集料对微表处混合料技术性能的影响机理
2016-04-21 06:34李萍
公路工程 2016年1期
李 萍
(西安铁路职业技术学院， 陕西 西安 710600)
集料对微表处混合料技术性能的影响机理
李萍
(西安铁路职业技术学院， 陕西 西安710600)
[摘要]研究了集料特性对改性乳化沥青乳液在混合料初始拌和阶段破乳过程的影响，以及集料特性对水-温耦合作用下微表处混合料路用性能的影响，揭示了集料酸碱性、表面电荷特性、接触角差等技术特性对微表处混合料的影响机理，并结合微表处混合料施工性能和路用性能试验结果推荐了不同岩性集料微表处混合料的适用性，为微表处混合料原材料选择以及路用性能的评价方法起到一定的完善和补充作用。
[关键词]路面工程； 微表处混合料； 集料技术性能； 影响机理
我国自2000年首次引进微表处技术以来，短短十几年时间，在全国20多个省份的高等级公路养护工程中得到了推广并取得了较好的使用效果[1]，然而，近年来随着微表处铺筑工程的增多和研究的不断深入发现，微表处并没有达到预期的效果，铺筑的微表处路面也出现了以下问题[2-5]：改性乳化沥青与集料粘附性较差，不能满足高温多雨区的要求，导致微表处路面出现掉块、麻面等病害；室内设计方法与微表处混合料实际的手受荷状况相差较远，用于填补比较厚的车辙时，不能有效地抵抗车辙变形等。截止目前研究人员已经从改性乳化沥青各生产要素如基质沥青的性质、乳化剂及改性剂的性质和剂量等、以及外加水量、水泥掺量、纤维微笑表处等方面进行了相关的研究[6-13]，但从目前国内研究现状来看，对于集料特性对混合料施工性能以及路用性能的影响仍不明确，集料技术特性对改性乳化沥青技术性能的影响机理等尚未有一个系统的研究，导致微表处混合料集料选择时具有很大的随意性，甚至模棱两可。本文揭示了集料对微表处混合料技术性能的影响机理，并采用拌合、粘聚力、APA试验验证了影响机理分析的合理性，为微表处混合料原材料选择以及路面施工提供了技术参考。
1集料技术性能检测
1.1集料物理技术指标
试验选用陕西西安生产的石灰岩、玄武岩及花岗岩，按照《公路工程集料试验规程》 (JTG E42-2005)要求，集料的各种性能指标实测结果见表1。
表1 集料性能指标试验结果Table1 Aggregateperformancetestresults技术指标试验方法技术标准检测结果石灰岩15.4压碎值T0316≤26%玄武岩9.1花岗岩5.3石灰岩23.2洛杉矶磨耗值T0317≤30%玄武岩9.4花岗岩7.1粒径大于9.5mm≤12%石灰岩11.2针片状含量T0312玄武岩14.3粒径小于9.5mm≤18%花岗岩13.7石灰岩72.2砂当量T0334≥65%玄武岩76.4花岗岩81.2
1.2集料酸碱性
研究表明，集料的化学性质会对矿料—沥青界面的粘附性产生显著影响，进而影响了混合料的水稳定性以及耐久性。公路工程中照集料中SiO2的含量，将常用集料分为酸性、碱性及中性集料[11]，即：集料中含量SiO2<52%时，为碱性集料；当SiO2含量≤45%，为超碱性集料；当含量处于52%
表2 3种集料主要化学成分测试结果Table2 Mainchemicalcomponentsofthreekindsofaggregatetestresults%化学成份石灰岩玄武岩花岗岩SiO20.76355.81586.732CaO54.93412.1410.2765Al2O36.2539.4266.214K2O0.0351.3373.443Na2O0.0431.9490.674Fe2O30.0806.5570.93
由表2中试验结果可知: 石灰岩的主要化学成分是碳酸钙，二氧化硅的含量则很少，是典型的碱性集料；玄武岩集料的二氧化硅含量为55.851%，属于中性集料；而玄武岩集料的二氧化硅含量高达86%，属于典型的酸性集料。
1.3不同集料表面电荷特性
用于微表处混合料的改性乳化沥青多数是阳离子型改性乳化沥青,在集料与改性乳化沥青乳液拌和过程中，乳液中的水分以及为了调节乳液破乳速度而掺加的水分将集料表面润湿后，集料的表面会发生一定的化学反应。微表处最显著的优势之一就是摊铺完成1h后能快速开放交通，而集料表面电荷特性与改性乳化沥青之间的物理化学作用势必影响到了微表处混合料快速开放交通性能，基于此考虑本文采用电渗仪分别测试了3种集料的ζ电位，测试结果见表3。
表3 3种集料的ζ电位测试结果Table3 ζpotentialofthetestresultsofaggregate集料种类石灰岩玄武岩花岗岩ζ电位/mV+11.75-8.89-26.39
1.4不同集料与沥青之间的接触角差
所谓的接触角(contact angle)是指在气、机制沥青、集料三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ，是润湿程度的量度(见图1)。
图1 固液界面接触角示意图Figure 1 Schematic diagram of the solid-liquid interface contact angle
一般认为，沥青路面的水损害主要与水、荷载、温度综合作用下沥青与集料粘附性及沥青问的粘结性丧失有关，通过水、纤维改性沥青分别于集料之间的接触角差，可以反映不同种类集料与基质沥青在有水作用下的粘附性。接触角试验结果见表4。
表4 改性沥青与集料接触角差Table4 thecontactangleofasphaltandaggregate(°)集料类型水—集料接触角沥青—集料岩接触角接触角差石灰岩7125.5945.41玄武岩6524.5440.46花岗岩5720.3736.63
表4试验结果表明： 接触角差值越大，表明该集料与沥青之间的粘附性越好，同种基质沥青，沥青-石灰岩接触角差明显大于沥青-花岗岩接触角差。
2不同集料微表处混合料施工性能试验
2.1拌合试验
拌合试验的主要目的确定微表处混合料的可拌合时间和成浆状态，从而为最佳油石比的选择提供依据。为了论证集料性质对混合料外可拌合时间的影响，考虑到施工过程中的可操作性，规范要求25 ℃温度下可拌和时间不低于120 s。试验选择油石比7.0%、7.5%进行拌合试验，结果如表5所示，试验时的水泥以外掺法进行添加。
表5 3种集料微表处混合料拌合试验结果Table5 Mixingtestresultsofthreekindsofaggregate集料类型乳化沥青用量/%水泥掺量/%加水量/%可拌合时间/s备注石灰岩7.027197拌合时间偏长7.527213拌合时间过长玄武岩7.027172拌合时间适宜7.527187拌合时间过长花岗岩7.027152拌合时间适宜7.527167拌合时间偏长
由表5试验结果可以看出： 相同乳化沥青用量条件下，可拌合时间大小依次是： 石灰岩集料>玄武岩集料>花岗岩集料。此外随着乳化沥青用量的增加混合料可拌合时间增加。分析其原因： ①由于酸性集料的表面带有负电荷，碱性集料表面带有一定的负电荷(见表3)，在混合料拌合初期，集料表面的负电荷与阳离子改性沥青表面的正电荷之间的相互吸引、电中和作用下，酸性集料胶浆中改性乳化沥青乳液的沥青微粒迅速向集料表面移动，并且沥青微粒周围的扩散双电层保护膜在电荷中和作用下破裂，乳液中的沥青微粒粘附在集料的表面，形成连续的沥青膜，进而导致集料胶浆内摩擦力的增大接触，乳液的破乳速度逐渐放缓，进而导致集料胶浆的粘度增长率逐渐变小，直到混合料和易性达到一个相对稳定的状态。而集料表面ζ电位越高，改性乳化沥青乳液的中沥青微粒周围的扩散双电层保护膜越容易破裂，乳液的破乳速度也就越迅速而碱性集料胶浆(石灰岩集料胶浆)在拌和初期，由于集料表面和沥青微粒都带有正电荷，因此在开始拌和后沥青微粒并不能迅速地聚集在集料的表面。而是经过一系列的化学电离作用[12],经过该化学反应过程会在集料表面附近的溶液中产生一定量的负电荷，使得乳液中的沥青微粒周围的扩散双电层保护膜破裂，在集料的表面逐渐形成沥青膜，使得集料混合料稠度增大； ②在集料表面电荷量一定条件下，随着乳化沥青用量的增多，集料表面不能提供足够的电荷中和乳化沥青表面的阳离子，宏观变现在增大乳化沥青用量，混合料拌合时间增加[13]，宏观上表现出混合料施工和易性降低混合料拌合困难。
2.2粘聚力试验
粘聚力试验用于评价微表处混合料的初凝时间和开放交通时间，试验时将拌和均匀的微表处混合料倒入预处理好的试模中摊铺均匀后拿掉试模，置于25 ℃恒温烘箱中养护成型并开始计时，为了更好的分析不同岩性集料的混合料的成型速度差异，在30 min后每隔15 min测定一次混合料粘聚力,三种混合料粘聚力试验结果如图2所示。
图2 3种集料微表处混合料粘聚力试验结果Figure 2 Cohesion test results of three kinds of micro- surfacing aggregate
由图2拟合结果可知: 3种岩性的微表处混合料在30 min时的石灰岩粘聚力最小，花岗岩次之，玄武岩最大。而在60 min时，石灰岩混合料的粘聚力最大，玄武岩次之而花岗岩最小；3种混合料的30 min粘聚力满足规范粘聚力>1.2 N·m, 60 min粘聚力满足规范粘聚力>2 N·m指标要求。导致这种现象的原因主要有： ①在混合料拌和初期，由于中性集料玄武岩与酸性集料，表面带有大量负电荷，乳液的破乳速度较碱性集料快，混合料早期强度较高，宏观变现在30 min粘聚力较大； ②由于碱性集料(石灰岩)的吸水率相对较大，乳化沥青未破乳钱集料表明被大量的水膜占据，导致成型初期沥青薄膜与石灰岩集料间粘结力较小，故30 min时石灰岩混合料的粘聚力较其他两种石料的小，随着养生时间的增长，乳化沥青中的水分逐渐挥发，沥青膜与集料间的界面强度逐渐形成，由于碱性集料石灰岩的主要化学成分是碳酸钙，从接触角试验可以看出，当沥青与石灰岩集料粘附时，石灰岩与沥青之间的界面强度远大于花岗岩，进而混合料内部整体强度较高，避免了荷载作用下出现剥离等现象，对于而玄武岩与花岗岩集料其主要成分二氧化硅由于酸性集料与沥青之间的化学吸附作用相对较薄弱，所以在60 min时，由于微表处混合料并未完全干燥，由乳液破乳产生的水分以及外加水的作用下，石灰岩混合料的粘聚力远大于高于玄武岩及花岗岩混合料。
3水、高温耦合作用下不同集料微表处混合料抗永久变形性能
水、高温等极端恶劣荷载耦合作用下会导致沥青路面出现车辙、坑槽等病害，微表处用于车辙修复时也不例外，我国现有技术指南中采用轮辙变形试验来评价微表处混合料的抗车辙性能，试验温度为22 ℃±2 ℃，大量研究成果表明，该实验方法并没有充分考虑路面实际所处的环境条件，与微表处混合料实际的手受荷状况相差较远，其次目前研究成果中鲜见关于温度、水等不利因素耦合作用下微表处混合料路用性能的研究报告，针对微表处混合料路用性能影响因素考虑缺乏系统性以及研究缺乏一定的合理性，导致室内评价结果与实际路用性能相脱节，评价意义不不明确[14]。基于此考虑，本文以汉堡车辙试验系统为加载平台，对不同集料类型的纤维微表处混合料进行模拟试验研究，重点分析高温、水耦合作用下不同岩性集料对微表处混合料抗车辙性能的差异，同时试验方法和成果将对现有微表处混合料路用性能的评价方法起到一定的完善和补充作用。
3.1试验条件
3.1.1试件制备
根据实际工程经验，微表处用于填铺车辙时，处治的车辙深度一般为15～25 mm，本文评价微表处混合料抗车辙性能时，结构层养生后的厚度统一控制为20 mm。按照标准车辙试模成型C25水泥混凝土板作为养护载体，按照沥青路面层间处治要求，混凝土板表面经拉毛后需在其表面涂刷粘层油，以及摊铺0.4 L/m2改性乳化沥青，待层间处治完成后摊铺20 mm微表处混合料，随后价格整个试件置于40 ℃鼓风烘箱中养生3 d，待微表处混合料强度完全形成后，按照APA试模尺寸切割300 mm×125 mm×75 mm标准试件。
3.1.2试验温度
参考汉堡车辙试验条件，并结合栗培龙等人[15，16]就汉堡试验条件研究成果，最终确定APA汉堡试验试验温度采用50 ℃。
3.1.3钢轮运行频率以及轴载
参考汉堡车辙试验规定，APA汉堡车辙试验采用25 Hz，轴载采用158 LB。
3.1.4试验终止条件
APA汉堡车辙试验的终止条件有两种： Ⅰ车辙深度达到14 mm ；Ⅱ运行次数达到20000次。试验过程中，两个条件若有一个满足则试验终止。
3.1.5评价指标
如图3所示，APA汉堡车辙试验的评价指标有：蠕变速率、剥落拐点、车辙深度、剥落斜率以及破坏次数。
图3 APA汉堡车辙标准曲线Figure 3 APA Hamburg rut standard curve
3.2试验结果及分析
矿料级配选用MS-3型级配中值，固定水泥掺量为2%、乳化沥青用量为7.5%，变化集料类型按照3.1所示方法成型试件并进行APA汉堡车辙试验，试验结果汇总如表6所示。
试验结果表明：
① 不同类型集料微表处混合料的车辙深度变化趋势基本一致，即随着荷载作用次数的不断增加，车辙深度逐渐增大，不同的是个石灰岩微表处试件车辙形成过程的阶段性特征并不是很明显，车辙深度连续性比较差，这主要是试验过程中集料被压碎所致，尤其是石灰岩。
表6 不同集料汉堡车辙试验结果汇总Table6 HamburgruttingtestresultsofDifferentaggregate集料类型蠕变斜率破坏次数/次剥落斜率剥落点破坏变形/mm车辙变形率石灰岩7.34E-03137073.60E-031005014.000.001393玄武岩6.27E-04150009.40E-041200010.000.000833花岗岩4.12E-0483536.20E-03370014.400.003892
② 3种岩性的微表处混合料蠕变斜率在剥落拐点前石灰岩蠕变斜率最大，花岗岩次之，玄武岩最小，而剥落斜率花岗岩最大，石灰岩次之，玄武岩最小。分析其原因主要是：加载至剥落拐点前由于石灰岩强度小，压碎值、洛杉矶磨耗值大等技术缺陷，导致试验过程中集料被压碎进而诱发了车辙的产生；随着加载次数增大，由于酸性花岗岩集料与沥青之间的界面粘结强度不足，在高温、水耦合作用下花岗岩集料从乳化沥青砂浆中剥离出来导致微表处混合料产生剥落现象；此外，加载过程中由于石灰岩集料破碎，集料表面原来形成的完整乳化沥青砂浆膜被撕破，这加速了微表处混合料水损害，故表现为石灰岩集料剥落斜率远小于玄武岩集料。
4结论
相同的油石比及用水量条件下，碱性集料混合料的可拌和时间最长，中性集料的混合料次之，而酸性集料的可拌和时间最短；3种集料的微表处混合料在摊铺结束30 min时粘聚力指标的关系为：石灰岩混合料<玄武岩混合料<花岗岩混合料，但是随着养护时间的增长，石灰岩混合料的粘聚力增长幅度较其他两种混合料大，而玄武岩及花岗岩集料粘聚力的增长率会逐渐减小。在摊铺后1 h时，石灰岩混合料的粘聚力最大，而玄武岩集料次之，花岗岩集料最差；石灰岩、花岗岩、玄武岩3种岩性的微表处混合料蠕变斜率在剥落拐点前石灰岩蠕变斜率最大，花岗岩次之，玄武岩最小，而剥落斜率花岗岩最大，石灰岩次之，玄武岩最小；考虑集料对微表处混合料施工性能和路用性能的影响，玄武岩集料微表处适用范围较广，建议重载交通不宜选用石灰岩微表处，高温多雨区不宜采用花岗岩集料微表处。
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The Effect Mechanism the Aggregate t on Technical Performance of Micro-surfacing Mixture
LI Ping
(Xi’an Vocational and Technical Institute， Xi’an Shanxi 710600， China)
[Abstract]This article studied the affect of aggregate characteristics on modified emulsified asphalt emulsion mixture initial mixing stage in the process of breaking,And the effect of aggregate characteristics on road performance of micro-surfacing mixture under the action of the water-temperature coupling. Revealing the Influence mechanism of aggregate pH, surface charge impact mechanism features, technical characteristics and contact angle on the micro-surfacing mixture. Combined with the construction and road performance test results of micro-surfacing mixtures, this article recommended the applicability of different aggregate micro-surfacing mixture. Research results for the micro-surfacing Mixture selection of raw materials and pavement performance evaluation methods to improve and play a complementary role.
[Key words]pavement engineering； micro-surfacing mixture； aggregate technical performance； influence mechanism
[中图分类号]U 414.1
[文献标识码]A
[文章编号]1674-0610(2016)01-0152-05
[作者简介]李萍(1981-)，女，陕西西安人，讲师，主要从事建筑工程的教学与科研工作。
[收稿日期]2014-10-16
