含鋼砂的感應加熱瀝青顆粒在道路維護中的應用

易 楊

(廣西新恒通高速公路有限公司,廣西 南寧 530025)

0 引言

瀝青混凝土是一種由集料和瀝青組成的復雜粘彈塑性材料,被廣泛應用于道路施工[1]。但在實際工程中,環境變化導致的瀝青降解、水分滲透等因素會縮短道路的使用壽命,尤其是這些因素長期存在時,會導致材料中的裂縫快速發展,產生骨料損失,最終形成坑洞,不僅縮短了道路的使用壽命,并且需要不斷地修補,嚴重影響交通和環境。

拋擲碾壓方法是通過鋪設瀝青并用卡車將其壓實的道路修補方法,成本較低,但只有在天氣條件太差或者工期較短的情況下才適用;熱鋪裝工藝工程質量更好,但缺點在于此工藝中最常用的熱混合瀝青(HMA)需要批量生產,而一次修補平均僅需幾千克,因此,這種工藝更適用于需要更高維修質量的道路[2];冷瀝青混合料(CAM)可以在常溫下生產和使用,但硬度和強度較低且需要較長的養護時間,因此耐久性通常比熱混合瀝青低[3]。為了彌補這些材料的不足,在過去的幾十年里,出現了新一代的聚合物材料[4],其能夠提供更高質量的道路修復效果。然而,高昂的成本使其更適用于特殊的硅酸鹽水泥混凝土路面和大體積結構材料中。

瀝青顆粒是瀝青和集料的組合,可用于制造少量瀝青混合料以修補道路[5]。瀝青顆粒具有與HMA相似的耐久性和力學性能,且瀝青顆粒可以在正常環境溫度下儲存和運輸,并在現場加熱。此外,瀝青顆粒能夠有效減少對坑洞進行消毒而產生的成本和時間,并且不會產生任何有害金屬粉塵。因此,瀝青顆粒是一種可廣泛應用于修補道路中的材料。為了評價該技術的實用性,本文制作了可感應加熱的瀝青顆粒,研究了感應加熱瀝青顆粒的加熱性能、體積性能、拉伸剪切性能和車轍性能,并將其與熱拌瀝青和冷拌瀝青進行了比較。

1 材料和試驗方法

1.1 材料

感應加熱瀝青顆粒由石灰石骨料、瀝青和鋼砂組成。石灰石為連續級配,最大粒度為2 mm,鋼砂粒度為0.425～1 mm。為了確保良好的相容性,瀝青顆粒較小,尺寸為8 mm×8 mm×8 mm。

為了研究瀝青和鋼砂對感應加熱瀝青顆粒性能的影響,制備兩組感應加熱瀝青顆粒。第1組為含有10%的瀝青和不同數量的鋼砂和骨料,鋼砂和骨料的含量分別在5%～45%和45%～85%變化;第2組為含有35%的鋼砂和不同數量的瀝青和骨料,瀝青和骨料分別在15%～25%在40%～50%變化。此外,還制備了HMA和CAM試驗樣品。表1和下頁表2給出了顆粒組成的詳細參數。

表1 瀝青顆粒和混合料的組成表(占總體積的百分比)

路面材料用瀝青塊或石板模擬,由密集的瀝青混合料制成,這些瀝青混合料由石灰巖骨料和瀝青組成,質量分數分別為95%和5%。

表2 石灰石骨料級配表

1.1.1 瀝青顆粒的制作

將干燥的骨料和瀝青在170 ℃的烤箱中分別加熱1 h和3 h;將骨料和鋼砂在攪拌機中攪拌2 min;再加入相應數量的瀝青,將所有材料混合攪拌3 min;將混合物倒入內部尺寸為(8×8×8)mm3的模塊中,用手工壓實,制成顆粒,在5 ℃下冷卻3 h后脫模;在室溫下將顆粒儲存在塑料袋中備用于試驗。

1.1.2 瀝青試件的制作

拉伸和剪切試驗的試件分兩階段制備:(1)將上述制成的感應加熱瀝青顆粒放入(105×105×85)mm3的混凝土模具中,并在模具頂部添加足量的顆粒;(2)將模具置于感應線圈下,加熱2 min,然后用振動錘壓實1 min,再加入一層顆粒以填充壓實后減少的體積,隨后立即感應加熱1 min,再次壓實1 min,直至表面平整,將樣品放置在20 ℃±2 ℃環境溫度中。

車轍試驗中,將(300×300×65)mm3瀝青板放入(310×310×100)mm3的混凝土柱狀模具中,在常溫下向模具中填充瀝青顆粒;用電磁感應加熱顆粒,并用上述方法進行振動壓實;然后再次加入顆粒,直到板的高度達到100 mm,并保證其表面平整。

1.2 試驗方法

1.2.1 瀝青顆粒的體積特性

采用《礦鐵石 表觀密度、真密度和孔隙率的測定》(GB/T 24586-2009) 提出的方法評估顆粒樣品的體積性質:

(1)

式中:Va——瀝青顆粒混合料中孔隙量;

ρb——混合料中體積密度;

ρm——混合料中無孔隙的理論最大密度。

1.2.2 抗拉強度測試

用環氧膠將鋼板粘在瓷磚表面,然后將試件置于20 ℃±1 ℃的溫控柜中24 h。拉伸載荷通過鋼板以20 mm/min的應變控制速率施加到試件上,直到試件失效,測量其拉伸荷載。用拉伸載荷與試件截面積之比計算抗拉強度。每種材料共三個平行試件,取平均值作為最終結果。

1.2.3 剪切強度測試

將試件置于20 ℃±1 ℃的溫控柜中24 h,然后以20 mm/min的速率施加剪切載荷,直到界面失效。最后,用最大剪切荷載與界面截面積之比計算剪切強度。每種材料共三個平行試件,取平均值作為最終結果。

1.2.4 交通負荷模擬

通過車轍試驗模擬交通載荷對淹沒在25 ℃水中試件的影響。車輪的寬度為47 mm,垂直載荷為705 N。在連續記錄變形的同時,總共進行了20 000次循環。此外,對兩塊由單層常規碾壓瀝青制成的控制板也進行了測試,以比較新材料路面道路和普通路面道路的抗車轍性能。每種材料重復試驗兩次,車轍試驗結果取兩者的平均值。

2 試驗結果與影響因素

2.1 瀝青顆粒樣品的體積特性

不同鋼砂含量瀝青試塊的孔隙率變化情況如圖1所示。在第1組材料中,孔隙率隨著鋼砂含量的增加而降低,如鋼砂含量從5%增加到45%時,孔隙率從35.1%降低到20.7%;在第2組材料中,孔隙率隨著瀝青含量的增加呈線性降低,如瀝青含量從10%增加到25%,孔隙率從20.7%降低到12.51%。此外,孔隙率和溫度呈線性關系,且與混合物中鋼砂或瀝青的類型無關(如圖2所示)。

綜上,孔隙率隨著瀝青和鋼砂含量的增加而減少,因此在經濟效益允許的范圍內,瀝青和鋼砂在顆粒中的含量必須最大化。

圖1 不同鋼砂含量下瀝青試塊孔隙率散點圖

圖2 不同壓實溫度下瀝青試塊孔隙率擬合散點圖

2.2 抗拉強度

含有感應加熱瀝青顆粒的試件抗拉強度變化情況如圖3所示。第1組試件中,抗拉強度與鋼砂含量直接相關,鋼砂含量從5%增加到45%時,試件抗拉強度提高22倍;在第2組試件中,瀝青含量的變化對抗拉強度的影響沒有鋼砂含量那樣大,抗拉強度值在170～260 kPa變化,瀝青含量從20%增加到25%時,試件抗拉強度僅提高19%。

在養護1 d、7 d和28 d后,將4號混合料的平均抗拉強度與HMA和CAM的強度進行比較,結果如圖4所示。由圖4可見:瀝青顆粒平均抗拉強度比CAM養護1 d后高37倍,7 d后高36倍,28 d后高5倍,說明即使在較長的養護期內,瀝青顆粒也能產生更好的效果。相反,瀝青顆粒的平均抗拉強度比HMA低5%,其原因可能是壓實溫度較低導致的壓實水平較低。

圖3 含感應加熱瀝青顆粒試件抗拉強度擬合散點圖

圖4 混合物試件平均抗拉強度柱狀圖

2.3 剪切強度

不同鋼砂和瀝青含量制成的瀝青顆粒試件的剪切強度變化情況如圖5所示。剪切強度隨著鋼含量的增加而增加,因為感應加熱時達到的溫度會更高。如鋼砂含量為45%的粒狀瀝青的剪切強度是鋼砂含量為5%的7倍。另外,瀝青含量越高,瀝青混合料剪切強度越高,第2組材料的剪切強度與第1組材料總體趨勢相差較大。

在養護1 d、7 d和28 d后,將4號混合料的剪切強度與HMA和CAM的強度進行比較,結果如圖6所示。由圖6可見:粒狀瀝青剪切強度比CAM養護1 d后高70%,7 d后高40%,28 d后高16%,說明感應加熱瀝青顆粒比CAM效果更好,但由于其壓實效果較差,結果比HMA差。

2.4 車轍深度

圖7顯示了試件車轍試驗結束時的最大車轍深度。由圖7可以看到,養護28 d后,HMA和CAM的車轍深度差異在0.2 mm范圍內。此外,CAM需要較長的養護時間,因為7 d后的車轍深度是28 d后的4倍多。

下頁圖8顯示了變形深度隨加載循環次數的變化曲線。CAM養護7d后,在約10000次循環后破壞,永久變形急劇增加,此外,CAM在養護28 d的情況下,與HMA和粒狀瀝青試件的表現都非常相似,初始致密化行為斜率為遞減曲線,然后是線性增加速率恒定的階段。

圖5 含感應加熱瀝青顆粒試件剪切強度擬合散點圖

圖6 混合物試件剪切強度柱狀圖

CAM、HMA和顆粒的試驗結果分別為每1 000循環16.4μm、18.1μm和19.5μm,表明這些材料的抗車轍性能在加載周期的演變是非常相似的。因此,瀝青顆粒層的性能隨時間下降的速度并不會快于公路養護中常用的其他材料。

20 000次循環后,瀝青顆粒的變形為1.04 mm,仍高于對照混合料的0.45 mm。如前文所述,這種情況可以通過提高鋼砂含量或延長加熱時間來獲得,然而這兩種解決方案都會增加成本。基于上述原因,本文認為瀝青顆粒是目前孤立和點狀坑洞修復技術的良好材料,但不能應用于道路碾磨和重鋪等主要維護作業,還需要進一步優化。

圖7 試驗結束后的最大車轍深度柱狀圖

圖8 變形隨加載循環次數的變化曲線圖

3 結語

本文通過力學試驗評估了感應加熱瀝青顆粒修復坑洞的效果,并與HMA和CAM進行了比較,得到如下主要結論:

(1)具有較高鋼砂含量的試件密度較高、孔隙率較低,這是由于傳遞到材料的能量較高,從而降低了粘合劑的黏度。因此,鋼砂含量為45%的試件比鋼砂含量為5%的試件密度高61.6%,孔隙率低70%。

(2)瀝青含量的增加也會產生更高的密度和更低的孔隙率,因為其填充了骨料之間的自由間隙。因此,與瀝青含量為15%的粒料相比,瀝青含量為25%的粒料密度高4.3%,孔隙率低45.2%。

(3)與CMA相比,含瀝青顆粒的混合物的抗拉強度比其高5倍,剪切強度高19%,抗車轍性能高18%。感應加熱瀝青顆粒的性能與HMA相似。

(4)盡管感應加熱瀝青顆粒的抗車轍性能較好(20 000次循環后為1.04 mm),但仍比使用HMA簡單重新鋪路的情況下差(20 000個循環后為0.45 mm)。

(5)最小鋼砂含量為25%的試件溫度提升非常快,從而降低了孔隙率。因此,即使在低瀝青含量下,這些混合物的力學性能也優于CAM。因此,增加鋼砂或瀝青含量會顯著降低孔隙率,并改善力學性能。