冻融循环条件下外掺剂对沥青混合料水稳定性的影响

2022-03-05瞿晓成

兰州理工大学学报 2022年1期

李萍, 毛昱, 王盟, 丁樊, 瞿晓成

(1. 兰州理工大学土木工程学院, 甘肃兰州 730050; 2. 甘肃省兰州公路局, 甘肃兰州 730050)

我国西北大部分地区气候冷热交替，年平均气温低，早晚温差大,冻融循环频繁、剧烈且明显,这种不利的环境引起了沥青路面各种病害,其中受水损害易剥落的破坏特征表现得尤为突出[1-2].这主要因为沥青混合料内部存有三相体系的网络结构,饱水且经冻融循环作用后,温度应力致使内部空隙体积增大、结构发生损伤,加之汽车荷载反复作用,损伤积累,沥青混合料发生松散、剥落等病害,进而导致沥青路面承载力降低,水稳定性能显著下降[3-4].Little等[5]通过沥青路面在循环荷载作用下的水稳定性研究,表明水分的渗入降低了沥青与集料的粘附性；Bhasin[6]通过计算含水状况下沥青与集料界面的表面能变化量,提出了沥青混合料在受水损害时的参数变化阈值；Howsan等[7]通过扩大表面能数据库,提出可以通过外掺剂来改善沥青混合料的水稳性；Azarhoosh等[8]对不同外掺剂作用下的沥青混合料进行水稳性研究,结果表明,外掺剂能够有效提高沥青与集料的粘附性；Mccann等[9]采用超声波能量加速的方法模拟水温对沥青混合料的影响,结果表明,沥青混合料的水稳定性能与冻融循环次数密切相关；郑健龙等[10]通过冻融循环测试方法,测定沥青混合料试件在含水状况下内部温度变化与劈裂强度的关系,试验结果表明,沥青混合料的劈裂强度随冻融循环次数的增长而降低；李兆生等[11]基于Maxwell模型,分析沥青混合料冻融循环损伤过程,结果表明,随冻融循环次数增加,沥青混合料内部损伤积累,水稳定性显著下降.

从上述研究状况看,沥青混合料的水稳定性与其含水状况下的冻融循环条件密切相关,而外掺剂能够有效改善沥青混合料的水稳定性.然而这些研究大多采用定性的试验手段或理论计算方法描述沥青混合料水稳定性随冻融循环的变化特性,未对多种外掺剂作用下沥青混合料的水稳定性进行对比分析.因此,本文以评价沥青混合料的水稳定性为目的,模拟季冻区沥青路面面层的实际温度状况,对经有水泥、消石灰、橡胶粉以及有机高分子聚合物改性的沥青混合料试件进行不同冻融循环条件下的劈裂试验,以期为沥青路面的设计及施工提供一定的参考.

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料

试验采用的基质沥青为镇海AH-90号道路石油沥青,其基本技术指标见表1,粗、细集料均采自兰州市七里河区王家坪石料厂,集料中矿料的大部分组成成分为花岗岩,表面光滑、呈酸性且与沥青的粘附性较差,经力学试验测定其各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)的要求,见表2.此外,从环保、经济、高效以及实用等方面考虑,本试验的外掺剂分别选用水泥、消石灰[12]、橡胶粉以及有机高分子聚合物(P-Ⅰ、P-Ⅱ和P-Ⅲ),其各项技术指标分别见表3～6.

表1 镇海AH-90号石油沥青技术指标

表2 粗、细集料指标测试结果

表3 有机高分子聚合物基本技术指标

表4 消石灰基本技术指标

表5 水泥基本技术指标

表6 橡胶粉基本技术指标

1.2 沥青混合料级配类型

本文根据甘肃省常用典型沥青路面结构类型,分别选用AC-13和AC-16两种级配类型的沥青混合料[13],通过马歇尔试验获取其基本技术指标,均符合规范要求,配合比设计结果见表7,经试验测得AC-13和AC-16的最佳油石比分别为5.0%和4.5%.

表7 沥青混合料级配设计结果

1.3 试验方法

本试验以评价沥青混合料的水稳定性为目的,模拟季冻区沥青路面面层的实际温度状况,测定不同外掺剂作用下沥青混合料的劈裂强度比,具体方法如下：

1) 在确保粉胶比保持不变的前提下,运用干法使水泥、消石灰代替部分矿粉,对AC-13和AC-16两种类型混合料进行掺配,通过车辙试验、小梁弯曲试验及浸水马歇尔试验,分别确定水泥和消石灰的最佳掺量；

2) 运用湿法工艺将40目的橡胶粉和高分子聚合物分别掺入175 ℃的基质沥青中,采用油浴加热,利用电子温控仪自动控温,经高速剪切法进行改性,先后通过低温小梁弯曲试验、沥青软化点试验、沥青延度试验以及沥青弹性恢复试验,分别确定橡胶粉和高分子聚合物的最佳掺量；

3) 按规程规定以击实法成型标准马歇尔试件,为了与实际路面相符合,试件双面击实75次,确保空隙率控制在3%～5%[14].按照此方法制备AC-13和AC-16两种级配下七种类型(矿粉、水泥、消石灰、橡胶粉以及3种有机高分子聚合物为外掺剂)的试件.待试件制备完成,将其分为两组,一组放入室温下保存备用,另一组置于98.0 kPa的真空度下保持15 min,恢复常压并放置于25 ℃的水中保持0.5 h,然后将试件放入装有10 mL水的塑料袋中,置于-20 ℃的恒温冰箱中冷冻6 h,再将其浸入温度为25 ℃的恒温水槽中,并保持2 h,即为一次冻融循环.按照此冻融循环试验方法分别将试件冻融0、3、6、9、12次,然后严格参照《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行劈裂试验,每组通过3个马歇尔试件对获取数据,以确保试验结果的准确性.

2 试验结果分析与讨论

2.1 水泥、消石灰最佳掺量

2.1.1车辙试验

在试验温度为(60.0±1)℃、荷载为(0.7±0.05)MPa的条件下,对添加消石灰和水泥的AC-13和AC-16两种类型的沥青混合料进行车辙试验,以此评价沥青混合料的高温稳定性.试验结果见图1.

图1 动稳定度随水泥、消石灰掺量的变化Fig.1 Dynamic stability varies with the amount of cement and hydrated lime

由图1得知,水泥和消石灰对沥青混合料高温稳定性能的影响效果比较显著,在水泥替代量范围之内,AC-13和AC-16的动稳定度随水泥掺量的增大均表现出先增大后减小的趋势,当水泥掺量为3%时,动稳定度达到最大值.在消石灰替代量范围之内,AC-13和AC-16的动稳定度随消石灰掺量的增大均表现出先增大后减小的趋势,当消石灰掺量为2%时,动稳定度达到最大值,表现出良好的高温稳定性能.因此在车辙试验中,水泥的最佳掺量为3%,消石灰为2%.

2.1.2小梁弯曲试验

在试验温度为-10 ℃、加载速率为50 mm/min的条件下,通过标准尺寸为250 mm×35 mm×30 mm的小梁,对添加消石灰和水泥的AC-13和AC-16两种类型的沥青混合料进行小梁弯曲试验,以评价沥青混合料的低温抗裂性,试验结果见图2.

图2 弯拉应变随水泥、消石灰掺量的变化Fig.2 Flexure tensile strain varies with the amount of cement and hydrated lime

由图2得知,水泥和消石灰对沥青混合料低温抗裂性能的影响效果比较显著,在水泥替代量范围内,AC-13和AC-16的弯拉应变随水泥掺量的增大均表现出先增大后减小的趋势,当水泥掺量为3%时,弯拉应变达到最大值.在消石灰替代量范围之内,AC-13和AC-16的弯拉应变随消石灰掺量的增大均表现出先增大后减小的趋势,当消石灰掺量为2%时,弯拉应变达到最大值.表明在小梁弯曲试验中,水泥的最佳掺量为3%,消石灰为2%.

2.1.3残留稳定度试验

在试验温度为(60.0±1)℃、加载速率为50 mm/min的条件下,通过标准马歇尔试件,对添加消石灰和水泥的AC-13和AC-16两种级配的沥青混合料进行残留稳定度试验,以评价沥青混合料的水稳性能,试验结果见图3.

图3 残留稳定度随水泥、消石灰掺量的变化Fig.3 Residual stability varies with the amount of cement and hydrated lime

由图3得知,水泥和消石灰对沥青混合料残留稳定度的影响效果比较显著,在水泥替代量范围内,AC-13和AC-16的残留稳定度随水泥掺量的增大均表现出先增大后减小的趋势,当水泥掺量为3%时,残留稳定度达到最大值.在消石灰替代量范围内,AC-13和AC-16的残留稳定度随消石灰掺量的增大均表现出先增大后减小的趋势,当消石灰掺量为2%时,残留稳定度达到最大值.这表明在残留稳定度试验中水泥的最佳替代量为3%,消石灰为2%.

2.2 橡胶粉和高分子聚合物最佳掺量

为获得橡胶粉和高分子聚合物的最佳改性含量,本文按照已有的研究成果[15]选取占沥青用量17%～23%的橡胶粉和0.1%～0.5%的高分子聚合物,分别对基质沥青进行改性,参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011),先后通过沥青软化点试验、沥青延度试验、沥青弹性恢复试验和低温小梁弯曲试验分别对高分子聚合物改性沥青和橡胶沥青混合料进行综合评价,高分子改性沥青试验结果见图4～7.

由图4得知,在高分子聚合物掺量范围内,黏度均随其掺量的增大而增大,当掺量达到0.3%时,黏度增长幅度较大,此后随掺量的增大,黏度增长速率逐渐变慢.考虑到高分子聚合物的最佳影响效果及季冻区改性沥青的粘度控制范围[16],选取三种高分子聚合物的最佳掺量为0.3%.

图4 黏度随高分子聚合物掺量的变化

由图5得知,在高分子聚合物掺量范围内,软化点随其掺量的增大而增大,当掺量达到0.3%时,软化点增长达到最大值,此后随掺量的增大,软化点逐渐下降.考虑到高分子聚合物的最佳影响效果,选取三种高分子聚合物的最佳掺量为0.3%.

图5 软化点随高分子聚合物掺量的变化Fig.5 Softening point varies with high molecular polymer

由图6得知,在高分子聚合物掺量范围内,延度随其掺量的增大而增大,当掺量为0.3%时,延度增长达到最大值,此后随掺量的增大,延度逐渐下降,考虑到高分子聚合物的最佳影响效果,选取三种高分子聚合物的最佳掺量为0.3%.

图6 延度随高分子聚合物掺量的变化Fig.6 Ductility varies with high molecular polymer

由图7得知,在高分子聚合物掺量范围内,弹性恢复随其掺量的增大而增大,当掺量为0.3%时,弹性恢复增长幅度较大,此后随掺量的增大,弹性恢复增长速率逐渐缓慢,趋于平稳,考虑到高分子聚合物的最佳影响效果,选取三种高分子聚合物的最佳掺量为0.3%.

图7 弹性恢复随高分子聚合物掺量的变化Fig.7 Elastic recovery varies with high molecular polymer

通过黏度、软化点、延度及弹性恢复测试试验,综合评价得出三种高分子聚合物的最佳改性含量为0.3%.

为确定橡胶粉的最佳掺量,研究采用橡胶沥青混合料的低温评价方法对其进行判别,通过低温小梁弯曲试验评价不同橡胶粉掺量下的两种级配类型沥青混合料的低温抗裂性能,试验结果见图8.

图8 橡胶沥青混合料低温弯曲试验结果Fig.8 Low temperature bending test results of rubber asphalt mixture

由图8得知,在橡胶粉掺量范围内,AC-13和AC-16两种级配类型沥青混合料的抗弯拉强度随橡胶粉掺量增多表现出先增大后减小的趋势,当橡胶粉的掺量均为20%时,两种级配类型沥青混合料抗弯拉强度均达到最大值,因此可以判断两种级配类型沥青混合料中橡胶粉的最佳掺量为20%.

2.3 冻融劈裂试验结果分析与讨论

2.3.1冻融循环前沥青混合料的劈裂强度

在获取各类外掺剂最佳掺量的基础上,通过马歇尔试验方法测得经水泥、消石灰及高分子聚合物改性的两级配类型混合料油石比与基质沥青基本一致,但橡胶粉的掺入对混合料的油石比影响较大,经测定在橡胶粉作用下AC-13和AC-16的油石比分别为7.1%和6.4%.然后按照1.3中的试验方法对沥青混合料的劈裂强度进行测试.

经冻融劈裂试验方法测得,在冻融循环前,外掺剂对AC-13和AC-16两种级配沥青混合料劈裂强度的影响见图9.

由图9得知,外掺剂作用下,AC-13和AC-16的劈裂强度值显著增长,且在同一级配下,橡胶沥青的增长幅度最大,其次是有机高分子聚合物(P-Ⅰ>P-Ⅲ>P-Ⅱ),然后是消石灰,而水泥的增长幅度相对较小.经对比得知,在相同外掺剂作用下,AC-13的劈裂强度值要高于AC-16,说明沥青混合料的劈裂强度值受自身级配组成的影响较大,集料公称最大粒径越小,劈裂强度值越高.

图9 冻融循环前各类型沥青混合料劈裂强度值Fig.9 Splitting strength values of different asphalt mixture before freeze-thaw cycle

2.3.2冻融循环后沥青混合料的劈裂强度

在上述试验的基础上,分别采用水泥、消石灰、橡胶粉和高分子聚合物对AC-13和AC-16沥青混合料进行掺配,通过冻融劈裂强度试验测得沥青混合料的冻融劈裂强度比与冻融循环次数密切相关,试验结果见图10～11.

从图10～11得知,在冻融循环条件下,各类型沥青混合料的劈裂强度比均表现出下降趋势,表明冻融循环是沥青混合料水稳定性能的不利因素.各类外掺剂均能有效提高沥青混合料的劈裂强度,且随外掺剂类型的不同,劈裂强度提高幅度不同,具体表现为：在同一级配类型和相同的冻融循环条件下,掺入橡胶粉的沥青混合料劈裂强度比最高,其次依次为P-Ⅰ、P-Ⅲ、P-Ⅱ、消石灰和水泥.在同一冻融循环条件和相同的外掺剂作用下,沥青混合料冻融循环劈裂强度比随沥青混合料自身级配类型的不同而具有差异性,具体表现为AC-13的劈裂强度比高于AC-16,说明集料自身级配类型对沥青混合料的水稳定性影响较大,集料公称最大粒径越小,劈裂强度值越高,水稳定性越好.此外,通过劈裂强度比下降的速率来看,橡胶沥青混合料下降速率相对缓慢,表现出较好的水稳定性能.