湿法橡胶沥青混合料水稳定性试验研究及应用

2015-04-26 09:12彭逢春
湖南交通科技 2015年1期
关键词:冻融湿法集料

彭逢春,王 亮

(1.湖南省公路设计有限公司,湖南 长沙 410001;2.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司,湖南 长沙 410001)

0 引言

湿法橡胶沥青混合料作为路面材料,具有耐磨、降噪、抗车辙性良好及环保等优点,但水损害为湿法橡胶沥青路面主要病害之一。水损害是在动水压力或真空负压抽吸的作用下,水分渗入沥青与集料界面使沥青粘附性减小导致脱落剥离,表现为路面坑槽、推挤变形等损坏现象。对橡胶沥青的性能及应用较多[1~5],湿法与干法[6]橡胶沥青混合料在施工工艺、改性机理均不同,因此湿法橡胶沥青在改性机理、性能及工程应用[7]等方面值得进一步研究。湿法橡胶沥青混合料水稳定性是多因素综合作用的结果,通过开展水稳定性室内试验,分析混合料自身因素对湿法橡胶沥青混合料水稳定性的影响程度,从而为湿法橡胶沥青混合料配合比优化提供理论依据。

1 湿法橡胶沥青混合料设计

试验所用集料在进行混合料目标配合比设计前,均已逐档全部水洗并过0.075 mm 筛。配比用玄武岩按粒径分为4 档,分别为1#料9.5 ~16 mm,2#料4.75 ~9.5 mm,3#料2.36 ~4.75 mm,机制砂0~2.36 mm,集料各项技术指标按照《公路工程集料试验规程(JTG E42-2005)》的要求进行试验,试验结果见表1。

海螺牌32.5#普通硅酸盐水泥作抗剥落剂。矿粉表观密度为2.733 g/cm3,亲水系数0.8,含水量0.1%,塑性指数2.5%。胶粉掺量为20%,胶粉目数约为20。室内现配现用制作湿法橡胶沥青,控制指标见表2。

表1 集料性质试验数据表 %

表2 湿法橡胶改性沥青控制指标

采用AR-AC-13 级配进行湿法橡胶沥青配合比设计,并选用了级配AC-13 和SMA-13 进行对比试验,3 种级配组成见表3。

表3 集料级配组成表

2 湿法橡胶沥青混合料水稳定性试验

为进行水稳定性试验(图1)并做对比研究,共成型18 批试件,每批次均成型试件12 个,并等分为3 组。第1 组为常规劈裂试验,其余对比组试件按如下方法进行试验:

1)将第2 组试件放在98.3 ~98.7 kPa 真空条件下浸水15 min,恢复常压后在水中放置30 mim;

2)从水里取出后袋装,加入约10 mL 水后放入(-18±2)℃冰箱中16 h±1 h;

3)取出,再放入60 ℃水浴24 h;

4)将两组试件同时放入(25±0.5)℃水中,≥2 h;

5)分别测出两组试件的劈裂强度,比值为劈裂强度比TSR1;

6)将第3 组试件按照步骤“1)~3)”进行;

7)将第3 组试件(60 ℃水浴保温24 h)再次用塑料袋装好,重复步骤“2)”,完成二次冻融;

8)第3 组试件同步骤“3)”与“4)”;

9)测出第3 组试件的劈裂强度,该值与第1 组试件劈裂强度的比值为劈裂强度比TSR2;

水稳定性试验采用冻融劈裂试验,劈裂强度比TSR 作为评价指标,其计算式为:

图1 水稳定性试验现场图

式中:PT1为第1 组试件试验荷载的最大值,N;PT2为第2 组试件试验荷载的最大值,N;h1为第1 组试件的试件高度,mm;h2为第2 组试件的试件高度,mm;RT1为第1 组试件的劈裂抗拉强度,MPa;RT2为经历冻融的第2 组试件的劈裂抗拉强度,MPa;TSR 为冻融劈裂试验强度比,%。

3 水稳定性影响因素分析

3.1 集料种类

常用的碎石颗粒为石灰岩(碱性)与玄武岩(中性),因此选用石灰岩与玄武岩作为典型材料研究集料种类与水稳定性的影响关系。试验结果如图2所示。

图2 集料种类与冻融劈裂强度比关系图

由图2 可知:

1)在一次冻融劈裂试验中,石灰岩集料湿法橡胶沥青混合料的TSR(92.5%)比玄武岩集料的混合料TSR(88.5%)要大,两者的一次冻融劈裂强度比TSR 都大于80%,水稳定性均满足要求;在二次冻融劈裂试验中两者的二次TSR 值均比一次TSR 小(玄武岩为78.6%,石灰岩为81.8%),仅石灰岩的混合料水稳定性满足要求。

2)综合对比可知集料的酸碱性对混合料水稳定性有一定影响;冻融循环次数可降低混合料的水稳定性;碱性集料的混合料抗水损害能力更有利。

3.2 级配类型

采用3 种级配(AR-AC-13、SMA-13、AC-13)拌制沥青混合料试件并进行冻融劈裂试验,以研究级配对湿法橡胶沥青混合料水稳定性的影响,试验数据如图3。

由图3 可知:

图3 级配与冻融劈裂强度比关系图

1)级配为AR-AC-13、SMA-13 及AC-13 的湿法橡胶沥青混合料一次冻融循环后的TSR 数值均较大,分别为93.7%、86.3%与91.5%,其中AR-AC-13 级配的TSR 最高。

2)二次冻融后级配为AR-AC-13、SMA-13及AC-13 的湿法橡胶沥青混合料的TSR 分别为84.4%、73.7%与82.4%,三者的TSR 均下降,且SMA-13 级配的混合料TSR <80%,不满足水稳定性要求,AR-AC-13 级配的TSR 依然最高,表明其抗水损害能力最好。

3.3 老化程度

为研究老化程度对沥青混合料水稳定性的影响,采用未老化、短期老化及长期老化3 种混合料的水稳定性试验研究,试验结果见图4。

图4 老化程度与冻融劈裂比的关系图

由图4 的试验结果可知:

1)一次冻融循环后未老化试件、短期老化试件及长期老化试件的TSR 分别为92.1%、89.7%、81.7%,随着试件的老化程度的增加抗水损能力降低,但TSR 均大于80%,满足水稳定性要求。

2)二次冻融循环后未老化试件、短期老化试件及长期老化试件的TSR 分别为82%、81.4%、77.1%,三者的TSR 值均比一次冻融循环后的TSR低,表明冻融循环与老化程度均能影响其水稳定性。未老化试件及短期老化试件在二次冻融后TSR 值均大于80%,而长期老化试件的TSR 值仅为77.1%,不能满足水稳定性要求。

3.4 泥土含量

进行3 种泥土含量(0%、1%、2%)试件的冻融劈裂试验,以研究不同泥土含量对湿法混合料水稳定性的影响,试验结果见图5。

图5 泥土含量与冻融劈裂比关系图

由图5 可知:

1)一次冻融后泥土含量为0%、1%、2%的湿法橡胶沥青混合料的TSR 分别为91.9%、89.9%、89.7%,说明随着泥土含量的增加TSR 呈递减趋势,但均满足TSR 大于80%的技术要求。

2)二次冻融循环后泥土含量为0%、1%、2%的湿法橡胶沥青混合料的TSR 分别为83.8%、78.6%、78.2%,此时仅不含泥土(泥土含量为0%)的湿法混合料满足要求。表明泥土含量会影响湿法混合料的水稳定性能,因此建议严格控制集料中尘土的含量。

3.5 空隙率

进行3 种空隙率(4%、6%、8%)试件冻融劈裂试验,以研究不同空隙率对湿法混合料的水稳定性的影响。试验结果见图6。

图6 空隙率与冻融劈裂比的关系图

由图6 可知:在一次冻融劈裂试验中空隙率为4%、6%、8%的湿法橡胶沥青混合料试件的TSR 值分别为92.4%、92.3%、86.8%,均大于80%。在二次冻融劈裂试验中TSR 值分别为82.5%、81.7%、76.3%,空隙率为8%时,试件水稳定性不能满足要求。试件TSR 随混合料空隙率的增加而减小,其水稳定性也随之降低。

3.6 抗剥落剂

沥青混合料常采用水泥和消石灰作为抗剥落剂,选用水泥及消石灰来研究抗剥落剂对湿法橡胶沥青混合料水稳定性的影响,研究不掺加抗剥落剂的原状湿法橡胶沥青混合料、掺加1%的水泥及掺加1%消石灰的湿法混合料的TSR,试验结果见图7。

图7 抗剥落剂与冻融劈裂比关系图

分析图7 可知:

1)经历一次冻融循环后,未加抗剥落剂、掺加1%消石灰与掺加1%水泥的3 种试件TSR 分别为89.3%、92.1%与90.2%,三者的数值相近,且均满足要求。

2)经历二次冻融循环后,未加抗剥落剂、掺加1%消石灰与掺加1%水泥的3 种试件TSR 分别为74.4%、83.5%与82.6%,未掺加抗剥落剂的试件TSR 值比一次冻融循环降低幅度较大且小于80%,不能满足要求。添加抗剥落剂有助于湿法橡胶沥青的水稳定性,且掺加消石灰的比掺加水泥效果更好。

3.7 油石比

不同油石比(7.2%、7.7%和8.2%)对湿法橡胶沥青混合料水稳定性影响的试验结果如图8。

图8 油石比与冻融劈裂比关系图

分析图8 的试验结果可知:经历一次冻融循环后,油石比为7.2%、7.7%与8.2%的3 种湿法橡胶沥青混合料TSR 分别为89%、90.1%与92.4%,均满足水稳定性要求。二次冻融循环后,油石比为8.2%的试件TSR 降低,但仍满足水稳定性技术要求;而油石比7.2%及7.7%的试件TSR 为78.4%和79.6%,不能满足水稳定性要求。

4 工程应用

原九景高速公路沥青路面原结构层设计为:26~32 cm 未筛分碎石底基层+20 cm 6%水泥稳定碎石基层+5 cm AC-30I 粗粒式沥青砼下面层+4 cm AC-20II 中粒式沥青砼中面层+3 cm AK-13A 抗滑表层。采用3 cm 厚AK-13A 作路面表面层,该设计具有一定的缺陷。在江西温润多雨的气候及车辆荷载作用下,全线出现大量网裂、裂缝、泛浆及坑槽等现象,在雨季更甚。

采用湿法橡胶沥青混合料对路面进行技改,湿法橡胶沥青混合料试验路(K176+00 ~K178+00)自施工完毕并开放交通后,已经历了一个较长时间的气候及荷载的作用。为研究其水稳定性,分别在试验路不同时间点进行了橡胶沥青路面检测,抗渗能力检测数据如图9。

图9 试验路段各时期渗水系数检测数据图

由图9 可知,各时期渗水系数均小于120 mL/min,表明试验配制的湿法橡胶改性沥青路面满足水稳定性要求。

5 结论

1)湿法橡胶沥青混合料用于路面具有较好的适用性及优点,但其水稳定性是重要性质,需重视水稳定性影响因素。采用冻融劈裂试验得到TSR 值评价湿法橡胶沥青混合料的水稳定性,从而得出各因素对其水稳定性的影响关系。

2)增加冻融循环的次数会造成湿法橡胶沥青混合料的水稳定性的衰减,采用碱性集料对增强湿法橡胶沥青混合料的抗水损害能力更有利。

3)采用AR-AC-13 级配、含泥土量低、老化程度低的湿法橡胶沥青混合料的抗水损害能力均较好。湿法橡胶沥青混合料的空隙率应该控制在4%~6%之间,油石比为8.2%。

4)掺加抗剥落剂能明显提高湿法橡胶沥青混合料的水稳定性,消石灰对提高湿法橡胶沥青混合料的水稳定性比水泥效果稍好,建议采用消石灰作抗剥落剂。

[1]曹敏娜,陆江银,薄文旻.废橡胶粉改性沥青性能及研究[J].湖南交通科技,2012(4):67-70.

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[4]曹传江.橡胶改性沥青的制备与性能优化研究[J].湖南交通科技,2014(2):22-23.

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