濕法橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究及應(yīng)用

彭逢春，王 亮

(1.湖南省公路設(shè)計(jì)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410001;2.湖南省永龍高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410001)

0 引言

濕法橡膠瀝青混合料作為路面材料，具有耐磨、降噪、抗車轍性良好及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，但水損害為濕法橡膠瀝青路面主要病害之一。水損害是在動(dòng)水壓力或真空負(fù)壓抽吸的作用下，水分滲入瀝青與集料界面使瀝青粘附性減小導(dǎo)致脫落剝離，表現(xiàn)為路面坑槽、推擠變形等損壞現(xiàn)象。對(duì)橡膠瀝青的性能及應(yīng)用較多［1～5］，濕法與干法［6］橡膠瀝青混合料在施工工藝、改性機(jī)理均不同，因此濕法橡膠瀝青在改性機(jī)理、性能及工程應(yīng)用［7］等方面值得進(jìn)一步研究。濕法橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性是多因素綜合作用的結(jié)果，通過(guò)開(kāi)展水穩(wěn)定性室內(nèi)試驗(yàn)，分析混合料自身因素對(duì)濕法橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響程度，從而為濕法橡膠瀝青混合料配合比優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 濕法橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用集料在進(jìn)行混合料目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)前，均已逐檔全部水洗并過(guò)0.075 mm 篩。配比用玄武巖按粒徑分為4 檔，分別為1#料9.5 ～16 mm，2#料4.75 ～9.5 mm，3#料2.36 ～4.75 mm，機(jī)制砂0～2.36 mm，集料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E42－2005)》的要求進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

海螺牌32.5#普通硅酸鹽水泥作抗剝落劑。礦粉表觀密度為2.733 g/cm3，親水系數(shù)0.8，含水量0.1%，塑性指數(shù)2.5%。膠粉摻量為20%，膠粉目數(shù)約為20。室內(nèi)現(xiàn)配現(xiàn)用制作濕法橡膠瀝青，控制指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 集料性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表 %

表2 濕法橡膠改性瀝青控制指標(biāo)

采用AR－AC－13 級(jí)配進(jìn)行濕法橡膠瀝青配合比設(shè)計(jì)，并選用了級(jí)配AC－13 和SMA－13 進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，3 種級(jí)配組成見(jiàn)表3。

表3 集料級(jí)配組成表

2 濕法橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)

為進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)(圖1)并做對(duì)比研究，共成型18 批試件，每批次均成型試件12 個(gè)，并等分為3 組。第1 組為常規(guī)劈裂試驗(yàn)，其余對(duì)比組試件按如下方法進(jìn)行試驗(yàn):

1)將第2 組試件放在98.3 ～98.7 kPa 真空條件下浸水15 min，恢復(fù)常壓后在水中放置30 mim;

2)從水里取出后袋裝，加入約10 mL 水后放入(－18±2)℃冰箱中16 h±1 h;

3)取出，再放入60 ℃水浴24 h;

4)將兩組試件同時(shí)放入(25±0.5)℃水中，≥2 h;

5)分別測(cè)出兩組試件的劈裂強(qiáng)度，比值為劈裂強(qiáng)度比TSR1;

6)將第3 組試件按照步驟“1)～3)”進(jìn)行;

7)將第3 組試件(60 ℃水浴保溫24 h)再次用塑料袋裝好，重復(fù)步驟“2)”，完成二次凍融;

8)第3 組試件同步驟“3)”與“4)”;

9)測(cè)出第3 組試件的劈裂強(qiáng)度，該值與第1 組試件劈裂強(qiáng)度的比值為劈裂強(qiáng)度比TSR2;

水穩(wěn)定性試驗(yàn)采用凍融劈裂試驗(yàn)，劈裂強(qiáng)度比TSR 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算式為:

圖1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

式中:PT1為第1 組試件試驗(yàn)荷載的最大值，N;PT2為第2 組試件試驗(yàn)荷載的最大值，N;h1為第1 組試件的試件高度，mm;h2為第2 組試件的試件高度，mm;RT1為第1 組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa;RT2為經(jīng)歷凍融的第2 組試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa;TSR 為凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比，%。

3 水穩(wěn)定性影響因素分析

3.1 集料種類

常用的碎石顆粒為石灰?guī)r(堿性)與玄武巖(中性)，因此選用石灰?guī)r與玄武巖作為典型材料研究集料種類與水穩(wěn)定性的影響關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 集料種類與凍融劈裂強(qiáng)度比關(guān)系圖

由圖2 可知:

1)在一次凍融劈裂試驗(yàn)中，石灰?guī)r集料濕法橡膠瀝青混合料的TSR(92.5%)比玄武巖集料的混合料TSR(88.5%)要大，兩者的一次凍融劈裂強(qiáng)度比TSR 都大于80%，水穩(wěn)定性均滿足要求;在二次凍融劈裂試驗(yàn)中兩者的二次TSR 值均比一次TSR 小(玄武巖為78.6%，石灰?guī)r為81.8%)，僅石灰?guī)r的混合料水穩(wěn)定性滿足要求。

2)綜合對(duì)比可知集料的酸堿性對(duì)混合料水穩(wěn)定性有一定影響;凍融循環(huán)次數(shù)可降低混合料的水穩(wěn)定性;堿性集料的混合料抗水損害能力更有利。

3.2 級(jí)配類型

采用3 種級(jí)配(AR－AC－13、SMA－13、AC－13)拌制瀝青混合料試件并進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，以研究級(jí)配對(duì)濕法橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖3。

由圖3 可知:

圖3 級(jí)配與凍融劈裂強(qiáng)度比關(guān)系圖

1)級(jí)配為AR－AC－13、SMA－13 及AC－13 的濕法橡膠瀝青混合料一次凍融循環(huán)后的TSR 數(shù)值均較大，分別為93.7%、86.3%與91.5%，其中AR－AC－13 級(jí)配的TSR 最高。

2)二次凍融后級(jí)配為AR－AC－13、SMA－13及AC－13 的濕法橡膠瀝青混合料的TSR 分別為84.4%、73.7%與82.4%，三者的TSR 均下降，且SMA－13 級(jí)配的混合料TSR ＜80%，不滿足水穩(wěn)定性要求，AR－AC－13 級(jí)配的TSR 依然最高，表明其抗水損害能力最好。

3.3 老化程度

為研究老化程度對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，采用未老化、短期老化及長(zhǎng)期老化3 種混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 老化程度與凍融劈裂比的關(guān)系圖

由圖4 的試驗(yàn)結(jié)果可知:

1)一次凍融循環(huán)后未老化試件、短期老化試件及長(zhǎng)期老化試件的TSR 分別為92.1%、89.7%、81.7%，隨著試件的老化程度的增加抗水損能力降低，但TSR 均大于80%，滿足水穩(wěn)定性要求。

2)二次凍融循環(huán)后未老化試件、短期老化試件及長(zhǎng)期老化試件的TSR 分別為82%、81.4%、77.1%，三者的TSR 值均比一次凍融循環(huán)后的TSR低，表明凍融循環(huán)與老化程度均能影響其水穩(wěn)定性。未老化試件及短期老化試件在二次凍融后TSR 值均大于80%，而長(zhǎng)期老化試件的TSR 值僅為77.1%，不能滿足水穩(wěn)定性要求。

3.4 泥土含量

進(jìn)行3 種泥土含量(0%、1%、2%)試件的凍融劈裂試驗(yàn)，以研究不同泥土含量對(duì)濕法混合料水穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 泥土含量與凍融劈裂比關(guān)系圖

由圖5 可知:

1)一次凍融后泥土含量為0%、1%、2%的濕法橡膠瀝青混合料的TSR 分別為91.9%、89.9%、89.7%，說(shuō)明隨著泥土含量的增加TSR 呈遞減趨勢(shì)，但均滿足TSR 大于80%的技術(shù)要求。

2)二次凍融循環(huán)后泥土含量為0%、1%、2%的濕法橡膠瀝青混合料的TSR 分別為83.8%、78.6%、78.2%，此時(shí)僅不含泥土(泥土含量為0%)的濕法混合料滿足要求。表明泥土含量會(huì)影響濕法混合料的水穩(wěn)定性能，因此建議嚴(yán)格控制集料中塵土的含量。

3.5 空隙率

進(jìn)行3 種空隙率(4%、6%、8%)試件凍融劈裂試驗(yàn)，以研究不同空隙率對(duì)濕法混合料的水穩(wěn)定性的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 空隙率與凍融劈裂比的關(guān)系圖

由圖6 可知:在一次凍融劈裂試驗(yàn)中空隙率為4%、6%、8%的濕法橡膠瀝青混合料試件的TSR 值分別為92.4%、92.3%、86.8%，均大于80%。在二次凍融劈裂試驗(yàn)中TSR 值分別為82.5%、81.7%、76.3%，空隙率為8%時(shí)，試件水穩(wěn)定性不能滿足要求。試件TSR 隨混合料空隙率的增加而減小，其水穩(wěn)定性也隨之降低。

3.6 抗剝落劑

瀝青混合料常采用水泥和消石灰作為抗剝落劑，選用水泥及消石灰來(lái)研究抗剝落劑對(duì)濕法橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，研究不摻加抗剝落劑的原狀濕法橡膠瀝青混合料、摻加1%的水泥及摻加1%消石灰的濕法混合料的TSR，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 抗剝落劑與凍融劈裂比關(guān)系圖

分析圖7 可知:

1)經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后，未加抗剝落劑、摻加1%消石灰與摻加1%水泥的3 種試件TSR 分別為89.3%、92.1%與90.2%，三者的數(shù)值相近，且均滿足要求。

2)經(jīng)歷二次凍融循環(huán)后，未加抗剝落劑、摻加1%消石灰與摻加1%水泥的3 種試件TSR 分別為74.4%、83.5%與82.6%，未摻加抗剝落劑的試件TSR 值比一次凍融循環(huán)降低幅度較大且小于80%，不能滿足要求。添加抗剝落劑有助于濕法橡膠瀝青的水穩(wěn)定性，且摻加消石灰的比摻加水泥效果更好。

3.7 油石比

不同油石比(7.2%、7.7%和8.2%)對(duì)濕法橡膠瀝青混合料水穩(wěn)定性影響的試驗(yàn)結(jié)果如圖8。

圖8 油石比與凍融劈裂比關(guān)系圖

分析圖8 的試驗(yàn)結(jié)果可知:經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后，油石比為7.2%、7.7%與8.2%的3 種濕法橡膠瀝青混合料TSR 分別為89%、90.1%與92.4%，均滿足水穩(wěn)定性要求。二次凍融循環(huán)后，油石比為8.2%的試件TSR 降低，但仍滿足水穩(wěn)定性技術(shù)要求;而油石比7.2%及7.7%的試件TSR 為78.4%和79.6%，不能滿足水穩(wěn)定性要求。

4 工程應(yīng)用

原九景高速公路瀝青路面原結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)為:26～32 cm 未篩分碎石底基層+20 cm 6%水泥穩(wěn)定碎石基層+5 cm AC－30I 粗粒式瀝青砼下面層+4 cm AC－20II 中粒式瀝青砼中面層+3 cm AK－13A 抗滑表層。采用3 cm 厚AK－13A 作路面表面層，該設(shè)計(jì)具有一定的缺陷。在江西溫潤(rùn)多雨的氣候及車輛荷載作用下，全線出現(xiàn)大量網(wǎng)裂、裂縫、泛漿及坑槽等現(xiàn)象，在雨季更甚。

采用濕法橡膠瀝青混合料對(duì)路面進(jìn)行技改，濕法橡膠瀝青混合料試驗(yàn)路(K176+00 ～K178+00)自施工完畢并開(kāi)放交通后，已經(jīng)歷了一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的氣候及荷載的作用。為研究其水穩(wěn)定性，分別在試驗(yàn)路不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行了橡膠瀝青路面檢測(cè)，抗?jié)B能力檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖9。

圖9 試驗(yàn)路段各時(shí)期滲水系數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)圖

由圖9 可知，各時(shí)期滲水系數(shù)均小于120 mL/min，表明試驗(yàn)配制的濕法橡膠改性瀝青路面滿足水穩(wěn)定性要求。

5 結(jié)論

1)濕法橡膠瀝青混合料用于路面具有較好的適用性及優(yōu)點(diǎn)，但其水穩(wěn)定性是重要性質(zhì)，需重視水穩(wěn)定性影響因素。采用凍融劈裂試驗(yàn)得到TSR 值評(píng)價(jià)濕法橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性，從而得出各因素對(duì)其水穩(wěn)定性的影響關(guān)系。

2)增加凍融循環(huán)的次數(shù)會(huì)造成濕法橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性的衰減，采用堿性集料對(duì)增強(qiáng)濕法橡膠瀝青混合料的抗水損害能力更有利。

3)采用AR－AC－13 級(jí)配、含泥土量低、老化程度低的濕法橡膠瀝青混合料的抗水損害能力均較好。濕法橡膠瀝青混合料的空隙率應(yīng)該控制在4%～6%之間，油石比為8.2%。

4)摻加抗剝落劑能明顯提高濕法橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性，消石灰對(duì)提高濕法橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性比水泥效果稍好，建議采用消石灰作抗剝落劑。

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