填料种类对沥青胶浆及沥青混合料性能影响研究
2020-06-29
(山西省交通规划勘察设计院有限公司, 山西 太原 030032)
0 引言
近年来,随着沥青路面的大规模发展,沥青公路逐渐覆盖我国大部分地区[1]。在早期的沥青路面中,由于受到行车荷载和外界环境作用的影响,部分路面出现裂缝和车辙等病害,对道路运营的安全稳定性产生严重影响[2]。因此,进一步改善沥青混合料路用性能,对提升沥青路面的使用寿命和降低养护成本具有重要意义[3]。
目前,已有学者采用在沥青混合料中添加一定比例碱性材料的方法提升了其路用性能,并取得了优良效果[4]。丁亚碧等[5]研究了矿粉掺量对紫外光老化后沥青物理性能和化学组成的影响,证明了适量矿粉的掺入可提高沥青的抗紫外光老化能力。游庆龙等[6]讨论了在不同温度梯度、不同粉胶比和不同填料细度级配影响下,沥青胶浆所体现的黏弹性力学性能,证明了材料选择和环境因素对沥青胶浆流变性能有显著影响。李萍等[7]通过分析掺加不同剂量消石灰及水泥沥青混合料路用性能,得到掺加消石灰和水泥均能显著提高沥青混合料的高、低温性能。张艳等[8]对粉煤灰作填料的沥青混合料的性能进行了试验与应用研究,证明了粉煤灰沥青混合料路面状况优异,各项检测性能良好,均符合规范要求。实际工程中填料大多以矿粉为主,但碱性材料存在多样性,如消石灰、水泥和粉煤灰等均可作为填料使用,而上述研究的填料相对单一,缺乏比较性。基于此,本文从沥青胶浆和沥青混合料2个方面,对比分析了水泥、矿粉、消石灰和粉煤灰4种填料对沥青混合料路用性能的影响规律。
1 原材料
1.1 沥青
试验选用70号沥青作为沥青胶结料,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)规范要求进行性能测试,检验结果如表1所示。
表1 70号沥青性能指标类别15 ℃密度/(g·cm-3)软化点/℃15 ℃延度/cm闪点/℃25 ℃针入度/(0.1 mm)老化后质量变化/%25 ℃残留针入度比/%10 ℃残留延度/cm规范要求—≥46≥100≥26060~80-0.8~0.8≥61≥6检验结果1.02848.216029172.50.2778.37.9
1.2 集料
粗集料采用玄武岩碎石,表观密度为2.81 g/cm3,压碎值为13.8%,针片状含量4.2%。细集料采用天然细砂,表观密度为2.72 g/cm3,含泥量为2.6%,砂当量为42.7%。
1.3 填料
选择4种常见填料进行试验研究:
1) P.O42.5普通硅酸盐水泥:表观密度2.71 g/cm3,28d的抗压和抗折强度分别为43.5、7.4 MPa。
2) 矿粉:表面无团粒结块,呈粉状,表观密度2.672 g/cm3,含水量0.4%。
3) 消石灰:表面无团粒结块,表观密度2.77 g/cm3,氢氧化钙含量为96%。
4) 粉煤灰:表观密度2.76 g/cm3,含水量0.5%。
4种填料均采用筛径为0.075 mm的方孔筛进行过筛处理,以降低填料细度对试验结果的影响。4种填料主要化学成分如表2所示。
表2 不同填料主要化学成分质量百分比%填料种类CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSiO3水泥42.229.713.23.51.52.9矿粉51.64.22.10.41.40.2消石灰71.42.60.70.30.90.3粉煤灰4.154.328.44.30.70.7
2 试验方案及配合比设计
2.1 试验方法
试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中之T0628—2011规范要求进行,从沥青胶浆和沥青混合料2个方面综合考虑填料种类对其性能的影响。不同填料制备的沥青胶浆高温性能主要通过分析延度和软化点指标进行评价。沥青混合料高温性能通过车辙试验进行评价;低温抗裂性能通过半圆弯曲试验进行评价;水稳定性能通过冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验进行评价。
2.2 配合比设计
根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规范要求,矿料级配设计采用AC-13C级配。本文主要研究填料种类对沥青混合料的影响,填料用量通过粉胶比进行确定,粉胶比为0.8,根据填料密度对不同填料种类进行等体积置换,以准确评价不同填料种类的影响程度。AC-13C级配设计如表3所示。
表3 AC-13C混合料级配设计类别通过以下筛孔(mm)的质量百分比/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限100100856850382820158下限100906838241510 7 54目标级配10096834837272013 97
3 沥青胶浆性能分析
为研究填料种类对沥青胶浆性能的影响,通过制备不同填料种类的相同粉胶比沥青胶浆,分别进行针入度、延度及软化点试验,并对不同填料种类的沥青胶浆高温性能进行对比分析,试验结果如表4所示。
表4 不同种类填料沥青胶浆性能指标填料种类25 ℃针入度/(0.1 mm)15 ℃延度/cm软化点/℃水泥26.244.647.9矿粉26.846.354.5消石灰18.291.265.8粉煤灰29.362.765.2
由表4可知,不同填料种类对沥青胶浆的高温性能影响具有一定差异性,其中采用消石灰作为填料的沥青胶浆延度和软化点均要大于其他填料的,说明4种填料中消石灰提升沥青胶浆的高温性能效果较优。采用粉煤灰作为填料的沥青胶浆延度和软化点低于消石灰的,但均要高于水泥和矿粉的。而采用水泥和矿粉作为填料的沥青胶浆针入度、延度和软化点相对较小。由此可知,对于改善沥青胶浆的高温性能而言,4种填料的提升效果依次为:消石灰>粉煤灰>矿粉>水泥。
4 沥青混合料性能分析
为研究填料种类对沥青混合料路用性能的影响,以我国常用的矿粉填料作为基准,分别制备采用消石灰、水泥和粉煤灰作为填料的沥青混合料试件作为对照组,对比研究了不同填料种类对沥青混合料水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性的影响规律。
4.1 水稳定性
对采用不同填料制备的沥青混合料试件分别进行冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验,并针对沥青混合料的冻融劈裂强度比和残留稳定度比变化情况展开对比分析,试验结果如图1所示。
图1 沥青混合料水稳定性变化曲线
由图1可知,不同填料对沥青混合料水稳定性的影响不同,其中采用矿粉制备的沥青混合料残留稳定度比为78.7%,采用消石灰和粉煤灰替代矿粉后,沥青混合料的残留稳定度比分别提升了5.6%和0.5%,消石灰的改善效果相对显著;而采用水泥替代后,沥青混合料的残留稳定度比有所下降。采用矿粉制备的沥青混合料冻融劈裂强度比为77.2%,而采用消石灰、粉煤灰和水泥代替矿粉后,沥青混合料的冻融劈裂强度比均得到不同程度的提高,分别提高了13.3%、7.1%和2.4%,其中消石灰的改善效果显著,其次是粉煤灰,水泥的提升效果相对较小。综合来看,采用消石灰和粉煤灰作为填料对于提升沥青混合料水稳定性能的效果要优于矿粉,而采用水泥替代矿粉对于改善沥青混合料水稳定性能的效果不大。
4.2 高温性能
对采用不同填料制备的沥青混合料试件进行车辙试验,并对沥青混合料的动稳定度变化情况展开对比分析,试验结果如图2所示。
图2 沥青混合料高温稳定性变化曲线
由图2可知,不同填料制备的沥青混合料动稳定度均满足规范要求(大于800次/mm)。其中矿粉制备的沥青混合料动稳定度为883次/mm,消石灰替代矿粉后,沥青混合料的动稳定度增大了464次/mm,消石灰作为填料对沥青混合料高温性能的改善效果显著。采用粉煤灰替代矿粉后,沥青混合料的动稳定度增大了63次/mm,粉煤灰的改善效果较小。采用水泥替代矿粉后,沥青混合料的动稳定度减小了约40次/mm。综合来看,采用消石灰和粉煤灰作为填料对于提升沥青混合料高温性能的效果要优于矿粉,而采用水泥灰替代矿粉导致沥青混合料高温性能变差。
4.3 低温抗裂性能
对采用不同填料制备的沥青混合料试件进行单次加载半圆弯曲试验,并对低温环境下沥青混合料的抗拉强度和断裂能指数变化情况展开对比分析,试验结果如图3所示。
图3 沥青混合料低温抗裂性能变化曲线
由图3可知,不同填料种类对沥青混合料低温抗裂性具有不同影响。采用消石灰替代矿粉后,沥青混合料的抗拉强度和断裂能指数均较小;采用水泥替代矿粉后,沥青混合料的抗拉强度和断裂能指数均要低于矿粉;采用粉煤灰替代矿粉后,沥青混合料的抗拉强度要低于矿粉,但断裂能指数要优于矿粉。综合以上分析可知,4种填料中采用消石灰和水泥替代矿粉会导致沥青混合料低温抗裂性有所下降,而采用粉煤灰替代矿粉则在一定程度上可以提升沥青混合料的低温抗裂性。
5 结论
本文从沥青胶浆和沥青混合料2个方面,采用室内试验的方法,深入研究了水泥、矿粉、消石灰和粉煤灰4种填料对沥青胶浆的高温性能及沥青混合料路用性能的影响规律,得到以下结论:
1) 消石灰和粉煤灰替代矿粉均可有效改善沥青胶浆的高温性能,而水泥的作用要低于矿粉。
2) 消石灰和粉煤灰对沥青混合料水稳定性改善作用均要优于矿粉,水泥的改善效果不大。
3) 消石灰和粉煤灰作为填料对于提升沥青混合料高温性能的效果要优于矿粉,而水泥的效果低于矿粉。
4) 消石灰和水泥替代矿粉会导致沥青混合料的低温抗裂性下降,而粉煤灰可以增强沥青混合料的低温性能。
综合来看,消石灰填料对于提升沥青胶浆的性能和改善沥青混合料的路用性能均要优于其他3种填料。