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排水路面沥青混合料适用填料研究

文章附图

排水沥青路面简介


排水沥青路面,又称透水沥青路面,开级配磨耗层等,指压实后空隙率在20%左右,能够在混合料内部形成排水通道的新型沥青混凝土面层,其实质为单一粒径碎石按照嵌挤机理形成骨架-空隙结构的开级配沥青混合料。


排水性沥青混合料即基于骨架空隙结构理论发展而来。这种结构粗集料含量较多,细集料含量较少,粗集料相互接触形成骨架,混合料中剩余空隙率大,易渗水。因此,这种结构特有的大孔隙具有以下使用品质:①抗滑性很好。雨天能迅速排除路面积水,消除表面水膜,提高行车安全性;②降低行车噪音;③改善雨天或夜间行驶的视觉特性。


但是,由于大孔隙结构的开敞性,排水沥青路面在抗磨耗性、水稳定性、疲劳耐久性方面存在明显缺陷。


对排水沥青路面而言,提高其水稳性的措施主要需要提高沥青与石料的粘附性,常用的方法有:①使用粘度更高的沥青;②掺加抗剥落剂;③使用水泥或消石灰代替部分或者全部矿粉。当需要提高沥青混合料的水稳性时,采用水泥和消石灰取代部分矿粉是一个比较认可的方法。但这些结论基本都来自对传统密级配的研究,该文将对其用在排水性沥青混合料中的

效果进行研究。


消石灰和水泥在沥青混合料中的作用机理分析


沥青混合料中常用的填料主要是憎水性的矿石种类磨细的矿粉,从沥青混合料的使用状态来说,憎水性的矿粉只是从矿粉本身不吸收水分或者吸水性较弱的角度来论述的。但是,由水导致的沥青粘附性的下降必然还是因为水分侵入到了沥青-矿粉作用的界面内,从而导致沥青-填料胶结物的松散,引起混合料的水毁现象。由此可以分析,只是把目光停留在矿粉本身的憎水性上,是不足以防止水分对沥青胶浆系统的逐渐侵入的。只有对各级分散介质与分散相的作用界面进行全面的水侵预防,才能有效阻止水分侵入带来的危害。如果能够实现填料和沥青分散介质更紧密的结合或者两者发生化学反应形成一体,则这一问题将迎刃而解。而诸多实践已经证明,掺加石灰或者水泥这些活性大、本身也用作结合料且具有同沥青相反酸碱性的物质做填料,能够提高沥青混合料的抗水损害性能。


具体来说,沥青中含有少量羧酸,使沥青呈现弱酸性。使用普通矿粉做填料时,羧酸附着在矿粉和粗细粒料表面,当遇到水时,因为水分子是极性物质,水分便更易与粒料结合,侵入到沥青胶浆系统中,削弱胶浆系统的粘附性,从而使沥青或者沥青胶浆整体从粒料表面剥落。


一般石灰石矿粉呈弱碱性,pH值在9左右。而消石灰的主要成分是氢氧化钙,为强碱性物质,pH>12。当氢氧化钙与沥青中的羧酸接触时,除了通常的选择性吸附作用,更主要的是两者会产生化学反应,生成硷土盐。硷土盐具有较强的吸附性能,能够牢固地粘附在粒料表面而不剥落,这样,即便是有极性的水分子,因为有化学键的作用,水分无法再侵蚀到沥青胶浆分散系统内,沥青和沥青胶浆的粘附性就得以维持,沥青结合料以及沥青胶浆粘结系统就很难从粒料上脱离。


水泥也是碱性材料,其pH值在10左右,对混合料抗剥落性能的改善类似于消石灰,只是其活性低于消石灰,并且相对密度大于消石灰,所以掺配比例要大些。此外,水泥的成分比石灰复杂得多,与集料、沥青和水的相互作用也复杂得多。


排水性沥青混合料适用填料试验


该文希望通过试验验证不同种类填料对排水性沥青混合料主要性能的作用。在水稳性检验方法的选择上,进行了马歇尔与浸水马歇尔试验、标准飞散与浸水飞散试验、标准劈裂与冻融劈裂试验、浸水车辙试验的比较。


试验原材料和级配说明


原材料


沥青:埃索SBS改性沥青,沥青指标符合I-D类标准;埃索70#普通沥青,沥青指标符合重交沥青70#标准;科氏PG76-28改性沥青,其标准按照SHARP体系控制。选择这3种沥青主要是考虑南方多雨地区更适宜采用排水沥青路面表面层,这3种沥青比较适用于南方高温地区。此外,选择SK高粘度改性沥青同时试验,以供性能上的相对性比较。


试验用粗集料采用玄武岩,细集料全部由机制砂筛分而成,矿粉采用石灰岩矿粉,水泥采用425#普通硅酸盐水泥,石灰为建筑市场上购买的生石灰粉,自制加工为消石灰。


级配


试验安排尽量考虑不同沥青、不同空隙率的涵盖情况,采用目标空隙率为20%22%两种情况。分别称为级配A和级配B。在混合料试验中,级配A的试验采用埃索SBS改性沥青和埃索70#沥青进行,级配B的试验采用科氏PG76沥青进行。同种试验下,根据横向对比意图进行同种级配的SK高粘度沥青试验。根据相关的配合比设计方法确定最佳沥青用量。


马歇尔试验


马歇尔试验采用级配A、埃索SBS改性沥青进行不同填料的横向对比。并用SK高粘度沥青亦做同种级配同样试验,以供对比。


可以看出:无论是稳定度的绝对数值,还是残留稳定度,2%掺量的生石灰和消石灰均可以明显改善排水性沥青混合料的水稳性,消石灰的效果又明显优于生石灰。而2%掺量的水泥,虽然其残留稳定度在各组中最高,但是其浸水马歇尔稳定度的绝对数值只在全部使用矿粉组与生石灰、消石灰组之间,因此,从马歇尔试验来看,水泥对排水性沥青混合料水稳性的改善效果一般。


劈裂试验


劈裂试验采用B级配,科氏PG76沥青进行试验,油石比统一采用4.9%。为评价填料不同对强度带来的差异以及对水稳性改善的情况,设计了劈裂试验和冻融劈裂试验。


为对比石灰、水泥掺量不同可能带来的性能差异,消石灰、生石灰分别选用1.5%3%两个掺量,水泥分别选用2%4%(全部替代矿粉)两个掺量。并辅以SK高粘度沥青进行同种试验。


可以得到以下结论:


(1)从绝对指标来看,无论是标准劈裂还是冻融劈裂,无论是2%还是4%掺量,水泥组的破坏强度都稍低于矿粉组。


(2)生石灰、消石灰的添加都可以较明显提高排水性沥青混合料的劈裂强度,对冻融劈裂效果更加显著。这说明:两者都可以明显提高混合料的水稳定性。


(3)对生石灰,1.5%3%两个掺量试验结果非常接近;对消石灰,两个掺量的标准劈裂强度相近,但3%掺量的冻融劈裂强度比1.5%的掺量高出30%,比全部使用矿粉的组高出38%。故掺配3%消石灰是抗冻融效果最优的组。


(4)TSR指标,3%消石灰掺量的混合料达到了96.7%,远高于其他组合。掺水泥的排水性沥青混合料TSR指标也明显高于只用矿粉的,但是其冻融劈裂强度绝对指标有少许下降,所以,从劈裂强度指标来看,水泥在水稳性上改善效果不理想。


飞散试验


此次试验采用A级配,埃索SBS改性沥青,按照同一油石比进行了标准飞散和浸水飞散试验。


数据可知:无论是生石灰还是消石灰,都可以大幅减少排水性沥青混合料的飞散损失。而水泥的添加则效果不够理想。


由于浸水飞散试验考察的是试件在热水中膨胀和沥青老化对集料和沥青粘结力下降的影响,也就是比较严酷水浸养生后的抗飞散情况,因此,对比浸水飞散和标准飞散的改变情况,可以评价掺加不同填料的排水性沥青混合料对水损作用的敏感程度。为此,采用浸水飞散损失与标准飞散损失的比值来分析。比值越大,表示混合料抗水损害的能力越差;反之,越好。按照比值指标对比几种混合料的抗水损性能。


可以看出:掺加水泥对改善排水性沥青混合料的抗飞散性能作用不明显;掺加消石灰和生石灰的组比掺加水泥和只使用矿粉的组比值低了很多,而掺消石灰的排水性沥青混合料有着最优良的抗飞散能力。


浸水车辙试验


车辙试验是评价沥青混合料在规定温度下抵抗塑性流动变形能力的方法。车辙试验的结果是统计板块试件的变形与时间或者车轮通过次数之间的关系,计算沥青混合料产生单位变形所需要的碾压次数,称为动稳定度。


浸水车辙试验是对路面同时承受荷载碾压和水力浸蚀状态的模拟,即对路面更苛刻使用状态的模拟。


浸水动稳定度


浸水车辙试验不仅可以测试混合料的高温稳定性,同时,由于它反映的是混合料在水作用下承受荷载的变形能力,所以,它还可以反映混合料的水稳性。试验后,通过观察橡胶轮下碾压区粗集料的表面变化情况,可以评价排水性沥青混合料抗剥落能力的强弱。


试验采用级配B、科氏PG76沥青,做了不同组合的对比试验:KS组全部使用矿粉,KH组使用2%的消石灰代替部分矿粉,KC组使用2%水泥代替部分矿粉。另外,使用SK高粘度改性沥青做了同样级配的对比试验,亦全部使用矿粉做填料。


可知:


(1)由于级配B嵌挤方式的结构优势,排水性沥青混合料的高温稳定性都是比较好的。即便是浸水条件下,使用科氏PG76SK高粘度改性沥青的排水性沥青混合料动稳定度都达到了3000/mm以上。


(2)对添加消石灰的组,其浸水动稳定度达到了4153/mm,比单使用矿粉的组提高了35%。这说明掺加消石灰可以大幅提高排水性沥青混合料在有水条件下的高温抗变形能力。


(3)相比之下,掺加水泥的组在浸水条件下出现了动稳定度下降的结果。虽然只有小幅度的下降,但是已经可以说明,水泥用在排水性沥青混合料中是否能够改善水稳性是值得怀疑的。


抗剥落性对比


将浸水车辙试验后的车辙试件脱模,放置60℃烘箱中预热至试件变软,取出,用手工将试件分散,从碾压区中部掰取粗集料颗粒,对比观察颗粒表面的结合料裹覆情况。


参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中对粗集料与沥青粘附性的分级评价方法。


评价结果表明:KH组试件在浸水碾压下的抗剥落能力远高于KS组,甚至已经高于SK组,因此,掺加消石灰可以明显改善排水性沥青混合料的抗水损害性能。掺加水泥的组亦比掺加矿粉的组有较大幅度的改善。


结论


(1)常规水稳性检验表明:掺加生石灰和消石灰作填料均可以大幅提高排水性沥青混合料的抗水损害能力。而掺加水泥也有一定的改善作用,但不如消石灰显著。 


(2)关于消石灰的掺量,从多种试验数据来看,3%掺量均明显优于1.5%掺量。这突破了《公路沥青路面施工技术规范》中2%掺量的界定。所作试验表明:3%掺量的抗水损性能指标已经接近高粘度改性沥青,在TSR指标上,甚至超过了高粘度改性沥青,达到了96.7%。推荐在实际生产中使用3%的消石灰掺量,并作相关的水稳性检验。