水泥消石灰改善OGFC路面水稳定性试验

2019-05-10雒晓东

筑路机械与施工机械化 2019年4期

高莹，雒晓东

(1.西京学院土木工程学院，陕西西安 710123；2.西安市政设计研究院有限公司，陕西西安 710068)

0 引言

OGFC(Open Graded Friction Course)是开级配沥青磨耗层的简称，由于其设计空隙率较大，在雨天能够迅速地将路表水通过混合料内部的空隙排到路面两侧，消除行车过程中的水雾、水漂和眩光现象，提高行车的安全性，同时OGFC也有较好的路表抗滑以及降噪能力[1-6]。但正由于OGFC混合料的空隙率较大，内部结构容易长期处于蓄水状态，水分可以穿透沥青膜侵入沥青与矿料界面，在轮载作用下导致混合料发生松散、剥落等水损害，影响路面使用性能[7-11]。为了提高OGFC路面的水稳定性，国内许多学者展开了研究：邓星鹤[12]提出了一套透水性沥青混合料水稳定性评价体系，并对OGFC-13型沥青混合料进行水稳定性评价；罗要飞、李晓娟等[13-14]研究了不同外加剂对OGFC路用性能的影响，发现纤维和聚合物可以有效地减小OGFC离析的可能性；吕春飞等[15]研究表明，AR-68抗剥落剂和水泥复掺时，OGFC水稳定性的改善效果最为明显；陈淑桦[16]研究表明，用水泥取代部分矿粉能有效地增强沥青的抗剥落性能；王旭东等[17]通过试验证明，掺加水泥或消石灰后沥青混合料的水稳定性和高温稳定性都有明显改善，同时对混合料的低温性质影响不大；汤寄予等[18]研究发现，为改善OGFC混合料的水稳定性，消石灰的适宜掺量为矿料总质量的2.8%；郑晓光等[19-20]通过对微观性能的研究得出，在沥青混合料中用消石灰和水泥取代部分矿粉，可以增强填料的碱性，与沥青中呈弱酸性的羧酸 (Carboxyilc)和亚枫(Sulfoxide)发生化学反应生成吸附性能较强的碱土盐，从而增强混合料的抗剥落性能。本文在国内各学者研究的基础上，通过在混合料中添加水泥和消石灰取代部分或全部矿粉来进行OGFC水稳定性试验，通过比较掺加不同量的水泥和消石灰OGFC混合料的浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度等指标，找出一种可以有效改善OGFC路面水稳定性的方法。

1 原材料性能及配合比设计

1.1 沥青

沥青采用陕西某公司生产的SBS改性沥青，其技术性质见表1。

表1 SBS改性沥青的技术性质

1.2 集料

粗集料采用陕西商洛市某采石场生产的斜长角闪岩，细集料采用商洛市某公司生产的9.5～19 mm石灰岩碎石，在拌合厂用制砂机加工而成。粗、细集料技术性质见表2、3。

1.3 填料

填料包括矿粉、消石灰和水泥。矿粉采用商洛市某公司生产的4.75～9.5 mm石灰岩碎石，在拌合厂自行加工而成；水泥为普通硅酸盐水泥，基本性能见表4；消石灰为钙质消石灰，钙镁含量满足Ⅱ级以上，性能见表5。

表2 粗集料的技术性质

表3 细集料的技术性质

表4 水泥性能

表5 消石灰性能

1.4 配合比设计

由《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)可知，由于OGFC混合料具有空隙率大、粗集料含量高的特点，其马歇尔试验的物理力学指标与沥青用量的关系曲线没有峰值，因此不能通过常规马歇尔方法确定沥青用量。

本次试验选取目标空隙率为20%，采用OGFC-13级配，具体步骤为：先确定初始级配，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的方法成型马歇尔试件，通过对比试件的空隙率与目标空隙率确定目标级配，见表6。目标级配确定后通过马歇尔试验、肯塔堡飞散试验和谢伦堡析漏试验确定混合料的最佳油石比为4.4%。

表6 目标级配

2 试验方案

2.1 消石灰与水泥掺量

按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的方法成型马歇尔试件，将消石灰与水泥分别按34%、67%和100%的比例取代矿粉，由于矿粉占矿料总质量的4.2%，则消石灰与水泥掺量分别为1.4%、2.8%和4.2%。

2.2 油石比的修正

由于填料中消石灰与水泥的颗粒粒径小于矿粉，比表面积大，吸附的沥青更多，因此需要适当增加沥青用量，之后通过析漏、飞散试验确定配合比。OGFC混合料掺加不同消石灰和水泥后确定的油石比见表7。

表7 OGFC混合料配合比

2.3 水稳定性试验方法

对试件进行浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验。对于浸水马歇尔试验，将各类OGFC沥青混合料马歇尔试件分为2组，测定常规条件下马歇尔稳定度与浸水48 h马歇尔稳定度，比较2组试件稳定度的比值及残留稳定度。对于冻融劈裂试验，将各类混合料试件分为2组，分别测定常规条件下劈裂强度与经过冻融循环后的劈裂强度，计算冻融循环强度比。依据浸水马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比较各组混合料的水稳定性，得到改善OGFC混合料水稳定性的最佳方法。

3 试验结果分析

3.1 浸水马歇尔试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对各类OGFC混合料分别进行马歇尔稳定度试验，之后对另一组混合料恒温(60 ℃)水浴浸水48 h后进行马歇尔试验，各组混合料试验结果见表8。

表8 马歇尔稳定度与浸水马歇尔试验结果

将试验结果绘制成曲线，见图1、2。由图1可知，消石灰与水泥掺量对OGFC混合料马歇尔稳定度有着不同的影响。随着消石灰掺量的增加，马歇尔稳定度与浸水稳定度均增大，且在掺量达到4.2%(即完全取代混合料中的矿粉)时，混合料的马歇尔稳定度与浸水稳定度均达到最大值，分别为5.23、4.74 kN，相比未掺加前增加了7.4%和61.5%。可见掺加消石灰对浸水后混合料马歇尔稳定度具有较明显的增长作用，且掺量越多效果越好，但对未浸水马歇尔稳定度的增长效果不大。对于水泥，随着其掺量的增加，OGFC混合料马歇尔稳定度与浸水稳定度均呈先增加后减小的抛物线趋势，在掺量分别为2.8%、2.2%(矿粉取代率分别为67%、52.4%)时，马歇尔稳定度与浸水稳定度达到最大值5.33、4.3 kN，相比未掺加前增加了9.4%、56.4%。

图1 消石灰与水泥掺量对马歇尔稳定度和浸水稳定度的影响

图2 消石灰或水泥掺量对残留稳定度的影响

图2为掺加不同量消石灰与水泥对浸水马歇尔残留稳定度的影响，可见随着消石灰掺量的增大，混合料浸水残留稳定度不断增大，在掺量达到4.2%(即完全取代混合料中的矿粉)时，残留稳定度达到90.63%，相比未掺加消石灰时提高了60.5%；随着水泥掺量的增加，混合料浸水残留稳定度先增大后减小，在掺量为1.7%(矿粉取代率为40.5%)时有最大值83.2%，相比未掺加水泥时提高了47.4%。

由于浸水马歇尔试验是在60 ℃恒温水浴浸水48 h后进行的，衡量的是OGFC混合料高温下矿料与沥青间的黏附性，故低温情况下掺加消石灰与水泥对混合料水稳定性的改善情况还应通过冻融劈裂试验得出结论。

3.2 冻融劈裂试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)，冻融劈裂试验是将马歇尔试件分成2组：一组测定常规条件下的劈裂强度；另一组首先进行真空饱水以模拟OGFC路面在雨天时空隙中充满水的过程，之后在-18 ℃±2 ℃条件下冷冻16 h±1 h，再置于60 ℃±0.5 ℃水中浸泡24 h，最后进行劈裂强度测试。在冻融过程中，集料颗粒表面的沥青膜经历了水的冻胀与剥落作用，促使沥青从集料表面剥落，从而导致沥青混合料的劈裂强度降低。此方法相比浸水马歇尔试验更为严苛，反映了混合料在最不利情况下抵抗水损害的能力。各组混合料的试验结果见表9、图3。

表9 冻融劈裂试验结果

图3 消石灰与水泥掺量与冻融劈裂性能的关系

由表9、图3可以看出：随着消石灰掺量的增加，混合料的劈裂强度、冻融劈裂强度和冻融劈裂强度比均增大，在消石灰掺量为4.2%(矿粉取代率100%)时达到最大值，相比未掺加时增加了41.3%；而掺加水泥的效果相比消石灰较差，随掺量的增加，混合料的劈裂强度、冻融劈裂强度以及冻融劈裂强度比均先增大后减小，在掺量为2.8%(矿粉取代率67%)时冻融劈裂强度比达到最大值75.5%，相比未掺加水泥时增加了23.4%，与掺加消石灰相比降低了11%。

综上所述，消石灰与水泥取代矿粉均使OGFC混合料的水稳定性明显改善。随着消石灰掺量的增加，混合料的马歇尔残留强度比与冻融劈裂强度比均提高。这是由于消石灰的粒径相比试验所用的石灰岩矿粉粒径更小，因此提高了沥青与矿料的接触面积，增加了沥青胶浆的强度，从而使劈裂强度增大。消石灰是碱性材料，一方面与沥青中的酸性物质反应生成碱土盐，提高沥青的黏附性，另一方面可以降低集料的表面能，阻碍其与氢键的结合，从而使集料不易被水剥离。随着水泥掺量的增加，混合料的马歇尔残留强度比与冻融劈裂强度比均存在峰值；但随着掺量进一步增加性能反而下降，这可能是由于掺加水泥较多后OGFC-13混合料的油石比增加不多，导致混合料难以压实，从而导致其水稳定性降低。考虑到消石灰与水泥改善混合料水稳定性的差异，推荐在进行OGFC-13路面配合比设计时掺加4.2%的消石灰，即消石灰全部取代矿粉，从而保证排水性沥青路面具有较好的水稳定性。