水泥消石灰改善OGFC路面水穩(wěn)定性試驗(yàn)

高 瑩，雒曉東

(1.西京學(xué)院 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710123；2.西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068)

0 引 言

OGFC(Open Graded Friction Course)是開級配瀝青磨耗層的簡稱，由于其設(shè)計(jì)空隙率較大，在雨天能夠迅速地將路表水通過混合料內(nèi)部的空隙排到路面兩側(cè)，消除行車過程中的水霧、水漂和眩光現(xiàn)象，提高行車的安全性，同時OGFC也有較好的路表抗滑以及降噪能力[1-6]。但正由于OGFC混合料的空隙率較大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)容易長期處于蓄水狀態(tài)，水分可以穿透瀝青膜侵入瀝青與礦料界面，在輪載作用下導(dǎo)致混合料發(fā)生松散、剝落等水損害，影響路面使用性能[7-11]。為了提高OGFC路面的水穩(wěn)定性，國內(nèi)許多學(xué)者展開了研究：鄧星鶴[12]提出了一套透水性瀝青混合料水穩(wěn)定性評價體系，并對OGFC-13型瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性評價；羅要飛、李曉娟等[13-14]研究了不同外加劑對OGFC路用性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維和聚合物可以有效地減小OGFC離析的可能性；呂春飛等[15]研究表明，AR-68抗剝落劑和水泥復(fù)摻時，OGFC水穩(wěn)定性的改善效果最為明顯；陳淑樺[16]研究表明，用水泥取代部分礦粉能有效地增強(qiáng)瀝青的抗剝落性能；王旭東等[17]通過試驗(yàn)證明，摻加水泥或消石灰后瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性都有明顯改善，同時對混合料的低溫性質(zhì)影響不大；湯寄予等[18]研究發(fā)現(xiàn)，為改善OGFC混合料的水穩(wěn)定性，消石灰的適宜摻量為礦料總質(zhì)量的2.8%；鄭曉光等[19-20]通過對微觀性能的研究得出，在瀝青混合料中用消石灰和水泥取代部分礦粉，可以增強(qiáng)填料的堿性，與瀝青中呈弱酸性的羧酸 (Carboxyilc)和亞楓(Sulfoxide)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成吸附性能較強(qiáng)的堿土鹽，從而增強(qiáng)混合料的抗剝落性能。本文在國內(nèi)各學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，通過在混合料中添加水泥和消石灰取代部分或全部礦粉來進(jìn)行OGFC水穩(wěn)定性試驗(yàn)，通過比較摻加不同量的水泥和消石灰OGFC混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度等指標(biāo)，找出一種可以有效改善OGFC路面水穩(wěn)定性的方法。

1 原材料性能及配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

瀝青采用陜西某公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青，其技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 SBS改性瀝青的技術(shù)性質(zhì)

1.2 集料

粗集料采用陜西商洛市某采石場生產(chǎn)的斜長角閃巖，細(xì)集料采用商洛市某公司生產(chǎn)的9.5～19 mm石灰?guī)r碎石，在拌合廠用制砂機(jī)加工而成。粗、細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)見表2、3。

1.3 填料

填料包括礦粉、消石灰和水泥。礦粉采用商洛市某公司生產(chǎn)的4.75～9.5 mm石灰?guī)r碎石，在拌合廠自行加工而成；水泥為普通硅酸鹽水泥，基本性能見表4；消石灰為鈣質(zhì)消石灰，鈣鎂含量滿足Ⅱ級以上，性能見表5。

表2 粗集料的技術(shù)性質(zhì)

表3 細(xì)集料的技術(shù)性質(zhì)

表4 水泥性能

表5 消石灰性能

1.4 配合比設(shè)計(jì)

由《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)可知，由于OGFC混合料具有空隙率大、粗集料含量高的特點(diǎn)，其馬歇爾試驗(yàn)的物理力學(xué)指標(biāo)與瀝青用量的關(guān)系曲線沒有峰值，因此不能通過常規(guī)馬歇爾方法確定瀝青用量。

本次試驗(yàn)選取目標(biāo)空隙率為20%，采用OGFC-13級配，具體步驟為：先確定初始級配，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的方法成型馬歇爾試件，通過對比試件的空隙率與目標(biāo)空隙率確定目標(biāo)級配，見表6。目標(biāo)級配確定后通過馬歇爾試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)和謝倫堡析漏試驗(yàn)確定混合料的最佳油石比為4.4%。

表6 目標(biāo)級配

2 試驗(yàn)方案

2.1 消石灰與水泥摻量

按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的方法成型馬歇爾試件，將消石灰與水泥分別按34%、67%和100%的比例取代礦粉，由于礦粉占礦料總質(zhì)量的4.2%，則消石灰與水泥摻量分別為1.4%、2.8%和4.2%。

2.2 油石比的修正

由于填料中消石灰與水泥的顆粒粒徑小于礦粉，比表面積大，吸附的瀝青更多，因此需要適當(dāng)增加瀝青用量，之后通過析漏、飛散試驗(yàn)確定配合比。OGFC混合料摻加不同消石灰和水泥后確定的油石比見表7。

表7 OGFC混合料配合比

2.3 水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法

對試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)。對于浸水馬歇爾試驗(yàn)，將各類OGFC瀝青混合料馬歇爾試件分為2組，測定常規(guī)條件下馬歇爾穩(wěn)定度與浸水48 h馬歇爾穩(wěn)定度，比較2組試件穩(wěn)定度的比值及殘留穩(wěn)定度。對于凍融劈裂試驗(yàn)，將各類混合料試件分為2組，分別測定常規(guī)條件下劈裂強(qiáng)度與經(jīng)過凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度，計(jì)算凍融循環(huán)強(qiáng)度比。依據(jù)浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比較各組混合料的水穩(wěn)定性，得到改善OGFC混合料水穩(wěn)定性的最佳方法。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)對各類OGFC混合料分別進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，之后對另一組混合料恒溫(60 ℃)水浴浸水48 h后進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，各組混合料試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 馬歇爾穩(wěn)定度與浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

將試驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線，見圖1、2。由圖1可知，消石灰與水泥摻量對OGFC混合料馬歇爾穩(wěn)定度有著不同的影響。隨著消石灰摻量的增加，馬歇爾穩(wěn)定度與浸水穩(wěn)定度均增大，且在摻量達(dá)到4.2%(即完全取代混合料中的礦粉)時，混合料的馬歇爾穩(wěn)定度與浸水穩(wěn)定度均達(dá)到最大值，分別為5.23、4.74 kN，相比未摻加前增加了7.4%和61.5%?？梢姄郊酉覍蠡旌狭像R歇爾穩(wěn)定度具有較明顯的增長作用，且摻量越多效果越好，但對未浸水馬歇爾穩(wěn)定度的增長效果不大。對于水泥，隨著其摻量的增加，OGFC混合料馬歇爾穩(wěn)定度與浸水穩(wěn)定度均呈先增加后減小的拋物線趨勢，在摻量分別為2.8%、2.2%(礦粉取代率分別為67%、52.4%)時，馬歇爾穩(wěn)定度與浸水穩(wěn)定度達(dá)到最大值5.33、4.3 kN，相比未摻加前增加了9.4%、56.4%。

圖1 消石灰與水泥摻量對馬歇爾穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度的影響

圖2 消石灰或水泥摻量對殘留穩(wěn)定度的影響

圖2為摻加不同量消石灰與水泥對浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度的影響，可見隨著消石灰摻量的增大，混合料浸水殘留穩(wěn)定度不斷增大，在摻量達(dá)到4.2%(即完全取代混合料中的礦粉)時，殘留穩(wěn)定度達(dá)到90.63%，相比未摻加消石灰時提高了60.5%；隨著水泥摻量的增加，混合料浸水殘留穩(wěn)定度先增大后減小，在摻量為1.7%(礦粉取代率為40.5%)時有最大值83.2%，相比未摻加水泥時提高了47.4%。

由于浸水馬歇爾試驗(yàn)是在60 ℃恒溫水浴浸水48 h后進(jìn)行的，衡量的是OGFC混合料高溫下礦料與瀝青間的黏附性，故低溫情況下?lián)郊酉遗c水泥對混合料水穩(wěn)定性的改善情況還應(yīng)通過凍融劈裂試驗(yàn)得出結(jié)論。

3.2 凍融劈裂試驗(yàn)

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)，凍融劈裂試驗(yàn)是將馬歇爾試件分成2組：一組測定常規(guī)條件下的劈裂強(qiáng)度；另一組首先進(jìn)行真空飽水以模擬OGFC路面在雨天時空隙中充滿水的過程，之后在-18 ℃±2 ℃條件下冷凍16 h±1 h，再置于60 ℃±0.5 ℃水中浸泡24 h，最后進(jìn)行劈裂強(qiáng)度測試。在凍融過程中，集料顆粒表面的瀝青膜經(jīng)歷了水的凍脹與剝落作用，促使瀝青從集料表面剝落，從而導(dǎo)致瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度降低。此方法相比浸水馬歇爾試驗(yàn)更為嚴(yán)苛，反映了混合料在最不利情況下抵抗水損害的能力。各組混合料的試驗(yàn)結(jié)果見表9、圖3。

表9 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖3 消石灰與水泥摻量與凍融劈裂性能的關(guān)系

由表9、圖3可以看出：隨著消石灰摻量的增加，混合料的劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度和凍融劈裂強(qiáng)度比均增大，在消石灰摻量為4.2%(礦粉取代率100%)時達(dá)到最大值，相比未摻加時增加了41.3%；而摻加水泥的效果相比消石灰較差，隨摻量的增加，混合料的劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度以及凍融劈裂強(qiáng)度比均先增大后減小，在摻量為2.8%(礦粉取代率67%)時凍融劈裂強(qiáng)度比達(dá)到最大值75.5%，相比未摻加水泥時增加了23.4%，與摻加消石灰相比降低了11%。

綜上所述，消石灰與水泥取代礦粉均使OGFC混合料的水穩(wěn)定性明顯改善。隨著消石灰摻量的增加，混合料的馬歇爾殘留強(qiáng)度比與凍融劈裂強(qiáng)度比均提高。這是由于消石灰的粒徑相比試驗(yàn)所用的石灰?guī)r礦粉粒徑更小，因此提高了瀝青與礦料的接觸面積，增加了瀝青膠漿的強(qiáng)度，從而使劈裂強(qiáng)度增大。消石灰是堿性材料，一方面與瀝青中的酸性物質(zhì)反應(yīng)生成堿土鹽，提高瀝青的黏附性，另一方面可以降低集料的表面能，阻礙其與氫鍵的結(jié)合，從而使集料不易被水剝離。隨著水泥摻量的增加，混合料的馬歇爾殘留強(qiáng)度比與凍融劈裂強(qiáng)度比均存在峰值；但隨著摻量進(jìn)一步增加性能反而下降，這可能是由于摻加水泥較多后OGFC-13混合料的油石比增加不多，導(dǎo)致混合料難以壓實(shí)，從而導(dǎo)致其水穩(wěn)定性降低?？紤]到消石灰與水泥改善混合料水穩(wěn)定性的差異，推薦在進(jìn)行OGFC-13路面配合比設(shè)計(jì)時摻加4.2%的消石灰，即消石灰全部取代礦粉，從而保證排水性瀝青路面具有較好的水穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

(1)在OGFC混合料配合比設(shè)計(jì)中，采用消石灰和水泥取代礦粉均可以明顯改善混合料的水穩(wěn)定性；但隨著消石灰與水泥摻量的提高，混合料的油石比均增大，因此需對最佳油石比進(jìn)行重新的試驗(yàn)確定。

(2)隨消石灰摻量的提高，OGFC混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均增長，在摻量為4.2%時達(dá)到最大值，分別為90.63%、86.5%，相比未摻加時分別提高了60.5%、41.3%。

(3)隨水泥摻量的提高，OGFC混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比均存在峰值，在摻量分別為1.7%、2.8%時達(dá)到最大值，分別為83.2%、75.5%，相比未摻加時分別提高了47.4%、23.4%。

(4)消石灰改善OGFC混合料水穩(wěn)定性的效果比水泥更好，因此推薦在混合料中摻加4.2%消石灰以提高其水穩(wěn)定性。