石墨等體積替代礦粉對瀝青混合料性能影響研究

王 軍 莊大新 朱 湘

(1.江蘇廣靖錫澄高速公路有限責(zé)任公司， 江蘇 無錫 214191； 2.東南大學(xué)交通學(xué)院， 南京 210096)

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石墨等體積替代礦粉對瀝青混合料性能影響研究

王 軍1莊大新2朱 湘2

(1.江蘇廣靖錫澄高速公路有限責(zé)任公司， 江蘇 無錫 214191； 2.東南大學(xué)交通學(xué)院， 南京 210096)

以AC-20為例，在不明顯改變其級配的情況下，開展動穩(wěn)定度、凍融劈裂以及低溫彎曲試驗，分析石墨等體積替代部分礦粉后，瀝青混合料的高、低溫性能及水穩(wěn)性的變化。試驗結(jié)果表明，石墨等體積代替后可改善瀝青混合料的高溫性能，降低低溫和水穩(wěn)性能，建議其替代量為20%～55%。

瀝青混合料； 石墨； 高溫穩(wěn)定性； 水穩(wěn)性

目前，國內(nèi)部分研究表明通過向瀝青混合料添加導(dǎo)熱能力強的材料后就具有較好的導(dǎo)熱性能， 可通過其導(dǎo)熱系數(shù)的變化改變或者預(yù)知瀝青路面溫度場的變化，還可以收集地下熱量來達到除雪化冰的效果[1]。石墨由一種六角形結(jié)構(gòu)層重疊而成，導(dǎo)熱系數(shù)很大，有較強的導(dǎo)熱性能，但是石墨還有潤滑作用，因此瀝青混合料中添加石墨會對混合料的強度和耐久性造成一定的影響[5]。因此必須對摻入石墨的量進行分析，使瀝青混合料在具有良好的導(dǎo)熱能力的同時，還能夠同時具有良好的抗拉強度、抗彎強度、抗沖擊能力等。由于直接摻入材料可能會造成瀝青混合料級配的顯著變化，因此本次研究在盡量不影響瀝青混合料級配的基礎(chǔ)上，以一定比例的石墨等體積替代礦粉來研究瀝青混合料的性能。通過對5種不同體積分數(shù)的石墨等體積替代礦粉混合料的動穩(wěn)定度、劈裂強度以及低溫彎拉應(yīng)變開展研究，探討不同體積分數(shù)對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性能和低溫性能的影響規(guī)律[6]。

1 試驗原料及方法

1.1 試驗原材料及性能指標

研究試驗用的瀝青為江蘇寶利瀝青股份有限公司生產(chǎn)的70#道路石油瀝青，其主要的技術(shù)指標[7]如表1所示。

集料為江蘇宜興公司生產(chǎn)的石灰?guī)r石料：1#規(guī)格為13.2～26.5 mm；2#規(guī)格為4.75～13.2 mm；3#規(guī)格為2.36～4.75 mm；4#規(guī)格為0～2.36 mm。主要的技術(shù)性能指標[8]見表2。

表2 集料的主要技術(shù)指標

礦粉為江蘇鹽城廠家生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉，其主要的技術(shù)性能指標見表3。

表3 礦粉的主要技術(shù)性能指標

石墨為青島天盛達石墨有限公司生產(chǎn)的鱗片狀石墨，其主要技術(shù)性能指標如表4所示。

表4 石墨的主要技術(shù)性能指標

1.2 試驗方法

瀝青混合料級配采用AC-20，如表5所示。用石墨等體積分別以0，25%，40%，55%，70%替代礦粉。對瀝青混合料分別進行高溫車轍試驗、水穩(wěn)定性試驗以及低溫性能試驗，分析用不同體積分數(shù)的石墨等體積替代部分礦粉后瀝青混合料性能的變化。

表5 混合料合成級配

試驗方法：

(1) 高溫車轍試驗試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。成型方法按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的T0703 — 2011瀝青混合料試件制作方法規(guī)定進行[7]，試件共需要5組，每組3個試件。

試件制作完成，冷卻12 h后。將試模與試件一起放置在溫度(60±1)℃ 的恒溫室中，時間≥5 h，但≤24 h；同時控制試件溫度穩(wěn)定在(60±0.5)℃，隨即置于自動車轍試驗儀的試驗平臺上，試件的中央位置和方向需放置正確；然后將車轍試驗機啟動，使試驗輪在車轍板表面往返行走，時間約為1 h，或者當試件最大變形量達到25 mm時停止試驗。記錄所需要的數(shù)據(jù)。

瀝青混合料車轍試驗的動穩(wěn)定度按照下式計算：

(1)

式中：DS— 瀝青混合料的動穩(wěn)定度，次mm；

d1— 對應(yīng)時間t1的變形量，mm；

d2— 對應(yīng)時間t2的變形量,mm；

C1— 本次試驗的儀器系數(shù)，取為1 ；

C2— 本次試驗試件系數(shù)，取為1；

N— 頻率，通常為42次min。t1和t2分別取試驗開始后第45min、第60min。

(2)凍融劈裂試驗試件尺寸為101.6mm×(63.5±1.3)mm，采用馬歇爾電動擊實儀成型，方法按照試驗規(guī)程T0702 — 2000進行。試件雙面擊實各50次。制備5組，每組8個馬歇爾試件。

試件制備好脫模后，首先測量各試件高度。將每組馬歇爾試件再分成2個小組，其中一組4個試件(未凍融)保存室溫下備用；另一組4個試件(凍融)首先在真空條件下保水15min后，于常壓下在水中放置0.5h，取出試件放入約有10mL水的塑料袋中，扎緊袋口，然后在恒溫冰箱內(nèi)-18 ℃環(huán)境下保存16h，最后從恒溫冰箱中取出，撤去塑料袋立即放入恒溫60 ℃水槽中繼續(xù)保溫24h。將2組8個馬歇爾試件全部浸入恒溫25 ℃水槽中，保溫不小于2h，同時在水槽內(nèi)試件與試件的距離不小于10mm。以上完成后在室溫25 ℃下，取出試件立即放在試驗機上。啟動試驗設(shè)備，記錄所需結(jié)果。重復(fù)完成所有試驗。

凍融劈裂抗拉強度比值按照以下公式計算：

RT1=0.006 287Pt1h1

(2)

RT2=0.006 287Pt2h2

(3)

(4)

式中：Rt1— 未進行凍融循環(huán)的第一組試件的劈裂抗拉強度，MPa；

Rt2— 經(jīng)過凍融循環(huán)的第二組試件的劈裂強度，MPa；

Pt1— 第一組試件的荷載最大值，N；

Pt2— 第二組試件的荷載最大值，N；

h1— 第一組試件的高度，mm；

h2— 第二組試件的高度，mm；

TSR— 凍融劈裂試驗劈裂強度比，%；

(3)低溫小梁彎曲試驗試件尺寸為(250±2)mm×(30±2)mm×(35±2)mm，該試件是由車轍板試件切制而成，車轍板按照試驗規(guī)程制作，一塊車轍板可切割成8個小梁試件。制備5組，每組8個小梁試件。

分別測量每個小梁試件的跨中斷面的寬度以及高度后，將小梁試件放置在-10 ℃的恒溫冰箱中3h以上，保證小梁試件的內(nèi)部溫度達到要求的試驗溫度，保溫時試件之間的距離不小于10mm。取出小梁試件，立即將其放在試驗機上進行試驗，使小梁試件以規(guī)定的速率在跨中位置承受集中荷載，記錄所需結(jié)果。要求從保溫到試驗完成不超過45s。

其最大彎拉應(yīng)變用以下公式計算：

(5)

式中：εB— 小梁試件破壞時最大彎拉應(yīng)變，常用με表示，1με=10-6；

h— 小梁試件跨中斷面高度，mm；

d— 小梁試件破壞時跨中撓度，mm；

L— 小梁試件的跨徑，mm。

以上所需試件的空隙率控制在4.4%左右。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 車轍試驗

車轍試驗每組取平均值為最后的結(jié)果。結(jié)果如表6所示。

表6 不同替代比例下的動穩(wěn)定度 次mm

表6 不同替代比例下的動穩(wěn)定度 次mm

替代比例025%40%55%70%動穩(wěn)定度8961075116115302675

由表6數(shù)據(jù)可知隨著石墨等體積替代礦粉百分數(shù)的增大動穩(wěn)定度也逐漸變大。當石墨等體積替代礦粉百分數(shù)由25%增加至70%時，其動穩(wěn)定度相應(yīng)由1 075次mm增大至2 675次mm。滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG_F40 — 2004中AC-20動穩(wěn)定度的次數(shù)不小于800次mm的要求[9]，說明用石墨等體積替代礦粉后對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能具有一定的改善作用。這是因為石墨吸收了一定的自由瀝青，使瀝青結(jié)合料與礦料之間的黏結(jié)力得到了改善。

2.2 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗是用來驗證瀝青混合料是否具有良好的抗水害能力，即水穩(wěn)定性，其試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 劈裂強度比值隨石墨等體積替代百分數(shù)變化曲線

由圖1可知隨著石墨等體積替代礦粉百分數(shù)的增加，劈裂強度比值逐漸下降。當石墨摻量由25%增加至55%時，劈裂強度比由85.4%降至72.3%。公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中要求普通瀝青混合料的劈裂抗拉強度比大于70%，瀝青混合料才具有良好的抗水損害能力。當石墨等體積替代礦粉百分數(shù)為70%時，劈裂強度比為70.9%。因此石墨等體積替代部分礦粉應(yīng)在一定范圍內(nèi)，不宜過多。因為石墨具有一定的潤滑性，會降低瀝青的黏聚力，使得劈裂強度比值下降。

2.3 低溫彎曲小梁試驗

公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范中用低溫彎拉應(yīng)變值評價瀝青混合料的低溫性能，其彎拉應(yīng)變變化規(guī)律如圖2所示。

從圖2可以看出隨著石墨等體積替代礦粉百分數(shù)的增大，瀝青混合料的抗裂性能逐漸變差。當石墨等體積替代礦粉百分數(shù)由25%增加至70%時，彎拉應(yīng)變值由2 497 με減小至1 692 με。這表明由于石墨的加入使瀝青混合料的強度變低，瀝青混合料變脆，使得混合料的低溫抗裂性能有所降低。《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》JTG_F40 — 2004中要求AC-20彎拉應(yīng)變值大于等于2 000 με[9]。當石墨等體積替代礦粉百分數(shù)為55%時，其彎拉應(yīng)變值為2 034 με。說明用石墨等體積替代礦粉后瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性能隨著其百分數(shù)的增大而逐漸降低，基本能夠滿足路面性能的要求，但不能過量替代。

圖2 彎拉應(yīng)變隨石墨等體積替代礦粉百分數(shù)的變化

3 結(jié) 語

用一定量的石墨等體積替代礦粉后，可改善瀝青混合料的高溫性能、降低其水穩(wěn)定及低溫性能。綜合考慮建議石墨等體積替代礦粉的用量為20%～55%。具體應(yīng)用可根據(jù)區(qū)域氣候、施工條件等實際情況，進行適量調(diào)整。

[1] 李興海.瀝青混合料的熱物理特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007：121-145.

[2] 李波.導(dǎo)熱瀝青混凝土及其性能研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008：25-80.

[3] 黃慧.瀝青及瀝青混合料熱物特性及測試方法研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)，2011：111-134.

[4] 鄒玲,瀝青混合料熱物性參數(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2011：27-55.

[5] 德爾蒙特(美).碳纖維和石墨纖維復(fù)合材料技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社，1987：22-59.

[6] 劉小明,吳少鵬,李寧.石墨對瀝青混合料的性能影響研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2010,(3)：545-549.

[7] 中華人民共和國行業(yè)標準委員會.JTG E-20 — 2011 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社.2011.

[8] 中華人民共和國行業(yè)標準委員會.JTG E42 — 2005 公路工程集料試驗規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2005.

[9] 中華人民共和國交通部.JTG_F40 — 2004 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

Effect of Same Volume Substitution of Mineral Powder by Graphite on Asphalt Mixture Performance

WANGJun1ZHUANGDaxin2ZHUXiang2

(1. Jiangsu Guangjing Xicheng Expressway Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214191, China;2. Traffic Institute of Southeast China University, Nanjing 210096, China)

Take AC-20 as an example, dynamic stability, freeze-thaw splitting as well as low temperature bending tests were conducted in the case of no obvious change of its gradation to check the high and low temperature performance and water stability of asphalt mixture performance changes, when graphite replaced the same volume part of the mineral powder. Test results indicated that replacing same volume mineral powder with graphite could improve the high-temperature performance of asphalt mixture but reduce low temperature performance and water stability, so the suggested substitution proportion should be 20%～55%.

asphalt mixture; graphite; high-temperature stability; water-stability

2015-01-10

國家自然科學(xué)基金項目“改性瀝青混凝土路面再生利用技術(shù)研究”(50878054)

王軍(1976 — )，男，工程師，研究方向為路面結(jié)構(gòu)計算及分析。

U414

A

1673-1980(2015)05-0111-04