花岗岩沥青混合料水稳定性能改善试验研究

张 娜,厉建远

(1.中国市政工程西南设计研究总院,四川成都610081;2.山东省临沂市交通工程质量监督站,山东临沂276004)

在缺乏碱性石料的地区,许多的高速公路项目在修建时为了充分地利用当地的石料,降低造价,往往选用酸性的花岗岩石料作为沥青混合料的集料。但是花岗岩与基质沥青的粘附性不佳,当以酸性石料花岗岩作为沥青混合料的骨料时,沥青混合料的水稳定性往往不能达到要求。李生隆[1]指出沥青混合料的水稳定性对路面性能有重要影响;周亮[2]研究了沥青混合料试件吸水饱和度对水稳定性的影响。对于沥青混合料本身来说,提高其水稳定性主要有:一方面采用密实性混凝土级配,保证压实度,减小空隙率;另一方面采用添加剂,提高沥青与石料的粘附性。对于后者常用的方法有:添加改性剂,使用改性沥青;掺加抗剥落剂;使用水泥或消石灰代替部分或全部矿粉[3-6]。本文通过对四种不同的方法探索改进花岗岩沥青混合水稳定性的最优的方法,从而为缺乏碱性石料的地区的工程项目使用花岗岩沥青混合料提供借鉴。

1 试验方案

1.1 试验方案的确定

本文通过对5组花岗岩沥青混合料的试验方案(表1)(第1组为未改进方案,其余4组为不同改进方案)进行粘附性试验、浸水残留稳定度试验、冻融劈裂试验,从而研究不同改进方案的效果。

表1 试验方案

试验材料如下:粗细集料均采用花岗岩,产地为湖南;矿粉采用石灰岩矿粉,水泥采用秦岭牌P.O 42.5,其中抗剥落剂采用的广州地区常用的液体抗剥落剂,抗剥落剂掺量为沥青质量的0.4%。

1.2 试验材料的性能试验

1.2.1 沥青

混合料结合料采用壳牌70#基质沥青,根据文献[8]中的试验方法对原材料进行检测,其性能指标检测结果如表2。

表2 沥青性能指标检测结果

1.2.2 集料及矿粉

集料为0～3、3～7、7～12、12～16的四档花岗岩。对其各项性能指标的测试结果列于表3～表5。

表3 粗集料基本性能测试值

2 试验级配设计

2.1 确定混合料合成级配

根据文献[9]的要求对原材料进行级配设计,经计算矿料比例为:12 mm～16 mm∶7 mm～12 mm∶3 mm～7 mm∶0 mm～3 mm∶矿粉∶水泥(消石灰)=26%∶27%∶18%∶24%∶3%∶2%,调整出的级配如表5。

表4 细集料和矿粉基本性能测试值

表5 沥青混合料AC-13C矿料级配计算表

2.2 马歇尔试件制作

按照表5的级配,确定最佳的油石比为4.8%。根据文献[9]的要求采用马歇尔双面击实75次的成型方法制作马歇尔试件,筛选高度符合63.5±1.3 mm的试件进行浸水马歇尔试验,试件的物理指标如表6。同时采用马歇尔双面击实50次的成型方法制作马歇尔试件,筛选高度符合63.5±1.3 mm和空隙率满足7%±1%的试件进行冻融劈裂试验,试件的物理指标如表7。

3 水稳定性检测和分析

3.1 沥青与集料的粘附性检测和分析

沥青与集料的粘附及剥落机理的分析有很多种理论,其中极性理论就是一个重要的理论,已为大多数沥青研究者所接受。极性理论认为表面活性物质的分子是由极性基和非极性基组成的不对称结构,极性基带有偶极矩,故表象出力场。当沥青粘附于石料表面后,在石料表面首先发生极性分子定向而形成吸附层。同时,在极性力场中的非极性分子由于得到极性的感应而获得额外的定向能力,从而构成致密的表面吸附层。沥青在矿料表面的吸附可以分为物理吸附、化学吸附和选择性扩散吸附。由于水是极性分子,且有氢键,因此水对石料具有吸附力。如果石油沥青是含极性的,它与亲水性石料粘附时基本上只有物理吸附,故沥青易为水所剥落。含极性物质的石油沥青与憎水性石料粘附时,不仅有物理吸附,同时还有化学吸附,故沥青不易为水所剥落[10]。

表6 双面击实75次沥青混合料AC-13C马歇尔试件物理指标

表7 双面击实50次沥青混合料AC-13C马歇尔试件物理指标

从图1可以看出,不做任何改进的基质沥青与花岗岩的粘附性只有2级,而添加了3%的水泥方案和2%的矿粉方案,沥青与石料的粘附性能达到3级左右。而通过添加抗剥落剂的方案和通过20%浓度的石灰水悬浊液治理矿质集料的方案,沥青与集料的粘附性分别达到了4级和5级。尤其是通过20%的石灰水悬浊液治理矿质集料的方案,在集料的表面生产一层含极性的碳酸钙而改善了沥青与集料的粘附性。值得指出的是,对于添加抗剥落剂的方案,在采用时要严格的检测抗剥落剂的高温稳定性、水稳定性等问题。

图1 不同方案沥青与集料粘附等级图

3.2 浸水马歇尔试验检测和分析

根据文献[8]的要求,将用于浸水马歇尔试验的试件分成两组:将第1组试件置于60℃的恒温水槽中保温0.5 h,同时将第2组试件置于60℃的恒温水槽中保温24 h。分别对两组试件进行马歇尔试验,试验结果见图2～图3。

图2 不同试验方案马歇尔稳定度图

图3 不同试验方案浸水残留稳定度图

从图2可以看出,4种改进方案在增加强度方面的效果由大到小依次是:通过20%浓度的石灰水悬浊液治理矿质集料的方案＞掺量2%的消石灰代替矿粉的方案＞掺量3%的水泥代替矿粉的方案＞在沥青中掺量0.4%的改性剂的方案。尤其是通过消石灰水处理集料的方案比不进行任何处理的方案的普通稳定度增加了将近100%左右。这是因为通过消石灰水处理过的集料被一层碳酸钙包裹,转变为碱性岩石一样,充分的发挥了消石灰的作用。由于2%的消石灰的碱性强于3%水泥的碱性,以及消石灰的与水的反应速度比水泥的水化反应要快很多,所以在浸水0.5 h的情况下,掺量2%消石灰的方案比掺量3%水泥的方案稳定度要高。而掺加抗剥落剂的方案则是通过改善沥青的粘附性而增强混合料的水稳定性,这种方法的效果大约是通过改善集料的极性而增强混合料的水稳定性的80%。

从图3可以得出,4种方案的浸水残留稳定度都有所增加,其大小关系为:掺量3%的水泥代替矿粉的方案＞通过20%浓度的石灰水悬浊液治理矿质集料的方案＞掺量2%的消石灰代替矿粉的方案＞在沥青中掺量0.4%的改性剂的方案。其中尤其是掺加3%水泥的方案,由于水泥的充分反应,使得试件在浸水24 h的情况下,稳定度不但没有下降反而是上升了14.81%。

3.3 冻融劈裂试验

根据文献[4]的要求,将用于冻融试验的试件分成2组。将第1组试件置于平台上,在室温下保存备用;将第2组试件在98.3 kPa～98.7 kPa真空条件下保持15 min,然后将试件分别装进放有10ml水的塑料袋里在温度为-18℃的恒温冰箱里放置16 h后,立即放入温度为60℃的恒温水槽中保温24 h。再将第1组与第2组全部试件浸入温度为25℃的恒温水槽中2 h取出试件依次进行劈裂试验,得到试件的最大荷载。所测得的冻融劈裂残留强度见图4～图5。

图4 不同试验方案劈裂抗拉强度图

图5 不同试验方案冻融劈裂残留强度图

通过图4可以看出,4种改进方案在增加抗拉强度方面的效果由大到小依次是:通过20%浓度的石灰水悬浊液治理矿质集料的方案＞掺量2%的消石灰代替矿粉的方案＞掺量3%的水泥代替矿粉的方案＞在沥青中掺量0.4%的改性剂的方案。尤其是通过20%浓度的消石灰水处理集料的方案比不进行任何处理的方案增加了68.5%,显著的增加了混合料的抗拉强度。不同方案对于抗拉强度的影响关系和不同方案对于稳定度的影响关系是一致的。

图5中4种改进方案在增加抗水损害方面的效果由大到小依次是:掺量3%的水泥代替矿粉的方案＞通过消石灰水处理集料的方案＞在沥青中掺量0.4%的改性剂的方案＞掺量2%的消石灰代替矿粉的方案。说明在冻融循环的作用下掺加3%的水泥方案的花岗岩混合料中沥青和集料粘附程度减低的相对值比较少。通过消石灰水处理集料的方案,虽然其冻融后的抗拉强度还是最强的,但是由于其未冻融时的强度也较大,所以冻融劈裂强度不如掺量3%水泥的方案。对于掺加抗剥落剂的方案,由于未冻融时的抗拉强度远远低于掺加2%消石灰的方案,所以掺加抗剥落剂方案的冻融劈裂残留强度(TRS)比掺加2%消石灰方案的略大。

4 结 语

(1)在改进花岗岩强度方面,4种改进方案的效果由大到小依次是:通过20%浓度的消石灰水处理集料的方案＞掺量2%的消石灰代替矿粉＞掺量3%的水泥代替矿粉＞在沥青中掺量0.4%的改性剂。

(2)在改进花岗岩抗水损害方面,4种改进方案的效果由大到小依次是:掺量3%的水泥代替矿粉＞通过消石灰水处理集料的方案＞在沥青中掺量0.4%的改性剂＞掺量2%的消石灰代替矿粉。

(3)无论是在强度方面还是在抗水损害方面,通过改进集料表面性能增强水稳定性的效果都比通过改进沥青粘附性增强水稳定性的效果好。验证了NATC认为集料对粘附性的影响远远大于沥青的观点。

(4)当冻融劈裂试件的孔隙率满足7%±1%内时,其冻融劈裂强度值TSR都比较小只有60%左右,说明,施工的试验要严格的控制压实度,确保混合料的孔隙率在设计的范围之类。避免孔隙率在7%±1%内而产生水损害。

(5)对于浸水残留稳定度试验和冻融劈裂试验显示出最好的处理方案分别为通过消石灰水处理集料和掺加3%水泥代替矿粉。评价花岗岩水稳定性时除了要考虑浸水强度比ISR的值不能过低外,还应考虑冻融先后的抗拉劈裂强度也不能太小,以保证能准确反映出沥青混合料的水稳性能。建议:当工程所在地区不存在冻融的情况时,考虑以冻融先后的抗拉劈裂强度作为主要的指标,当工程所在地区存在冻融的情况时,考虑以冻融劈裂残留强度作为主要的指标。

[1]李生隆,孙登科,胡玲玲.半柔性复合路面设计与施工方法的探讨[J].水利与建筑工程学报,2007,5(4):70-73.

[2]周亮,栗培龙,张争奇,等.沥青混合料试件吸水饱和度对水稳定性影响[J].武汉理工大学学报,2009,31(5):5-8.

[3]汤寄予,高丹盈,赵 军,等.消石灰改善OGFC水稳定性的试验研究[J].中外公路,2008,28(6):232-236.

[4]郑晓光,吕伟民.使用消石灰对沥青混合料性能的影响[J].石油沥青,2004,18(4):23-25.

[5]应荣华,王丽娟,朱秀锦.石灰水处治集料对沥青混合料水稳性影响试验分析[J].中外公路,2007,27(4):243-245.

[6]王旭东,戴为民.水泥、消石灰在沥青混合料中的应用[J].公路交通科技,2001,18(4):20-24.

[7]韩瑞民,杨韵华.抗剥落剂对沥青混合料性能作用的研究[J].公路,2002,(11):83-86.

[8]JTJ052-2000.公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社.

[9]JTG F40-2004.公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社.

[10]王 华.沥青混合料水稳定性能的研究[D].西安:长安大学,2004.