海藻酸钙胶囊对钢渣沥青混凝土水稳定性的影响

2020-05-24任永胜许海涛刘全涛

建材世界 2020年1期

任永胜，许海涛，万沛，刘全涛，段磊，胡斐

(1.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司，呼和浩特 010050；2.中交第一公路工程局有限公司，北京 100024；3.武汉理工大学，武汉 430070)

随着我国经济的稳步增长，全国公路里程在2018年就达到484.65万公里，高速公路里程达到14.26万公里[1]。沥青路面由于兼具行车舒适、养护简便、通行安全等优点，在我国公路中所占比例高达95%。然而沥青路面经历一段服役时间后，在一系列恶劣的环境(紫外光照射、极端低温、连续超重行车荷载)的作用下，会出现裂缝和老化的路面问题[2,3]。

目前国内解决微小宏观裂缝问题主要采取雾封层、刮涂式封层、灌缝等养护方法修复裂缝[4]。但是上述方法是在沥青路面服役一段时间后出现裂缝时采取的人为被动修复手段，并未从根本上解决沥青老化这一关键问题。目前的单一热诱导(电磁感应诱导加热、微波诱导加热、红外诱导加热)技术[5-7]虽然能加速沥青路面微裂缝的愈合，但是仍然无法解决沥青老化这一历史性难题。自愈合胶囊技术成功的解决了这一难题，通过胶囊内部再生剂的应力释放，在微裂缝出现的初期，对裂缝形成区域进行定向修复愈合和老化沥青的原位再生，从而同时在力学性能和化学组成两方面完成恢复，初步实现沥青路面的智能自愈合与智能预养护。

我国的一些地区雨水季节较多，这使得沥青路面常常处于雨水冲刷的恶劣条件下，从而导致掉粒、松散和坑槽等病害接连发生，其主要原因就是沥青路面在雨水浇灌和连续交通荷载的环境下，沥青混凝土内部空隙进入大量的水，从而形成一定的水压，使得沥青与集料之间表面出现脱落，导致集料之间的粘结性降低而发生松散。胶囊恰好处于沥青与集料之间部位。因此，十分有必要探究包含胶囊的沥青混凝土的水稳定性能。

张雷[8]合成了不同水油比的葵花籽油海藻酸钙胶囊，并对路用性能进行了初步研究。考虑到张雷只用一种葵花籽油作为再生剂合成胶囊，并未考虑到使用其它再生剂合成胶囊。

该文在此研究基础上，沿用离子交换法和锐孔法制备了油水比1∶10的包含三种不同再生剂的海藻酸钙胶囊，并且对掺杂着三种胶囊的钢渣沥青混凝土的水稳定性进行探究，为自愈合胶囊在钢渣沥青路面的实际应用提供可靠的理论基础。

1 实验

1.1 材料

1)制备胶囊所用的海藻酸钠、氯化钙、吐温80均来自国药集团，植物油选用金龙鱼集团生产的葵花籽油。

2)实验所用沥青为基质70号沥青，其三大指标如表1所示。

表1 基质70号沥青的三大指标

3)实验所用钢渣产自内蒙包头钢铁集团有限责任公司，钢渣经人工筛分为四档(0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.6 mm、9.6～16 mm)。

1.2 方法

1.2.1 含不同再生剂的海藻酸钙自愈合胶囊的制备

制备出质量分数为2.5%的海藻酸钠溶液，按水油比1∶10分别加入等量的植物油、地沟油和工业再生剂，然后再加入一定量的吐温80，剪切至分散均匀，转入到分液漏斗中，逐滴滴入到质量分数为3%CaCl2溶液中，待其反应完全后，将湿胶囊置于25 ℃的通风干燥箱中干燥48 h。

1.2.2 含不同胶囊的钢渣沥青混凝土的制备

采用AC-13全钢渣级配制备包含不同胶囊的钢渣沥青混凝土试件，各档集料含量为22%(0～2.36)、20%(2.36～4.75)、27%(4.75～9.5)、27%(9.5～16)，矿粉占4%，油石比为4.8%，胶囊掺量为钢渣沥青混凝土总质量的5%。

2 结果与分析

2.1 浸水马歇尔试验

该文将不掺胶囊的钢渣沥青混凝土和三种含胶囊的钢渣沥青混凝土的两组标准马歇尔试件分别放在60 ℃的水中浸泡30 min和48 h，然后利用马歇尔试验仪分别测试两组试件的马歇尔稳定度，将两组马歇尔稳定度按照式(1)计算出比值，其比值即为马歇尔残留稳定度。其结果如图1所示。

(1)

式中，MS0为浸水马歇尔残留稳定度(%)；MS1为浸水48 h稳定度(kN)；MS为浸水30 min稳定度(kN)。

由图1可知，与普通钢渣沥青混凝土相比，三种掺杂不同胶囊的钢渣沥青混凝土的残留稳定度均呈现下降趋势，出现此种现象可能是胶囊的掺入破坏了钢渣沥青混凝土内部钢渣之间的嵌挤结构，使其孔隙率增加，反而使其强度降低。与普通钢渣沥青混凝土相比，三种掺杂不同胶囊的钢渣沥青混凝土的浸水残留稳定度也依次降低，但都满足施工规范要求的75%。出现此种现象可能是胶囊的混入致使钢渣沥青混凝土孔隙率增加，致使更多水分进入沥青混凝土内部，从而使强度下降得更快。综合图1可知，相比地沟油胶囊和工业再生剂胶囊，包含植物葵花籽油胶囊的钢渣沥青混凝土的稳定度和浸水稳定度下降速度最慢。

2.2 劈裂冻融试验

该文将不掺胶囊的钢渣沥青混凝土和三种含胶囊的钢渣沥青混凝土的标准马歇尔试件分成两组，一组先进行真空饱和水浸泡，在真空度为97.3～98.7 kPa(730～740 mmHg)条件下保持15 min；然后打开恢复常压，试件在水中放置0.5 h，取出试件放入塑料袋中，加入约10 mL的水，扎紧袋口，将试件放入恒温冰箱，温度设置为-20 ℃，恒温16 h，然后将试件取出，迅速放入已保温为60 ℃的恒温水槽中，保温24 h。另外一组，不做任何处理，与第一组浸入25 ℃的恒温水槽中不少于2 h，保温时试件之间的距离不少于10 mm。保温结束后立即用马歇尔测试仪进行测试，然后按照公式(2)计算出冻融劈裂比。结果如图2所示。

RT1=0.006 287PT1/h1

RT2=0.006 287PT2/h2

(2)

式中,TSR为冻融劈裂实验强度比；RT1为未经受冻融循环试件的劈裂抗拉强度(MPa)；RT2为经受冻融循环试件的劈裂抗拉强度(MPa)；PT1为未受冻融循环试件试验荷载值(N)；PT2为受冻融循环试件试验荷载值(N)；h1为未受冻融循环试件的高度(mm)；h2为受冻融循环试件的高度(mm)。

由图2可知，与普通钢渣沥青混凝土相比，三种掺杂不同胶囊的钢渣沥青混凝土的未经受冻融循环试件劈裂抗拉强度和经受冻融循环试件劈裂抗拉强度都呈下降趋势且都低于初始值。三种掺杂不同胶囊的钢渣沥青混凝土的冻融劈裂残留比也依次小幅降低，含植物葵花籽油胶囊的钢渣沥青混凝土的冻融残留比下降的最少，但都满足施工规范要求。出现这种现象的原因可能是胶囊的掺入使得钢渣沥青混凝土内部孔隙率有所增大，进入内部的水分增加，致使在受冻条件下，所受的因水分结冰引起的应力有所增加，从而导致其冻融残留比下降。