填料對(duì)排水瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響研究

雷鵬群　張新天　吳鵬志

(北京建筑大學(xué)，北京　100044)

1　問題的提出

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通運(yùn)輸在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的作用越來越顯著，同時(shí)對(duì)道路的安全環(huán)保要求也越來越受到重視。排水瀝青路面就是這樣一種安全環(huán)保的環(huán)境友好型路面，其大空隙的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了路面抗滑、降噪、行車安全等優(yōu)勢，然而其多孔特征也使得路面材料充分地暴露在光、熱、水等自然環(huán)境中，從而更容易出現(xiàn)松散剝落水損壞等病害。

排水路面的水損害問題曾一度阻礙其發(fā)展和推廣，迫使各國采用一系列措施來提高其水穩(wěn)定性，其中摻加消石灰與使用高粘瀝青是其中比較有效的方法。由于高粘瀝青材料成本較高而推廣受到限制，因此利用消石灰替換部分填料的技術(shù)方案具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，研究消石灰改善排水瀝青混合料PAC抗水損害能力的特征及影響規(guī)律，具有重要的實(shí)用意義。

2　排水瀝青混合料水損害過程及消石灰改善機(jī)理分析

排水瀝青混合料PAC是典型的骨架空隙結(jié)構(gòu)，其強(qiáng)度主要由混合料集料骨架之間的嵌擠摩阻作用以及膠結(jié)料與集料間的粘結(jié)作用組成。在水分的侵蝕影響下，加之混合料經(jīng)受行車荷載與溫度脹縮的反復(fù)作用，水分逐漸浸入到瀝青與集料的粘結(jié)面。由于水分子是極性物質(zhì)，與集料的親和性相較于瀝青膠結(jié)料更好，侵入水使集料與瀝青的粘結(jié)性降低，在荷載與溫度的作用下更容易松散剝落導(dǎo)致掉粒坑槽等水損害[1]。瀝青膠結(jié)料內(nèi)含有的羧酸使瀝青呈弱酸性，而排水路面常使用的堅(jiān)硬玄武巖集料也是弱酸性，因此兩者結(jié)合粘附性相較于普通瀝青路面采用的石灰?guī)r等堿性集料略差。

瀝青混合料采用填料通常為礦料研磨之礦粉，pH值在9左右，呈弱堿性，而消石灰的主要成分氫氧化鈣，pH值在12左右，為強(qiáng)堿性。使用消石灰代替一部分礦粉后，消石灰中的堿性基團(tuán)與瀝青中的酸性基團(tuán)反應(yīng)會(huì)形成化學(xué)反應(yīng)生成堿土鹽，而堿土鹽有較強(qiáng)的化學(xué)吸附作用。與物理吸附不同，化學(xué)吸附是強(qiáng)鍵結(jié)合，吸附非常穩(wěn)定且不可逆，解析困難[2]，因此消石灰的使用使瀝青與瀝青膠漿的粘附性得以維持，在水的作用下瀝青結(jié)合料不會(huì)輕易從集料上脫離。

3　消石灰改善PAC混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)方案

為了分析消石灰對(duì)PAC混合料的水穩(wěn)定性的改善效果，以普通石灰?guī)r礦粉、生石灰改善方案和高粘瀝青方案為對(duì)照方案，以及摻配不同比例的消石灰代替部分石灰?guī)r礦粉為試驗(yàn)方案進(jìn)行排水瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗(yàn)。其中粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r，瀝青膠結(jié)料分別采用埃索SBS改性瀝青和高粘改性瀝青，所用材料均符合相關(guān)規(guī)范要求。

瀝青混合料水穩(wěn)定性檢驗(yàn)方法通常是將瀝青混合料置于水蝕環(huán)境中，通過測定其水蝕前后力學(xué)性能的變化情況來評(píng)定其水穩(wěn)定性，主要試驗(yàn)方法有浸水馬歇爾試驗(yàn)、浸水飛散試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)以及凍融劈裂強(qiáng)度比等[3]。PAC混合料采用表1級(jí)配，設(shè)計(jì)空隙率為20%，油石比4.9%。

表1　試驗(yàn)選用級(jí)配

4　馬歇爾試驗(yàn)與浸水馬歇爾試驗(yàn)

馬歇爾試驗(yàn)采用表1級(jí)配進(jìn)行驗(yàn)證，以不同填料改善方案與高粘瀝青對(duì)比組進(jìn)行對(duì)比研究。試件使用擊實(shí)成型，馬歇爾及浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　不同填料方案及瀝青方案的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾和浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，2%生石灰改善方案、2%消石灰改善方案及高粘瀝青方案均可達(dá)到提高排水瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度與浸水穩(wěn)定度的效果，其中高粘瀝青方案穩(wěn)定度值最佳，但是其殘留穩(wěn)定度略低于消石灰方案；2%消石灰方案對(duì)混合料馬歇爾穩(wěn)定度、浸水穩(wěn)定度均有不同程度提高的同時(shí)其殘留穩(wěn)定度最為理想。

5　填料改善方案對(duì)排水瀝青混合料抗飛散性能試驗(yàn)

飛散掉粒是排水瀝青路面最常見的病害之一，是指排水路面在荷載作用下集料從路面結(jié)構(gòu)脫離飛出的現(xiàn)象。試驗(yàn)研究中主要借助洛杉磯試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)來驗(yàn)證排水瀝青混合料抗飛散性能，浸水飛散試驗(yàn)則能夠模擬排水路面在經(jīng)過熱水浸泡膨脹和瀝青老化后集料與膠結(jié)料粘結(jié)力下降的變化情況[4]。試驗(yàn)采用表1級(jí)配進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)飛散與浸水飛散試驗(yàn)，結(jié)果見表3。

表3　標(biāo)準(zhǔn)飛散與浸水飛散指標(biāo)　%

試驗(yàn)結(jié)果表明，全礦粉組標(biāo)準(zhǔn)飛散率較大，且經(jīng)過60 ℃浸水養(yǎng)護(hù)后飛散率進(jìn)一步加大；生石灰及消石灰改善方案均能不同程度的降低飛散損失，其中以2%消石灰替代部分礦粉的方案對(duì)排水瀝青混合料抗飛散及抗浸水飛散水穩(wěn)定性最為顯著；高粘瀝青方案對(duì)排水瀝青混合料抗飛散及浸水飛散性能較好。

6　浸水車轍實(shí)驗(yàn)

車轍試驗(yàn)是瀝青混合料性能驗(yàn)證中最重要的指標(biāo)之一，可以模擬瀝青路面在車輪荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生的壓密、推移等塑性變形。浸水車轍實(shí)驗(yàn)則可以模擬瀝青路面經(jīng)受荷載碾壓與水蝕雙重作用下瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與抗水損壞性能。按照規(guī)程T 0703的 輪碾成型法室內(nèi)制成尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件，試模底部有孔，保證水可以從試件下部滲入。試件首先在60 ℃恒溫水浴中浸泡6 h，之后在水浴環(huán)境下循環(huán)往復(fù)1 h，評(píng)價(jià)其浸水條件下的車轍穩(wěn)定度。試驗(yàn)采用表1中級(jí)配，選用埃索SBS瀝青、高粘瀝青、2%生石灰以及2%消石灰改善方案。試驗(yàn)過程及結(jié)果如圖1,圖2所示。

由圖1，圖2結(jié)果可知，排水瀝青混合料經(jīng)過60 ℃恒溫水浴浸泡后浸水穩(wěn)定度均大幅度降低，說明在交通及水蝕情況下排水瀝青混合料穩(wěn)定性不足；與SBS改性瀝青的全礦粉方案相比，生石灰、消石灰以及高粘瀝青改善方案均能不同程度的提高排水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度及浸水穩(wěn)定度，其中摻加2%消石灰的填料方案動(dòng)穩(wěn)定度與浸水穩(wěn)定度分別能達(dá)到高粘瀝青的對(duì)比組的89.8%與94.4%。

7　不同原材料對(duì)比試驗(yàn)

瀝青混合料是一種多組分混合而成的極其復(fù)雜的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分散系，不同的粗細(xì)集料及瀝青等原材料的細(xì)微變化都可能會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果[5]，因此進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)后采用某實(shí)體工程所用原料及級(jí)配(見表4)。進(jìn)一步對(duì)摻加消石灰的排水瀝青混合料進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)比試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5所示。

表4　某實(shí)際工程所用級(jí)配

表5　不同技術(shù)方案PAC性能比較

由以上工程實(shí)際原材料及配合比方案驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果可知：摻加2%消石灰后析漏損失減少且穩(wěn)定度提高，相比之下抗飛散性能良好；消石灰改善方案與高粘瀝青方案均可大幅度改善PAC的高溫穩(wěn)定性，抗車轍性能良好；消石灰改善方案的馬歇爾穩(wěn)定性及凍融殘留強(qiáng)度比TSR均良好，整體性能接近高粘瀝青方案。

8　結(jié)語

通過試驗(yàn)分析常用的普通石灰?guī)r礦粉、生石灰以及消石灰作為填料或者部分填料探究了不同填料方案下排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性變化，試驗(yàn)研究結(jié)論如下：

1)排水瀝青混合料設(shè)計(jì)與施工中使用生石灰及消石灰替代部分礦粉可以不同程度的提高混合料水穩(wěn)定性，其中消石灰的使用使得排水瀝青混合料水穩(wěn)定性提升愈加明顯。2)不同的填料改善方案對(duì)排水瀝青混合料性能影響顯著，實(shí)際工程可以優(yōu)選填料方案達(dá)到改善混合料水穩(wěn)定性的作用。3)不同原料來源及配合比對(duì)PAC水穩(wěn)定性表現(xiàn)出差異性，但填料類型對(duì)PAC的影響趨勢基本一致。4)在普通改性瀝青的基礎(chǔ)上使用消石灰替代部分礦粉可以有效的改善排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性，綜合性能接近高粘改性瀝青方案，可以滿足工程要求。

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