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破碎砾石沥青混合料抗剥落剂性能研究

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发表于 2018-1-27 15:14:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
  纵观国内外现有的研究,改善沥青混合料水稳定性的措施主要有添加化学性抗剥落剂、添加消石灰、石灰水处理粗集料等,在实际应用中也取得了一系列。但上述提高沥青混合料水稳定性的措施在试验分析以及实际应用过程中,仅限于对新拌或短期老化后沥青混合料的水稳定性做出评判,并不能反应混合料在实际使用中经长期老化后的混合料的水稳定性。鉴于此,本文结合国外计划模拟沥青混合料在服务年限内老化的方法,通过试验分析,评价不同改善措施的长期性能并对其进行优选。
  抗剥落剂选用胺类沥青抗剥落剂,消石灰在施工现场取料,对其进行检测。由试验结果可知,有效CaO和MgO含量为69.4%,满足技术标准对消石灰的要求。
  本文所用级配为AC-20C,采用马歇尔试验方法确定混合料最佳油石比为4.5%。
  在确定的最佳油石比下,选择五种改善沥青混合料水稳定性的方案:添加抗剥落剂、添加消石灰、添加水泥、添加消石灰+水泥及浸泡石灰水,以进行对比试验。
  根据集料与沥青的粘附性等级以及冻融劈裂试验评定水稳定性改善效果,为确定胺类抗剥落剂(液体)的最佳掺量,在基质沥青分别添加0.2%、0.3%和0.4%三种剂量的抗剥落剂,通过试验进行对比分析。
  消石灰、水泥3种不同的掺加方案对沥青混合料的水稳定性进行改善,一是消石灰、水泥分别替代矿粉的方案,分别取代20%、40%、60%、80%、100%的矿粉;二是消石灰与水泥按2∶1的比例复合后替代20%、40%、60%、80%、100%的矿粉。
  取5~25mm三档粗集料按掺配比例混合后,用洁净水洗净,然后用10%、20%、30%浓度的石灰水对破碎砾石处治,浸泡时间统一设定为24h。待集料风干后置于105℃的烘箱中加热至恒重,拿出烘箱后先用毛刷将集料表面裹附的松动石灰刷掉,然后用吹风筒吹净浮尘,最后采用处理过的集料制备试件进行冻融劈裂试验观察改善效果。
  我国现行规范采用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,而美国现行Superpave只要求采用后者,国内外学者的研究也冻融劈裂试验与沥青混合料的水稳定性具有更好的相关性,为简便试验,本文水稳定性试验采用冻融劈裂强度比作为沥青混合料水稳定性评判标准。
  沥青混合料的短期使用效果的试验采用我国沥青与沥青混合料试验规程的步骤进行,试验变量参考上述水稳定性改善方案;而为研究沥青混合料水稳定性的长期性能,本文借鉴SHAR计划中,模拟沥青面在服务年限内的老化过程的方法,进行研究。试验方法如下:按照确定的最佳掺量,拌合沥青混合料,之后将拌和后的沥青混合料均匀摊铺在金属盘中,松铺厚度约21~22kg/m2,将装有混合料的金属盘放入(135±1)℃的烘箱中老化5天并连续强制通风,之后进行冻融劈裂试验。
  实验结果表明,抗剥落剂对于破碎砾石与沥青之间粘附性的改善具有明显效果,但添加0.2%抗剥落剂基本没有效果,添加0.4%抗剥落剂基本可以改变沥青与石料表面的化学机构,进而使破碎砾石的粘附性等级提高到4级~5级的水平,满足规范的要求。
  为更加准确的确定抗剥落剂添加剂量,分别对不同剂量的抗剥落剂混合料,进行冻融劈裂试验。
  试验结果可知,随着抗剥落剂用量的增多,沥青混合料的冻融劈裂强度增大即混合料的水稳定性增强。这是由于随着抗剥落剂掺量的增加,抗剥落剂的胺与酸性集料表面逐渐发生反应,形成的表面化合物逐渐裹覆砾石集料的表面,沥青与砾石粘结成一个整体,避免了水的剥离作用。结合表5、6的试验结果,添加0.4%的抗剥落剂时,沥青与集料的粘附性达到了4~5级的水平,冻融劈裂强度更是达到了87.1%,已经完全可以满足规范的要求,而继续增加抗剥落剂掺量时冻融劈裂强度变化则不再明显,因此结合经济方面的考虑,本文认为添加0.4%的抗剥落剂可以最大程度的提高沥青混合料的水稳定性。
  为确定添加消石灰、水泥替代矿粉的最佳剂量,以不同的取代比例进行沥青混合料的冻融劈裂强度比。
  随着消石灰取代矿粉比重的增加,沥青混合料的冻融劈裂强度比增加缓慢,基本上呈对数型增加,这是由于本文采用的破碎砾石SiO2含量在70%以上是典型的酸性集料,而掺加消石灰后,消石灰能与沥青中的羟酸、亚枫发生反应形成硷土盐固结在集料的表面而不剥落,从而增加沥青混合料的水稳定性,随着消石灰掺量的增加,即使消石灰与沥青中的羟酸、亚枫完全反应,多余的消石灰还可与沥青中的极性发生反应或吸收,进而增加沥青的粘度,使沥青本身的粘聚力增强。
  水泥和消石灰与水泥复合后取代矿粉的变化规律基本相同,均是先增加后减小的趋势,基本呈二次曲线的变化规律,且出现峰值。因为水泥颗粒相对较粗,对沥青的吸附能力强,达到峰值后随着水泥掺量增加,而沥青用量没有发生变化,造成混合料压实困难,水稳定性有所下降。
  根据3种改善措施取代矿粉比例与冻融劈裂强度拟合曲线可知,消石灰取代矿粉的最佳比例为100%;水泥替代矿粉的最佳比例为80%;消石灰+水泥(消石灰∶水泥=2∶1)替代矿粉的最佳比例为85%。比较三种改善沥青混合料水稳定性的方案,消石灰+水泥以2∶1的比例复合后替代矿粉的措施效果最理想,消石灰虽呈递增的趋势,但增长缓慢。
  为研究石灰水浸泡集料后对沥青混合料水稳定性的改善效果,本文采用浸泡后的集料进行冻融劈裂试验,浸泡时间统一设定为24h。
  采用石灰水处置石料后,石料与沥青的粘附性有所提高,水稳定性改善效果明显,石灰水浓度在一定范围内时,其水稳定性提高程度与石灰水剂量成正比关系。但石灰水浓度超过一定值时,其对沥青混合料水稳定性的改善效果不再显著。
  石灰水主要成分是Ca(OH)2,它可与破碎砾石表面的SiO2发生反应生成硅酸钙,固结在破碎砾石表面,改善沥青与破碎砾石表面的粘结性能,但石灰水仅能对砾石的表面起一定的改善作用,并且在集料的烘干及拌合过程中表面会出现一定的剥落现象,破碎砾石表面的改善效果有一定的限度。结合经济性及改善效果分析,本文认为采用20%的石灰水处理粗集料对于改善混合料水稳定性为最优方案。
  综合比较以上改善沥青混合料水稳定性能的措施可以得出:就对新拌沥青混合料冻融劈裂强度比而言,0.4%抗剥落剂>消石灰+水泥替代85%矿粉>水泥替代80%矿粉>消石灰替代100%矿粉>20%石灰水浸泡。但就经过冻融后沥青混合料的劈裂抗拉强度而言,掺加水泥和水泥与消石灰复合材料的劈裂强度改善效果更加显著。
  由以上研究表明,采用添加抗剥落剂、消石灰、水泥以及石灰水处理粗集料均可以在不同程度上提高沥青与集料的粘附性,改善混合料的水稳定性。但沥青混合料的长期稳定性才是我们更加关注的重点,故按照试验设计的方案,采用上一部分确定的外加剂最佳掺量拌合沥青混合料,进行混合料的模拟老化,然后进行冻融劈裂试验,评价各种类型添加剂对沥青混合料长期水稳定性能的改善效果。
  沥青混合料在模拟老化后,冻融劈裂强度比与结合拟合曲线预期未老化所达到的有所降低,通过对比分析混合料老化后,五种改善措施后的冻融劈裂强度比相比,消石灰+水泥替代85%的矿粉>水泥替代80%矿粉>消石灰替代100%的矿粉>20%石灰水浸泡>0.4%抗剥落剂。由此可见,五种不同的改善沥青与集料粘附性的措施,随着沥青混合料老化,效果均有不同程度的降低。相比预期达到的冻融劈裂强度比,添加0.4%的抗剥落剂的混合料在老化后的衰减最大,达到24%。水泥+消石灰替代矿粉的改善措施,受沥青混合料老化的影响最小,下降仅为2.3%。
  抗剥落剂主要为胺类成分,长期性能一直是个备受质疑的问题,试验结果证明胺类抗剥落剂中的胺离子与沥青中的酸性有机物反应的产物,在老化过程中或高温条件下易发生分解,碱溶度降低,致使沥青混合料水稳定性出现明显的下降;而其他改善方案除去沥青本身老化的影响外,降幅变化不大。综合改善效果、经济性及施工和易性等方面考虑,改善沥青混合料的水稳定性的长期性能措施宜采用消石灰+水泥的方式。
  (1)添加抗剥落剂、水泥、消石灰、消石灰+水泥和石灰水浸泡这五种改善措施,对沥青混合料水稳定性均有一定程度的提高;
  (2)就对新拌沥青混合料的水稳定性改善效果而言,不同的改善措施均有最佳的剂量,且在各自的最佳剂量下,改善效果有如下关系:0.4%抗剥落剂>消石灰+水泥替代85%矿粉>水泥替代80%矿粉>消石灰替代100%矿粉>20%石灰水浸泡。
  (3)随着沥青混合料老化,五种改善措施,效果均有不同程度的降低。相比预期达到的冻融劈裂强度比,添加0.4%的抗剥落剂的混合料在老化后的衰减最大,达24%;其他物理改善方案均有不同程度的降低,其中水泥+消石灰替代矿粉的改善措施,受沥青混合料老化的影响最小,下降仅为2.3%。
  (4)综合比较不同措施水稳定性改善效果及其经济性,推荐采用消石灰+水泥替代85%矿粉的措施来改善沥青混合料的长期水稳定性能。
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