身黏聚能力损失。然而，纳米熟石灰作为一种抗剥落剂，添加后明显提高了热拌沥青混合料的黏附性，增强了沥青混合料的抗水损害能力。
(3)在同一试验条件下，石灰岩沥青混合料的水稳定性能均高于花岗岩沥青混合料。纳米熟石灰的存在也改善了沥青与集料的黏附性能，从而提升了抗水损害性能。
(4)间接拉伸强度比(TSR)为潮湿和干燥条件下间接拉伸强度的比值，沥青混合料应具有较大的TSR。
(5)掺加纳米熟石灰可提升沥青混合料的水稳定性20%～30%，效果显著。
(6)相比于DH沥青，纳米熟石灰改性SK沥青具有更好的水稳定性能，表明纳米熟石灰与SK沥青具有更好的配伍性。
(7)间接拉伸指标和间接拉伸强度比指标评价结果一致，说明纳米熟石灰能够改善沥青混合料的水稳定性。
本文采用纳米熟石灰对沥青混合料进行改性处理，并通过改进的水煮试验和沥青混合料水稳定性试验，探究纳米熟石灰对沥青结合料与集料的黏附作用及混合料抗水损害提升效果。
(1)掺加纳米熟石灰可以有效增强沥青/集料的黏附特性。随着掺量的增加，纳米熟石灰对沥青/集料黏附特性的改善符合二次抛物线规律。考虑到技术性能及经济性，建议纳米熟石灰的掺量选择取用1.0%。
(2)纳米熟石灰的添加有效提升了沥青混合料的水稳定性能。
(3)碱性石料与沥青的粘附性优于酸性石料与沥青的粘附性。
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