基于漢堡車轍試驗鐵尾礦瀝青混合料耐久性研究

王鑫洋 高國華 汲 平 蘇紀壯 闞 濤

(山東高速工程檢測有限公司1) 濟南 250002) (大宗固廢材料在交通領域循環利用行業研發中心2) 濟南 250002)

0 引 言

鐵尾礦是鐵礦場在開采分選礦石之后排放的固體廢棄物,隨著國民經濟的快速發展,鐵尾礦排放量逐年增加,如不能進行合理利用將占用大量土地、污染環境,還易產生安全隱患[1].而公路工程建設過程中需要大量的筑路材料,若能采用適當的技術,將鐵尾礦用作筑路材料,既可以降低公路工程造價,又可減少其對環境的污染.

針對鐵尾礦瀝青混合料性能的研究,Wang等[2-3]研究了鐵尾礦與瀝青間的黏附性.王端宜等[4-6]基于動態模量(E*)試驗評價了鐵尾礦瀝青混合料的力學性能.陳穎等[7]研究采用低級磁鐵礦石作為融雪瀝青路面微波吸收材料.張鐵志等[8-9]對鐵尾礦瀝青混合料的路用性能進行了試驗研究.

隨著長壽命瀝青路面理念的提出,對瀝青混合料的耐久性要求越來越高,漢堡車轍試驗能夠在浸水和干燥條件下綜合評價瀝青混合料的高溫穩定性和水穩定性[10-13].文中基于漢堡車轍試驗對摻鐵尾礦瀝青混合料耐久性進行研究,以期完善嚴酷環境條件鐵尾礦瀝青混合料耐久性評價體系.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

采用東海70#基質瀝青和SBS改性瀝青(I-D)兩種瀝青,粗集料采用石灰巖和玄武巖,細集料采用石灰巖和鐵尾礦砂,填料采用石灰巖礦粉.瀝青技術指標見表1,集料礦物成分見表2.

表1 瀝青技術指標

表2 礦物成分組成表

1.2 試驗方案

采用SMA-13、AC-20和ATB-25三種級配對鐵尾礦瀝青混合料進行試驗研究.選用混合料類型A、鐵尾礦摻量B、瀝青用量C和石灰用量D四個參數作為正交試驗因素,設計一組四因素三水平L9(34)正交試驗方案,各試驗因素的三水平選擇和最終試驗方案見表3～4.采用旋轉壓實方式成型鐵尾礦瀝青混合料漢堡車轍試樣,進行50℃和60℃下浸水漢堡車轍試驗,每組3個試樣,當變異系數大于15%時,將大于均值15%的數據予以舍棄.

表3 四個試驗因素對應的水平 單位:%

表4 正交試驗方案 單位:%

1.3 試驗方法

浸水漢堡車轍試驗采用APA試驗儀進行.輪壓力為0.73 MPa,鋼輪速度為52次/min,荷載作用次數為20 000次.評價指標有輪轍深度、蠕變線、總變形速率Dr剝落拐點及剝落線等,蠕變線用于評價瀝青混合料的抗車轍性能,剝落拐點及剝落線用于評價瀝青混合料的水穩定性,最大輪轍深度和總變形速率Dr則反映了瀝青混合料的綜合路用性能.本文采用荷載作用次數、輪轍深度,以及總變形速率Dr作為評價指標.其中Dr為漢堡車轍試驗結束時的車轍深度與試驗全過程的時間之比,單位為mm/h.當車轍深度h達12.7 mm而停止試驗的試件,總變形速率計算公式為

Dr=h/(NPF/(Vt))

(1)

式中:NPF為車轍深度h達到12.7 mm時的輪載次數;V為鋼輪速度,本文取52 次/min;t為時間,本文取60 min.

針對因輪載次數達到20 000次而停止試驗的試件,總變形速率計算公式為

Dr=Rmax/(20 000/(Vt))

(2)

式中:Rmax為經20 000次輪載時產生的車轍深度.

2 漢堡車轍試驗結果分析

圖1為50 ℃漢堡車轍試驗結果.

圖1 50 ℃漢堡車轍試驗結果匯

由圖1可知:

1) SMA-13表現出良好的抗車轍性能,而密實懸浮結構類型混合料中粗集料沒有形成骨架,懸浮在混合料中,導致ATB-25、AC-20兩種類型混合料車轍深度較大,以ATB-25瀝青混合料的整體抗車轍性能較AC-20好.

2) 方案1的加載次數最少,輪轍深度最大,方案4的輪轍深度僅為2.709 mm,輪轍深度最小.

圖2為60 ℃漢堡車轍試驗結果.

圖2 60 ℃漢堡車轍試驗結果匯總表

由圖2可知:60 ℃時試樣在荷載作用下車轍深度更大,總變形速率增加,說明高溫加速了混合料在豎向荷載作用的變形.方案1的加載次數最少,且達到了試驗最大要求深度(12.7 mm),方案9的輪轍深度和總變形速率最小.方案9中鐵尾礦用量為20%,瀝青用量較最佳瀝青用量增加了0.3%,石灰用量為1.5%,瀝青用量的提高,增加混合料中瀝青膜的厚度,對浸水條件下混合料的性能的改善作用較為明顯,因此方案9瀝青混合料的性能表現比較優異.

圖3為溫度對漢堡車轍試驗結果的影響.

圖3 溫度對漢堡車轍試驗結果的影響

由圖3可知:溫度的升高會導致混合料荷載作用次數的降低,在相同作用次數下,混合料的輪轍深度和總變形速率增加,其中方案7受溫度影響最明顯,而方案5和方案8受溫度影響最小,其主要原因是方案7中鐵尾礦用量為20%,鐵尾礦與瀝青的黏附性弱于玄武巖和石灰巖,同時瀝青用量并未增加,且石灰用量較少,不能完全改善鐵尾礦與瀝青間的黏附性,而方案5和方案8中鐵尾礦用量為10%,石灰用量為1.0%,該組合能夠很好的改善瀝青與鐵尾礦間的黏附性,因此其受溫度影響較小.

3 耐久性控制標準的確定

3.1 顯著性分析

對圖2中試驗結果進行多因素方差分析,結果見表5.

表5 漢堡車轍試驗方差分析結果

由表5可知:顯著性(sig.)均小于0.05,即混合料類型、鐵尾礦用量、瀝青用量和石灰用量均對加載次數、輪轍深度和總變形速率(Dr)產生顯著性影響,由F值大小可以發現,加載次數影響因素排序大小為鐵尾礦用量>石灰用量>瀝青用量>混合料類型,輪轍深度和總變形速率(Dr)的影響因素大小排序與加載次數一致;根據方差分析結果可以看出鐵尾礦用量對混合料漢堡車轍試驗結果的影響最顯著,其次是瀝青用量和石灰用量;由于三種混合料類型混合料的均是在最佳瀝青用量下進行的試驗,所以混合料類型對混合料的漢堡車轍試驗結果影響較小.

3.2 摻鐵尾礦瀝青混合料耐久性控制標準的確定

對不同鐵尾礦瀝青混合料的漢堡車轍試驗結果進行統計分析,見表6.

表6 漢堡車轍試驗統計分析結果

由表6可以得到:摻鐵尾礦瀝青混合料漢堡車轍試驗中加載次數和輪轍深度的均值、中值,以及95%置信區間的上下限值.上述指標用于控制摻鐵尾礦瀝青混合料耐久性.考慮摻鐵尾礦瀝青混合料應用的道路等級高、交通量大、交通荷載重等特點,因此,在大交通量條件下,鐵尾礦瀝青混合料配合比設計中應考慮耐久性的設計檢驗.鑒于此,本文推薦在正常環境條件下,鐵尾礦瀝青混合料可按現行《公路瀝青路面施工技術規范》規定進行設計;當處于高溫多雨環境時,鐵尾礦瀝青混合料在滿足現行規范相關設計指標及要求的條件下,還應進一步檢驗其耐久性,并根據表6中各參數95%置信區間的上限值取整后作為耐久性參數的要求值.若耐久性檢驗結果不滿足要求,則應進行配合比調整直至符合要求.

4 結 論

1) 混合料類型、鐵尾礦用量、瀝青用量和石灰用量均對加載次數、輪轍深度及總變形速率產生顯著性影響,各因素影響大小排序為:鐵尾礦用量>石灰用量>瀝青用量>混合料類型.

2) 當鐵尾礦用量超過15%時,石灰用量低于1.5%時,混合料耐久性將產生顯著降低.

3) 正常環境條件下,鐵尾礦瀝青混合料可按現行公路瀝青路面施工技術規范規定進行設計;高溫多雨環境下,鐵尾礦瀝青混合料在滿足現行規范相關設計指標及要求的條件下,建議檢驗其耐久性,并建議摻鐵尾礦瀝青混合料在60 ℃下加載次數不得小于20 000次,輪轍深度不得大于10 mm,總變形速率不應大于1.6 mm/h.