花崗巖瀝青混合料水穩(wěn)定性能改善試驗(yàn)研究

張 娜,厲建遠(yuǎn)

(1.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院,四川成都610081;2.山東省臨沂市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站,山東臨沂276004)

在缺乏堿性石料的地區(qū),許多的高速公路項(xiàng)目在修建時(shí)為了充分地利用當(dāng)?shù)氐氖?降低造價(jià),往往選用酸性的花崗巖石料作為瀝青混合料的集料。但是花崗巖與基質(zhì)瀝青的粘附性不佳,當(dāng)以酸性石料花崗巖作為瀝青混合料的骨料時(shí),瀝青混合料的水穩(wěn)定性往往不能達(dá)到要求。李生隆[1]指出瀝青混合料的水穩(wěn)定性對(duì)路面性能有重要影響;周亮[2]研究了瀝青混合料試件吸水飽和度對(duì)水穩(wěn)定性的影響。對(duì)于瀝青混合料本身來(lái)說(shuō),提高其水穩(wěn)定性主要有:一方面采用密實(shí)性混凝土級(jí)配,保證壓實(shí)度,減小空隙率;另一方面采用添加劑,提高瀝青與石料的粘附性。對(duì)于后者常用的方法有:添加改性劑,使用改性瀝青;摻加抗剝落劑;使用水泥或消石灰代替部分或全部礦粉[3-6]。本文通過(guò)對(duì)四種不同的方法探索改進(jìn)花崗巖瀝青混合水穩(wěn)定性的最優(yōu)的方法,從而為缺乏堿性石料的地區(qū)的工程項(xiàng)目使用花崗巖瀝青混合料提供借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)方案的確定

本文通過(guò)對(duì)5組花崗巖瀝青混合料的試驗(yàn)方案(表1)(第1組為未改進(jìn)方案,其余4組為不同改進(jìn)方案)進(jìn)行粘附性試驗(yàn)、浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn),從而研究不同改進(jìn)方案的效果。

表1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料如下:粗細(xì)集料均采用花崗巖,產(chǎn)地為湖南;礦粉采用石灰?guī)r礦粉,水泥采用秦嶺牌P.O 42.5,其中抗剝落劑采用的廣州地區(qū)常用的液體抗剝落劑,抗剝落劑摻量為瀝青質(zhì)量的0.4%。

1.2 試驗(yàn)材料的性能試驗(yàn)

1.2.1 瀝青

混合料結(jié)合料采用殼牌70#基質(zhì)瀝青,根據(jù)文獻(xiàn)[8]中的試驗(yàn)方法對(duì)原材料進(jìn)行檢測(cè),其性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表2。

表2 瀝青性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

1.2.2 集料及礦粉

集料為0～3、3～7、7～12、12～16的四檔花崗巖。對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果列于表3～表5。

表3 粗集料基本性能測(cè)試值

2 試驗(yàn)級(jí)配設(shè)計(jì)

2.1 確定混合料合成級(jí)配

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的要求對(duì)原材料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì),經(jīng)計(jì)算礦料比例為:12 mm～16 mm∶7 mm～12 mm∶3 mm～7 mm∶0 mm～3 mm∶礦粉∶水泥(消石灰)=26%∶27%∶18%∶24%∶3%∶2%,調(diào)整出的級(jí)配如表5。

表4 細(xì)集料和礦粉基本性能測(cè)試值

表5 瀝青混合料AC-13C礦料級(jí)配計(jì)算表

2.2 馬歇爾試件制作

按照表5的級(jí)配,確定最佳的油石比為4.8%。根據(jù)文獻(xiàn)[9]的要求采用馬歇爾雙面擊實(shí)75次的成型方法制作馬歇爾試件,篩選高度符合63.5±1.3 mm的試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn),試件的物理指標(biāo)如表6。同時(shí)采用馬歇爾雙面擊實(shí)50次的成型方法制作馬歇爾試件,篩選高度符合63.5±1.3 mm和空隙率滿(mǎn)足7%±1%的試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn),試件的物理指標(biāo)如表7。

3 水穩(wěn)定性檢測(cè)和分析

3.1 瀝青與集料的粘附性檢測(cè)和分析

瀝青與集料的粘附及剝落機(jī)理的分析有很多種理論,其中極性理論就是一個(gè)重要的理論,已為大多數(shù)瀝青研究者所接受。極性理論認(rèn)為表面活性物質(zhì)的分子是由極性基和非極性基組成的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),極性基帶有偶極矩,故表象出力場(chǎng)。當(dāng)瀝青粘附于石料表面后,在石料表面首先發(fā)生極性分子定向而形成吸附層。同時(shí),在極性力場(chǎng)中的非極性分子由于得到極性的感應(yīng)而獲得額外的定向能力,從而構(gòu)成致密的表面吸附層。瀝青在礦料表面的吸附可以分為物理吸附、化學(xué)吸附和選擇性擴(kuò)散吸附。由于水是極性分子,且有氫鍵,因此水對(duì)石料具有吸附力。如果石油瀝青是含極性的,它與親水性石料粘附時(shí)基本上只有物理吸附,故瀝青易為水所剝落。含極性物質(zhì)的石油瀝青與憎水性石料粘附時(shí),不僅有物理吸附,同時(shí)還有化學(xué)吸附,故瀝青不易為水所剝落[10]。

表6 雙面擊實(shí)75次瀝青混合料AC-13C馬歇爾試件物理指標(biāo)

表7 雙面擊實(shí)50次瀝青混合料AC-13C馬歇爾試件物理指標(biāo)

從圖1可以看出,不做任何改進(jìn)的基質(zhì)瀝青與花崗巖的粘附性只有2級(jí),而添加了3%的水泥方案和2%的礦粉方案,瀝青與石料的粘附性能達(dá)到3級(jí)左右。而通過(guò)添加抗剝落劑的方案和通過(guò)20%濃度的石灰水懸濁液治理礦質(zhì)集料的方案,瀝青與集料的粘附性分別達(dá)到了4級(jí)和5級(jí)。尤其是通過(guò)20%的石灰水懸濁液治理礦質(zhì)集料的方案,在集料的表面生產(chǎn)一層含極性的碳酸鈣而改善了瀝青與集料的粘附性。值得指出的是,對(duì)于添加抗剝落劑的方案,在采用時(shí)要嚴(yán)格的檢測(cè)抗剝落劑的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等問(wèn)題。

圖1 不同方案瀝青與集料粘附等級(jí)圖

3.2 浸水馬歇爾試驗(yàn)檢測(cè)和分析

根據(jù)文獻(xiàn)[8]的要求,將用于浸水馬歇爾試驗(yàn)的試件分成兩組:將第1組試件置于60℃的恒溫水槽中保溫0.5 h,同時(shí)將第2組試件置于60℃的恒溫水槽中保溫24 h。分別對(duì)兩組試件進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2～圖3。

圖2 不同試驗(yàn)方案馬歇爾穩(wěn)定度圖

圖3 不同試驗(yàn)方案浸水殘留穩(wěn)定度圖

從圖2可以看出,4種改進(jìn)方案在增加強(qiáng)度方面的效果由大到小依次是:通過(guò)20%濃度的石灰水懸濁液治理礦質(zhì)集料的方案＞摻量2%的消石灰代替礦粉的方案＞摻量3%的水泥代替礦粉的方案＞在瀝青中摻量0.4%的改性劑的方案。尤其是通過(guò)消石灰水處理集料的方案比不進(jìn)行任何處理的方案的普通穩(wěn)定度增加了將近100%左右。這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)消石灰水處理過(guò)的集料被一層碳酸鈣包裹,轉(zhuǎn)變?yōu)閴A性巖石一樣,充分的發(fā)揮了消石灰的作用。由于2%的消石灰的堿性強(qiáng)于3%水泥的堿性,以及消石灰的與水的反應(yīng)速度比水泥的水化反應(yīng)要快很多,所以在浸水0.5 h的情況下,摻量2%消石灰的方案比摻量3%水泥的方案穩(wěn)定度要高。而摻加抗剝落劑的方案則是通過(guò)改善瀝青的粘附性而增強(qiáng)混合料的水穩(wěn)定性,這種方法的效果大約是通過(guò)改善集料的極性而增強(qiáng)混合料的水穩(wěn)定性的80%。

從圖3可以得出,4種方案的浸水殘留穩(wěn)定度都有所增加,其大小關(guān)系為:摻量3%的水泥代替礦粉的方案＞通過(guò)20%濃度的石灰水懸濁液治理礦質(zhì)集料的方案＞摻量2%的消石灰代替礦粉的方案＞在瀝青中摻量0.4%的改性劑的方案。其中尤其是摻加3%水泥的方案,由于水泥的充分反應(yīng),使得試件在浸水24 h的情況下,穩(wěn)定度不但沒(méi)有下降反而是上升了14.81%。

3.3 凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的要求,將用于凍融試驗(yàn)的試件分成2組。將第1組試件置于平臺(tái)上,在室溫下保存?zhèn)溆?將第2組試件在98.3 kPa～98.7 kPa真空條件下保持15 min,然后將試件分別裝進(jìn)放有10ml水的塑料袋里在溫度為-18℃的恒溫冰箱里放置16 h后,立即放入溫度為60℃的恒溫水槽中保溫24 h。再將第1組與第2組全部試件浸入溫度為25℃的恒溫水槽中2 h取出試件依次進(jìn)行劈裂試驗(yàn),得到試件的最大荷載。所測(cè)得的凍融劈裂殘留強(qiáng)度見(jiàn)圖4～圖5。

圖4 不同試驗(yàn)方案劈裂抗拉強(qiáng)度圖

圖5 不同試驗(yàn)方案凍融劈裂殘留強(qiáng)度圖

通過(guò)圖4可以看出,4種改進(jìn)方案在增加抗拉強(qiáng)度方面的效果由大到小依次是:通過(guò)20%濃度的石灰水懸濁液治理礦質(zhì)集料的方案＞摻量2%的消石灰代替礦粉的方案＞摻量3%的水泥代替礦粉的方案＞在瀝青中摻量0.4%的改性劑的方案。尤其是通過(guò)20%濃度的消石灰水處理集料的方案比不進(jìn)行任何處理的方案增加了68.5%,顯著的增加了混合料的抗拉強(qiáng)度。不同方案對(duì)于抗拉強(qiáng)度的影響關(guān)系和不同方案對(duì)于穩(wěn)定度的影響關(guān)系是一致的。

圖5中4種改進(jìn)方案在增加抗水損害方面的效果由大到小依次是:摻量3%的水泥代替礦粉的方案＞通過(guò)消石灰水處理集料的方案＞在瀝青中摻量0.4%的改性劑的方案＞摻量2%的消石灰代替礦粉的方案。說(shuō)明在凍融循環(huán)的作用下?lián)郊?%的水泥方案的花崗巖混合料中瀝青和集料粘附程度減低的相對(duì)值比較少。通過(guò)消石灰水處理集料的方案,雖然其凍融后的抗拉強(qiáng)度還是最強(qiáng)的,但是由于其未凍融時(shí)的強(qiáng)度也較大,所以?xún)鋈谂褟?qiáng)度不如摻量3%水泥的方案。對(duì)于摻加抗剝落劑的方案,由于未凍融時(shí)的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于摻加2%消石灰的方案,所以摻加抗剝落劑方案的凍融劈裂殘留強(qiáng)度(TRS)比摻加2%消石灰方案的略大。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)在改進(jìn)花崗巖強(qiáng)度方面,4種改進(jìn)方案的效果由大到小依次是:通過(guò)20%濃度的消石灰水處理集料的方案＞摻量2%的消石灰代替礦粉＞摻量3%的水泥代替礦粉＞在瀝青中摻量0.4%的改性劑。

(2)在改進(jìn)花崗巖抗水損害方面,4種改進(jìn)方案的效果由大到小依次是:摻量3%的水泥代替礦粉＞通過(guò)消石灰水處理集料的方案＞在瀝青中摻量0.4%的改性劑＞摻量2%的消石灰代替礦粉。

(3)無(wú)論是在強(qiáng)度方面還是在抗水損害方面,通過(guò)改進(jìn)集料表面性能增強(qiáng)水穩(wěn)定性的效果都比通過(guò)改進(jìn)瀝青粘附性增強(qiáng)水穩(wěn)定性的效果好。驗(yàn)證了NATC認(rèn)為集料對(duì)粘附性的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于瀝青的觀(guān)點(diǎn)。

(4)當(dāng)凍融劈裂試件的孔隙率滿(mǎn)足7%±1%內(nèi)時(shí),其凍融劈裂強(qiáng)度值TSR都比較小只有60%左右,說(shuō)明,施工的試驗(yàn)要嚴(yán)格的控制壓實(shí)度,確保混合料的孔隙率在設(shè)計(jì)的范圍之類(lèi)。避免孔隙率在7%±1%內(nèi)而產(chǎn)生水損害。

(5)對(duì)于浸水殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)顯示出最好的處理方案分別為通過(guò)消石灰水處理集料和摻加3%水泥代替礦粉。評(píng)價(jià)花崗巖水穩(wěn)定性時(shí)除了要考慮浸水強(qiáng)度比ISR的值不能過(guò)低外,還應(yīng)考慮凍融先后的抗拉劈裂強(qiáng)度也不能太小,以保證能準(zhǔn)確反映出瀝青混合料的水穩(wěn)性能。建議:當(dāng)工程所在地區(qū)不存在凍融的情況時(shí),考慮以?xún)鋈谙群蟮目估褟?qiáng)度作為主要的指標(biāo),當(dāng)工程所在地區(qū)存在凍融的情況時(shí),考慮以?xún)鋈谂褮埩魪?qiáng)度作為主要的指標(biāo)。

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