关键词:片麻岩沥青混合料;消石灰;抗剥落剂;水稳定性;残留稳定度;冻融疲累强度比
现代化交通,特别是随着公路交通运输业的快速发展,对公路路面的使用性能的要求越来越高,这就要求我们从设计、施工、材料性能及外界环境等多种因素综合考虑。但在材料方面由于地质构造复杂,不同地区的岩石种类千差万别,且随着石灰岩、玄武岩等碱中性石料的大量开发,从施工成本方面考虑,本着因地制宜就地取材的原则,不得不采用对路用性能最不利的酸性石料。其中片麻岩富含二氧化硅,呈酸性,在水存在的条件下,极易造成混合料中沥青从集料表面剥离,使沥青路面产生早期的松散、坑槽等水损坏,限制了片麻岩沥青混合料的应用。
为了解决水损害问题,目前可采用的处理措施有3种:在沥青中掺抗剥落剂;在沥青混合料中掺消石灰或水泥;采用改性沥青等。在许多发达国家,使用添加剂改善沥青混合料的水稳定性已是常规操作,但在国内却只有在少数工程中得到有效应用。本文在试验的基础上探讨了消石灰和抗剥落剂两种典型添加剂改善片麻岩沥青混合料水稳定性的不同方法,并评价了这两种方法的使用效果,为片麻岩沥青混合料设计施工提供参考。
1 沥青混合料水损害机理
沥青混合料主要由沥青、碎石、砂或石屑、矿粉及其它材料按一定的比例配合而成。沥青混合料水损害的作用机理,主要依据是粘附理论。沥青作为结合料的主要功用是将各种粗细集料粘附在一起,成为一个整体。沥青混合料的水损坏与两种过程有关:①水能浸入沥青中使沥青与矿料的粘附性减小,从而导致混合料的强度和劲度减小。②水能进入沥青薄膜和集料间,阻断沥青与集料的相互粘结,由于集料表面对水比对沥青有较强的吸附力,从而使沥青与集料表面接触角减小,结果沥青从集料表而剥落。
预防沥青混合料水损害可通过下列措施来解决:①防止或减少水分进入沥青混合料的内部,不致侵入到沥青与集料的界面中去,这可通过调整混合料的级配得到解决。②提高沥青与集料的粘附性,提高集料之间的粘结力。
2 试验
2.1 原材料
此次试验集料采用湖北麻城片麻岩,沥青采用70号道路石油沥青,按照《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004及《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTJ 052-2000的要求及步骤对沥青进行了部分技术指标的测试。
2.2 配合比设计
试验采用AC-20级配设计。根据试验结果并参考有关文献,无添加剂或使用抗剥落剂时,沥青用量的油石比为4.7%;当使用添加剂消石灰时,沥青用量的油石比增至4.9%。其原因是石灰比表面积大,且是碱性材料,对沥青的吸附作用比较强,具有较大的吸油性,导致沥青胶浆的粘度变大,混合料变得干涩,致使其难以击实。
2.3 掺加添加剂方式
国外在研究消石灰对沥青混合料水稳定性影响时消石灰用量一般在1%-2%,参考有关文献,我国一些研究者也研究表明消石灰在沥青混合料中的用量一般不超过2%。本文消石灰添加剂量选用1.5%替代部分矿粉;抗剥落剂采用生产厂商建议的沥青用量的4‰。
掺加方式:目前国外比较经常的是消石灰添加剂直接加入和干的消石灰与表面潮湿集料混合两种,结合我国实际情况和工程应用方面,本试验消石灰采用干法直接掺加,抗剥落剂按产品说明掺加。
干法步骤:首先添加剂与矿粉按比例配合好备用,其余制备步骤不变,集料与沥青拌和→混合好的添加剂与矿分加入拌和→按规范要求击实成型;抗剥落剂添加步骤:将沥青升温至140℃-150℃成热熔状态,掺入一定量比例的抗剥落剂,搅拌均匀。
2.4 沥青混合料水稳定性试验
本文采用了两种试验方法评价沥青混合料的水稳定性。一种是沥青混合料马歇尔残留稳定度试验,另一种是沥青混合料冻融劈裂试验,并在此试验基础上加以改进,进行不同的冻融循环次数下的冻融劈裂强度比试验,即在-18℃下冰冻16h和60℃下水浴保温24 h组成一个循环,共进行4个循环。
3 试验结果及分析
3.1 评价标准
本文采用的沥青混合料水稳定性的评价标准是根据我国《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004规范要求,对于高速公路马歇尔稳定度MS不小于8kN,年降雨量>1000mm的潮湿区,普通沥青混合料浸水马歇尔试验残留稳定度≥80%,冻融劈裂试验的残留强度比≥75%。
3.2 马歇尔试验残留稳定度
当不掺加添加剂时,MS0为69%,不满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004≥80%的规范要求;掺加消石灰或抗剥落剂后,均在一定程度上改善了混合料的水稳定性,MS0达到86%,满足规范要求。其中,掺加抗剥落剂残留稳定度高达90%,与无添加剂时相比提高幅度达到30%。但研究表明抗剥落剂对沥青老化前的性能影响甚微,而对沥青老化后的性能有不利的影响,这主要体现在沥青老化后耐久性的降低和延度的急剧下降,这些问题都有可能引发路面使用过程中的早期损坏,需要我们以后进一步长期跟踪研究。
3.3 冻融劈裂试验残留强度比
当不掺加添加剂时,冻融劈裂强度比TSR为62%不满足《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40-2004≥75%的规范要求。掺加消石灰或抗剥落剂后,均在一定程度上改善混合料的水稳定性。掺加消石灰和抗剥落剂后的TSR各为80%和78%,与无添加剂时相比提高幅度分别为29%和25%。与马歇尔残留稳定度试验结果比较,采用掺入抗剥落剂的方法对提高残留稳定度较为有利,采用掺入消石灰的方法对提高冻融劈裂强度比比较有利。
3.4 不同冻融循环次数下的残留强度比
在反复的冻融循环下,冻融试验的劈裂强度比均有下降的趋势,但是不同的处理方案下降的速率不同。采用掺加消石灰的方法在前3个循环中其强度比高于掺加抗剥落剂的,且变化速率比掺加抗剥落剂小,在第3次循环后强度比有迅速下降的趋势,致使第4次循环后的强度比小于掺加抗剥落剂的。其原因可能是在掺入消石灰后,由于混合料本身空隙率的增大,使其经过多次循环后强度下降较大。
4 结论
片麻岩中SiO2的含量高达60%,呈酸性,与沥青的粘附性较差,掺加无机消石灰和有机抗剥落剂均可显著改善片麻岩混合料的水稳定性,使片麻岩混合料的马歇尔残留稳定度和冻融劈裂残留强度比满足我国规范要求。在反复的冻融循环下,两种改善措施的劈裂强度比均有下降趋势,但在冻融循环试验前期,掺消石灰措施的效果优于掺抗剥落剂的措施。所以在实际工程中,只要处理得当,采用合适的抗剥离措施,片麻岩可以得到生产应用。
参考文献
冯沅.改善花岗岩沥青混合料性能研究.山西交通科技,2005,12 :1?3.
程新春.沥青混合料水稳定性试验研究.合肥工业大学学报,2003,26:252?256.
交通部公路科学研究所.JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范.人民交通出版社,2004.
交通部公路科学研究所.JTJ 052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程.人民交通出版社,2000.
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