不同孔隙率下沥青混凝土的水稳定性试验研究

杨海华,刘 亮,游光明

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐830052)

不同孔隙率下沥青混凝土的水稳定性试验研究

杨海华,刘 亮,游光明

(新疆农业大学水利与土木工程学院,新疆乌鲁木齐830052)

沥青混凝土水稳定性损坏是由于水分进入其内部造成骨料与沥青胶浆剥离而产生的。为研究采用天然砾石骨料的水工沥青混凝土在不同孔隙率条件下的水稳定性能变化规律,在相同试验条件下,通过改变击实次数得到不同孔隙率的沥青混凝土试件进行浸水马歇尔试验和不同冻融次数的冻融劈裂试验。试验结果表明：在不同孔隙率条件下,沥青混凝土浸水残留稳定度随着孔隙率的增加而减小,但均满足规范要求；冻融劈裂强度随孔隙率的变化不明显,随着冻融次数的增加其强度略有降低；孔隙率对沥青混凝土的水稳定性影响程度低于填料类型和冻融次数；水泥填料的沥青混凝土冻融劈裂强度比石粉填料时大。

沥青混凝土；孔隙率；马歇尔试验；浸水残留稳定度；水稳定性；冻融劈裂试验

1 研究背景

沥青混凝土具有结构简单、防渗性能好、施工方便快捷、适应变形能力强、有较强的抗冲蚀能力和抗老化能力等优点[1],加之我国西北地区天然砾石分布范围广、可就地取材等特点,在沥青混凝土中充分使用天然砾石骨料可大幅度降低沥青混凝土的工程造价,因此,随着近年来水利事业的蓬勃发展,在我国西北寒冷地区兴建了大量以沥青混凝土材料作为防渗主体的水库工程和挡水枢纽工程。研究表明采用砾石骨料配置沥青混凝土时,采用掺消石灰粉、水泥等碱性材料作为填料或适当加入化学抗剥离剂,可有效增强骨料与沥青黏附性,提高沥青混凝土水稳定性[2-3],且在相同沥青用量下采用人工破碎骨料的沥青混凝土流动性较砾石骨料差。但在沥青混凝土的施工过程中,由于施工技术水平和施工间歇等因素的影响,经常出现沥青混凝土局部出现孔隙率达不到规范要求的情况。为研究采用天然砾石骨料的沥青混凝土孔隙率较大时的水稳定性能影响,结合前人给出的沥青混泥土水稳定性评价方法[4-9],本文通过改变击实次数得到不同孔隙率的标准马歇尔试件进行浸水马歇尔试验和不同冻融次数的冻融劈裂试验,以探求不同孔隙率条件下的采用天然砾石骨料的沥青混凝土水稳定性变化规律。

2 浸水马歇尔试验

孔隙率是沥青混凝土的物理指标之一,孔隙率影响沥青混凝土的高温性能与水稳定性能。由于水工沥青混凝土与道路沥青混凝土相比,沥青含量高,孔隙率小,沥青混凝土心墙作为防渗体,水分很难进入沥青混凝土内部,所以通过不同的击实次数得出不同孔隙率的沥青混凝土试件,研究不同孔隙率下水泥填料对沥青混凝土的水稳定性能的影响。

2.1 制作试验试件

试验采用新疆某地天然砾石骨料根据规范要求筛分成不同粒级,沥青选用新疆克拉玛依生产的70号(A级)道路石油沥青,填料分为普通硅酸盐水泥(P.O42.5R)或天然石粉两种,质量配合比见表1。根据选定的级配,采用5个水平的击实次数(10、30、50、70、90次),得到马歇尔试件,如图1所示。从图1可以看出,击实次数为10次时,试件表面粗糙,表面呈现蜂窝状,结构不密实；击实次数为70次时,试件表面基本平整,骨料颗粒之间沥青胶浆饱满。

表1 沥青混凝土质量配合比

图1 不同击实次数后的试件

图2 击实次数与孔隙率关系

通过理论最大密度仪测出沥青混合料的理论最大密度ρs=2.489 g/m3,采用式(1)计算在不同击实次数下的试件孔隙率,不同击实次数与试件孔隙率的关系如图2所示。从图2可以看出,随着击实次数的增加,试件孔隙率呈下降趋势,在10、30、50次时,曲线斜率较大,孔隙率减小较快,而当击实次数到70次后,曲线趋于平缓,孔隙率减小不明显,说明击实70次后试件已达到密实状态。

(1)

式中,n为孔隙率,%；ρ为试件密度,g/m3；ρs为理论最大密度,g/m3。

2.2 马歇尔试验

在基础配合比中采用水泥作为填料,在5种不同击实次数下得到不同孔隙率的试件,每个击实水平下制备6个试件,平均分成2组,分别测定其密度,一组进行标准马歇尔稳定度试验,一组进行浸水马歇尔稳定度试验。浸水马歇尔试验与标准马歇尔试验的不同之处在于延长了试件的浸水时间,即在相同击实次数下,将试件分成2组：一组在恒温水槽中保持30～40 min,另一组在恒温水槽中保温48 h,其中恒温水槽保持60 ℃。浸水马歇尔试验的稳定度及浸水残留稳定度结果见表2。

表2 稳定度试验结果

注：试验条件A代表标准马歇尔稳定度试验,B代表浸水马歇尔稳定度试验。

由表2可知,试件的各项指标均符合规范的要求[10]。从击实10次至90次的浸水残留稳定度不断增大。击实90次的浸水残留稳定度最高,浸水残留稳定度为100%,这是由于试件孔隙率较小,短时间内水分很难进入试件内部,沥青与骨料相剥离的可能性减小。当击实次数较小时,试件的孔隙率较大,试件结构不密实,水分能不断进入试件内部,使浸水残留稳定度略有降低。击实次数为10次时,试件孔隙率为3.7%,结构极不密实,试件在浸水时,水分沿表面空隙进入冲刷试件内部填料,试验中水溶液变浑浊。随着击实次数的增加,试件表面空隙逐渐减小,当击实次数达到50次后,试验浸水溶液已无变浑浊现象,说明试件已经很密实,水分短时间进入试件的内部比较困难,水分无法对沥青膜产生侵蚀作用,从而使浸水后的残留稳定度提高。在5种击实次数下,标准马歇尔稳定度与浸水马歇尔稳定度变化不大,对两种试验方法得到的稳定度进行相关性分析,得到P=0.177,说明两种试验结果相关性较好,无显著性差异。通过以上结论可以看出试件在不同孔隙率下的浸水残留稳定度都满足规范要求,采用浸水马歇尔残留稳定度指标来衡量水泥作为填料时不同孔隙率沥青混凝土的水稳定性,结果不是很明显。

3 冻融劈裂试验

以上结果得知,浸水马歇尔试验不能很好的反应不同孔隙率条件下沥青混凝土水稳定性的影响。为进一步了解孔隙率变化对沥青混凝土的水稳定性能的影响,按同样的击实方法分别以水泥和石粉作为填料制备不同孔隙率的试件,进行不同冻融次数下的冻融劈裂试验。

3.1 试验设计

试验选用均匀正交设计,依次选取冻融次数、孔隙率、填料类型3个因素设计试验,如表3所示。

表3 沥青混凝土冻融劈裂试验正交表

根据表3沥青混凝土冻融劈裂试验正交表进行沥青混凝土试件的制备,每组3个试件,其中填料的水平为水泥与石粉,而孔隙率的水平选择为1.7%、2.3%、2.9%、3.5%,根据前文所述不同空隙率与击实次数之间的关系制备试件。试件尺寸应符合直径(101.6±0.25)mm、高度(63.5±1.3)mm的要求,在试件两侧通过圆心画对称的十字标记,测定试件的密度、孔隙率等各项物理指标,试验过程按50 mm/min的加载速率进行劈裂试验,得到试验的最大荷载。

沥青混凝土劈裂试验在万能试验机上进行,利用计算机来采集试验数据。劈裂强度、劈裂应变按式(2)、式(3)计算。

RT=0.006 287×PT/H

(2)

ε=δ/H

(3)

式中,RT为劈裂强度,MPa；ε为试件最大应力时的应变,%；PT为试件最大荷载,N；δ为荷载最大时的垂直变形,mm；H为试件高度,mm。

TSR=RT1/RT2

(4)

式中,TSR为冻融劈裂强度比,%；RT2为冻融循环后有效试件劈裂强度平均值,MPa；RT1为未冻融循环的试件有效劈裂强度平均值,MPa。

3.2 结果与分析

沥青混凝土冻融劈裂试验结果如图3、4所示。

图3 劈裂强度云图(单位：MPa)

图4劈裂应变云图(单位：%)

从图3a、4a可以看出,以水泥作为填料时,沥青混凝土的冻融劈裂强度随试件孔隙率的增大强度减小,但减小幅度不大(约4%),劈裂时的应变量随孔隙率的增大也逐渐增大。说明当沥青混凝土孔隙率变大时,结构不密实,在单位面积上的空隙增多,致使有效沥青混凝土面积减小,强度降低；劈裂强度与劈裂应变的变化规律可以看出沥青混凝土材料呈非弹性材料关系。劈裂强度随冻融次数的增加有减小趋势,但在冻融0～4次时强度下降不明显,到4次冻融后的冻融劈裂强度比TRS=99.1%,在冻融4次后劈裂强度下降较快,到冻融6次时TRS=91.1%；劈裂应变随冻融次数的增加呈增大趋势,且在冻融4次前其增长量较小,在冻融4次后增长速率较快。在冻融作用的影响下,通过空隙进入试件内部的水分对沥青混凝土结构有一定的破坏,在冻融4次前可以认为以水泥为填料的沥青混凝土抵抗冻融破坏的能力较强,而冻融4次后逐渐减弱。

以石粉为填料时,冻融劈裂强度与劈裂应变随孔隙率及冻融次数的变化规律与以水泥为填料时基本相同,但劈裂强度低于以水泥为填料时,并且在冻融2～4次时孔隙率较大的试件劈裂强度就开始明显下降。由于沥青混凝土中沥青胶浆(沥青与填料的混合物)与骨料的粘附性是一个物理-化学吸附过程,其中化学吸附起主导作用,沥青中含有的阴离子与表面活性物质(如沥青酸、沥青酸酐)与骨料中含有的重金属或碱土金属氧化物接触时,由于分子力的作用,在界面上生成皂类化合物,这类化合物的化学吸附作用力很强,因而粘附力大使骨料与沥青胶浆粘附牢固。普通硅酸盐水泥中CaO的含量达60%以上,石灰石中CaO的含量约为40%～50%,水泥矿物成分大多呈玻璃体结构具有较强的化学活性,而石粉中的CaCO3晶体的化学活性都很弱,所以水泥填料比石灰石填料与沥青之间具有更强的化学吸附作用,使得沥青胶浆粘结力大,耐久性更高。其次水泥的颗粒级配优于石粉的颗粒级配,颗粒直径较石粉小,使得沥青胶浆中含有更多的结构沥青,沥青膜厚度更薄,粘结力更大。

3.3 极差、方差分析

影响因素的主次可以由极差分析法直观的判断出,并且可以很快的筛选出最优组合。因素对试验结果影响程度的大小可以由极差的大小反映出,当因素为主要因素且对试验结果的影响程度大时,极差则较大,次要因素则相反。试验误差是由空列中的平均指标的极差表示的,极差法分析试验结果列于表4。方差分析法可以从试验数据中获得更多的信息,得到数据分析的精度和得出结论的可靠程度以及因素的显著性[11],方差分析结果如表5。从表4极差分析结果可以看出,影响沥青混凝土的冻融劈裂强度因素的主次顺序为：填料类型→冻融次数→孔隙率。各因素下对应的平均指标即为该因素不同水平下的冻融劈裂强度的平均值,且有以下规律：随着冻融次数的变大,冻融劈裂强度减小；当填料为水泥时,沥青混凝土的冻融劈裂强度大于以石粉为填料的试件,极差法分析试验误差分别为0.032 MPa。表5方差分析结果可以看出：孔隙率的偏差平方和最小,冻融次数次之,填料类型的最大,说明孔隙率对冻融劈裂强度影响最小,填料类型对冻融劈裂强度的影响最大。对冻融劈裂强度影响程度顺序为：填料类型>冻融次数>孔隙率,与极差分析结果一致,方差法分析试验误差为0.04 MPa。

表4 极差分析结果

表5 方差分析结果

4 结 论

本文通过不同孔隙率条件下的浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验,得到以下结论：

(1)在不同孔隙率下的浸水残留稳定度均满足规范要求,孔隙率变化对浸水马歇尔残留稳定度影响不大。

(2)孔隙率的大小对沥青混凝土的冻融劈裂强度也有一定的影响,随着孔隙率的增大冻融劈裂强度逐渐减小,但减小幅度较小(仅4%左右)；孔隙率对沥青混凝土劈裂强度的影响程度小于填料类型和冻融劈裂次数。

(3)以水泥为填料时的冻融劈裂强度比石粉填料时大。

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(责任编辑王 琪)

ExperimentalStudyonWaterStabilityofAsphaltConcretewithDifferentPorosity

YANG Haihua, LIU Liang, YOU Guangming
(College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China)

The water stability damage of asphalt concrete is due to water entering into the inside and causes aggregate and asphalt mortar peeling. In order to study the water stability performance of hydraulic asphalt concrete with natural gravel aggregate under the conditions of different porosity, the asphalt concrete specimens with different porosity are prepared by changing the hit times to carry out immersion Marshall test and freeze-thawing splitting test with different freeze-thawing times under same experimental conditions. The test results show that: (a) under the conditions of different porosity, the immersion residual stability of asphalt concrete decreases with the increase of porosity, but shall meet standard requirements; (b) the freeze-thaw splitting strength is not obviously changed with the change of porosity, and its strength will slightly decrease with the increase of freeze-thaw cycles; (c) the impact degree of porosity on water stability of asphalt concrete is lower than the filler type and the number of freeze-thaw cycles; and (d) the freeze-thaw splitting strength of asphalt concrete with stone powder filler is lower than that with cement filler．

asphalt concrete; porosity; Marshall test; water immersion residual stability; water stability; freeze-thaw splitting strength

2016- 09- 23

杨海华(1986—),男,四川遂宁人,实验师,硕士,主要从事岩土工程及水工结构材料研究工作．

TU528.42

：A

：0559- 9342(2017)06- 0115- 05