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    添加改性水庫淤泥的瀝青混凝土路用性能

    2016-11-15 07:50:08張華陳金山張斌
    關(guān)鍵詞:抗水漿體穩(wěn)定度

    張華,陳金山,張斌

    ?

    添加改性水庫淤泥的瀝青混凝土路用性能

    張華1,陳金山2,張斌3

    (1.福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,福建 福州 350003; 2.福州農(nóng)林大學(xué) 交通與土木工程學(xué)院,福建 福州 350003; 3.福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院交通所,福建 福州 350003)

    采用密級(jí)配瀝青混凝土,先調(diào)制出0%、5%、10%、20%、N10%(本段的比例為改性淤泥添加量在拌合瀝青漿體中的重量百分比,N10%為添加未改性水庫淤泥者)五種拌合瀝青漿體,再以這五種瀝青漿體制作馬歇爾試件,進(jìn)行各項(xiàng)瀝青混凝土工程性質(zhì)試驗(yàn),評(píng)估改性水庫淤泥添加于瀝青路面的可行性,并比較添加量不同的影響,以及改性水庫淤泥及未改性水庫淤泥在等量添加條件下,觀察兩者在試驗(yàn)性能的差異.綜合試驗(yàn)結(jié)果,先將改性水庫淤泥與瀝青拌合,添加量越多使瀝青漿體工作性降低,漿體包裹骨材不易且不均勻,粒料間黏結(jié)力下降,進(jìn)而影響到各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn).添加改性水庫淤泥后,馬歇爾穩(wěn)定度略微提升,流值則隨著添加量增加而下降,回彈模量則是隨著添加量增加而上升,Cantabro磨耗率也因添加量增加而上升.在不同水侵害天數(shù)殘余強(qiáng)度試驗(yàn)中,可看出改性水庫淤泥添加后提升抗水侵害能力.改性水庫淤泥添加量控制在5%~10%則會(huì)收到較佳的抗水侵害效果,又不至于使各項(xiàng)試驗(yàn)性能下降.改性水庫淤泥確實(shí)比未改性者更能在瀝青路面中提升抗水侵害能力.

    密級(jí)配瀝青混凝土; 改性水庫淤泥; 抗水侵害; 道路工程

    0 引言

    近年來,為提升瀝青路面的性能,主要有瀝青結(jié)合料改性及探討路面骨材粒料性質(zhì)等研究方向[1].在氣候環(huán)境不利于瀝青路面的情況下,公路排水設(shè)計(jì)若不完善,水分殘留在瀝青混凝土孔隙中,浸泡時(shí)間拉長會(huì)造成剝脫現(xiàn)象產(chǎn)生,引起結(jié)構(gòu)性的破壞.因此要改善水侵害,在道路設(shè)計(jì)時(shí)要考慮路面坡度及排水設(shè)計(jì),或是采用排水級(jí)配瀝青混凝土,亦可添加抗剝落劑使瀝青包裹粒料不易受水侵害而剝落.黏土礦物容易吸水,工程上也視其為麻煩,特別是具有膨脹性質(zhì)的黏土,吸水后可膨脹數(shù)倍,破壞原先所凝聚的型態(tài),進(jìn)而影響工程性質(zhì),所以工程上不以黏土當(dāng)細(xì)粒料使用.改性水庫淤泥在應(yīng)用上,膨脹性黏土可燒制成輕質(zhì)骨材,然而每年產(chǎn)量有限,對(duì)水庫淤泥的應(yīng)用與減量效果不明顯;若能將膨脹性黏土易于吸水的表面,經(jīng)由改性劑改變?yōu)閰捤砻妫瑫r(shí)除去對(duì)混凝土有害的陽離子,黏土將成為內(nèi)部不吸水且穩(wěn)定的顆粒,成為減少水庫淤泥淤積的應(yīng)用方法之一.盡管國內(nèi)外對(duì)水庫淤泥用于輕質(zhì)骨材進(jìn)行了大量的研究[2- 7],但將水庫淤泥應(yīng)用于瀝青混合料中來改善其水穩(wěn)定性的研究報(bào)道較少.

    1 試驗(yàn)材料及研究方法

    本研究首先對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行基本物理特性試驗(yàn),檢驗(yàn)所用的粗、細(xì)骨材及瀝青黏結(jié)料是否合乎規(guī)范.骨材級(jí)配采用ASTM D3515密級(jí)配規(guī)范中最大公稱粒徑為19 mm的級(jí)配,瀝青黏結(jié)料則以AC- 20(瀝青黏度分級(jí))作為原始瀝青結(jié)合料,與不同添加量的改性水庫淤泥進(jìn)行拌合,制成0%(原始AC- 20瀝青)、5%、10%、20%、N10%(為添加未改性水庫淤泥)等五種瀝青漿體,經(jīng)過馬歇爾配合比設(shè)計(jì)制成試件后,再進(jìn)行膠漿黏度試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度與流值試驗(yàn)、間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、不同天數(shù)殘余強(qiáng)度試驗(yàn)、Cantabro磨耗試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn)評(píng)估添加改性水庫淤泥對(duì)瀝青混凝土的性能影響.

    1.1 改性水庫淤泥

    本研究試驗(yàn)所采用的水庫淤泥,主要采三峽水庫.由三峽水庫淤泥砂的特性分析得知,其平均含水量約在35%~100%之間,孔隙比則介于0.9%~2.5%間.其物理特性及土壤成分組成如表1.

    表1 水庫淤泥的物理特性

    經(jīng)由國內(nèi)外學(xué)者研究[5- 8],將原始水庫淤泥進(jìn)行改性后,成為具有防水透氣功能的改性水庫淤泥,并制成防水建材在市面販?zhǔn)?改性與未改性水庫淤泥,兩者外觀上有色差,改性水庫淤泥偏土黃色,未改性水庫淤泥則偏灰色;氣味方面,改性水庫淤泥有水泥粉的氣味,未改性則無明顯氣味.

    1.2 拌合機(jī)制建立

    由于改性水庫淤泥與瀝青拌合并無詳細(xì)規(guī)范可依循,故本研究計(jì)劃依參考文獻(xiàn)中所提及的添加料與瀝青拌合方式建議,添加料與瀝青拌合適當(dāng)?shù)陌韬蠗l件為:高溫、高速、長時(shí)間,以期添加物均勻散布於瀝青黏結(jié)料之中.除上述條件外,于拌合前先將改性水庫淤泥進(jìn)行篩分析,取出通過0.075 mm篩網(wǎng)的改性水庫淤泥進(jìn)行拌合工作,采用極細(xì)的粒料是為達(dá)到均勻散布的目的,故本研究計(jì)劃將拌合條件控制在下列四點(diǎn),進(jìn)行改性水庫淤泥與瀝青拌合.

    (1)拌合過程溫度控制在(150±5)℃;

    (2)瀝青漿體每次拌合時(shí)間3 h;

    (3)攪拌器轉(zhuǎn)速維持在2 000~3 000 r/min;

    (4)拌合用的改性水庫淤泥都為通過0.075 mm篩網(wǎng)的極細(xì)粒料.

    改性水庫淤泥與瀝青的拌合方法:首先以式(1)計(jì)算出欲拌合比例所需的瀝青黏結(jié)料及改性淤泥重量;再將燒瓶、瀝青結(jié)合料、改性淤泥三者置入烘箱(150℃)加熱1 h;再將瀝青黏結(jié)料與改性淤泥倒入燒瓶內(nèi),燒瓶置于溫控加熱組合中,溫度控制在(150±5)℃;再將攪拌器放于燒杯中以轉(zhuǎn)速2 000~3 000 r/min,持續(xù)攪拌,如此進(jìn)行3 h后完成新瀝青漿體拌合工作.拌合的比例計(jì)算則是采用瀝青的重量百分比,公式如下:

    (1)

    式中:W為新拌瀝青結(jié)合料所含添加物比例,Asphalt為瀝青,本研究采用AC- 20.Additives為添加物,本研究添加物為改性水庫淤泥.

    2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

    2.1 馬歇爾配合比設(shè)計(jì)的結(jié)果

    本次研究采用馬歇爾配合比設(shè)計(jì),根據(jù)NAPA TAS- 14決定最佳瀝青含量.其要求項(xiàng)目包含VMA、VFA、孔隙率、馬歇爾穩(wěn)定度,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

    表2 密級(jí)配馬歇爾配合比設(shè)計(jì)要求與結(jié)果

    2.2 馬歇爾穩(wěn)定度及流值試驗(yàn)結(jié)果

    本研究馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如圖1,五種拌合瀝青漿體制成的試件都符合規(guī)范需求,圖中可看出在添加改性水庫淤泥后,穩(wěn)定度略微提升.5%穩(wěn)定度僅比未添加淤泥的微幅提升,但添加量增加到10%時(shí),提升了約2 kN,應(yīng)是拌合后的瀝青漿體中含有改性淤泥成分,增加了試件中填充料比例,使穩(wěn)定度提升;而添加量增加到20%時(shí),穩(wěn)定度并沒有再繼續(xù)明顯的增加,大致與10%的結(jié)果相似,原因是改性淤泥添加量增多時(shí),相對(duì)的瀝青漿體中原始瀝青成分越來越低,使拌合后瀝青漿體工作性下降,瀝青漿體和骨材越來越難以拌合,造成包裹粒料不均勻,試件穩(wěn)定度下降.因此,若添加量再增加,會(huì)使穩(wěn)定度的趨勢漸走下坡.改性水庫淤泥與未改性水庫淤泥兩者於同添加量條件下,以改性水庫淤泥的成效較佳,應(yīng)是未改性淤泥無法有效散布在拌合后瀝青漿體裡,使得試驗(yàn)結(jié)果并不顯著,接近未添加淤泥的試件的結(jié)果;而改性水庫淤泥在經(jīng)過改性后,分子結(jié)構(gòu)上呈親油性,故在拌合過程中較能有效散布在瀝青漿體里,相較之下試驗(yàn)結(jié)果會(huì)有影響.

    圖1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

    本研究流值試驗(yàn)結(jié)果如圖2,改性淤泥添加量20%的瀝青漿體制成的試件流值最低,僅高于規(guī)范值下限,若再將添加量提升,將會(huì)使流值過低導(dǎo)致試件易龜裂或崩離.

    圖2 馬歇爾流度值試驗(yàn)結(jié)果

    2.3 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

    圖3為間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,未添加淤泥漿體的瀝青混凝土其間接抗拉強(qiáng)度值最大,其余四者張力值明顯下降,下降程度并無一定規(guī)律.主因應(yīng)是在拌合過后瀝青漿體的工作性下降,造成骨材無法有效被瀝青漿體包裹,粒料間的黏結(jié)力比原始AC- 20瀝青差,進(jìn)而影響了間接抗拉強(qiáng)度的表現(xiàn).

    圖3 間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

    2.4 不同天數(shù)的殘余強(qiáng)度比值(TSR)試驗(yàn)結(jié)果

    2.4.1 添加不同比例改性淤泥瀝青混凝土的TSR值比較

    本節(jié)探討添加改性淤泥的瀝青漿體對(duì)瀝青混凝土抗水侵害能力的影響,與未添加淤泥瀝青漿體的瀝青混凝土作比較,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示.四種瀝青混凝土在水侵害1 d后的殘余強(qiáng)度值仍都在70%之上,但在浸泡天數(shù)拉長后,可看出含有改性淤泥的瀝青漿體的瀝青混凝土試件,在TSR值表現(xiàn)上優(yōu)于0%瀝青混凝土.未添加淤泥瀝青混凝土在浸泡1 d后TSR值為88%,浸泡1~3 d,TSR值下降至68.74%,出現(xiàn)明顯落差,而浸泡3~7 d后趨于平緩,下降至59.92%;5%及10%瀝青混凝土兩者曲線相近,在浸泡1 d后TSR值分別為92.37%、91.63%,浸泡1~3 d,TSR值分別下降至80.88%、84.34%,而浸泡3~7 d分別下降至70.08%、72.87%,隨著浸泡天數(shù)增加,兩者TSR下降程度平緩且穩(wěn)定,而10%瀝青混凝土在浸泡時(shí)間拉長后性能比5%好;20%瀝青混凝土在浸泡1 d后出現(xiàn)了較大落差,TSR值降至78.19%,浸泡1~3 d,TSR值下降至73.89%,而浸泡3~7 d后下降至69.15%,雖然在浸泡1 d后,TSR值表現(xiàn)差于其他三者,但時(shí)間拉長后,明顯下降趨勢相當(dāng)平緩,推測應(yīng)是添加改性水庫淤泥量過多,瀝青混凝土內(nèi)骨材黏結(jié)力差,但隨著時(shí)間拉長,試件中喪失黏結(jié)效果粒料已大部分破壞、剝落,剩下粒料受到瀝青漿體包裹較完整,再輔以改性水庫淤泥特性,故下降幅度才于於平緩.整體而言,改性水庫淤泥添加確實(shí)可以幫助抵抗水侵害,但并不會(huì)完全隨著比例提高而增加性能,添加量過高會(huì)使瀝青漿體工作性下降,瀝青混凝土內(nèi)部黏結(jié)力變差,故添加量須控制在10%之下,才能夠兼顧提升抗水侵害能力及瀝青漿體黏結(jié)力.

    圖4 不同浸泡天數(shù)殘余強(qiáng)度

    2.4.2 未改性淤泥與改性淤泥瀝青混凝土的TSR值比較

    探討添加未改性水庫淤泥與改性水庫淤泥對(duì)瀝青混凝土在抗水侵害能力上是否有差異,圖5為試驗(yàn)結(jié)果.0%為 AC- 20瀝青混凝土,10%為添加改性水庫淤泥10%的瀝青混凝土,N10%為添加未改性水庫淤泥10%的瀝青混凝土,三者在於浸泡1 d后的殘余強(qiáng)度值都在70%之上,但在浸泡天數(shù)拉長后,可看出添加改性水庫淤泥的瀝青混凝土TSR值表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他兩者.0%瀝青混凝土在浸泡1 d后TSR值為88%,浸泡1~3 d,TSR值下降至68.74%,出現(xiàn)較大落差,而浸泡3~7 d后趨於平緩,僅下降至59.92%;10%瀝青混凝土在浸泡1 d后TSR值為91.63%,浸泡1~3 d后,TSR值為84.34%,而浸泡3~7 d后降至72.87%;N10%瀝青混凝土在浸泡1 d后TSR值劇降至75%,

    圖5 不同浸泡天數(shù)殘余強(qiáng)度

    2.4.3 不同浸泡天數(shù)間接抗拉強(qiáng)度值比較

    TSR僅以百分比來呈現(xiàn),不足以代表瀝青混凝土抗水侵害的強(qiáng)度數(shù)值,故此節(jié)比較所有間接抗拉強(qiáng)度值,分析抗水侵害能力.圖6為5種瀝青漿體的瀝青混凝土試件在水侵害后的間接抗拉強(qiáng)度.

    圖6 不同浸泡天數(shù)的間接抗拉強(qiáng)度

    隨著浸泡天數(shù)增加,原樣瀝青混凝土張力數(shù)值下降顯著,至第7 d僅剩9.24;5%瀝青混凝土間接抗拉強(qiáng)度值下降平緩,至第3 d過后間接抗拉強(qiáng)度值下降趨勢與未添加淤泥試件相近;10%瀝青混凝土間接抗拉強(qiáng)度值下降趨勢平緩,浸泡第3 d及第7 d間接抗拉強(qiáng)度值已比原樣瀝青混凝土高;20%瀝青混凝土於浸泡1 d后,間接抗拉強(qiáng)度值已降至10.72,比起 5%及10%的瀝青混凝土成效來得差,但隨著浸泡時(shí)間拉長,間接抗拉強(qiáng)度值并未加劇下降,反而逐漸平緩,浸泡第7 d時(shí),間接抗拉強(qiáng)度值高于原樣瀝青混凝土;由于未改性水庫淤泥并無抗水侵害效果,N10%瀝青混凝土間接抗拉強(qiáng)度數(shù)值在浸泡7 d后下降至8.11,為抗水侵害性能最差者.

    綜合以上分析,瀝青混凝土添加改性水庫淤泥后,TSR值確實(shí)有明顯改善,但若以間接抗拉強(qiáng)度值的角度分析,必須經(jīng)過長時(shí)間的水侵害后,間接抗拉強(qiáng)度值僅略高于原始瀝青混凝土,成效不明顯,推測應(yīng)于試驗(yàn)設(shè)計(jì)上做改善,使瀝青漿體黏結(jié)力不下降,亦能發(fā)揮改性淤泥特性.而添加未改性水庫淤泥的瀝青混凝土在本節(jié)各項(xiàng)性能都為最差,可見改性水庫淤泥比未改性水庫淤泥在抗水侵害能力上更具影響.

    2.5 Cantabro磨耗試驗(yàn)結(jié)果

    Cantabro磨耗試驗(yàn)主要用來評(píng)估路面抵抗輪胎磨損的能力,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示,含有改性水庫淤泥的瀝青漿體所制的試件,抗磨耗能力明顯較原樣瀝青混凝土差,未改性水庫淤泥的瀝青混凝土則是和原樣瀝青混凝土結(jié)果相近.

    圖7 Cantabro磨耗試驗(yàn)結(jié)果

    2.6 回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

    隨著改性水庫淤泥添加量增加,回彈模量上升趨勢顯著,如圖8推測原因?yàn)楦男运畮煊倌嗯cAC- 20瀝青拌合后對(duì)瀝青混凝土具加勁效果,因此添加量增加即反應(yīng)在回彈模量的數(shù)值上.而未改性水庫淤泥無法均勻散布在瀝青漿體中,其試件回彈模量僅比原樣瀝青混凝土略為提升.

    圖8 回彈模量試驗(yàn)結(jié)果

    3 結(jié)論

    本研究為比較不同改性水庫淤泥添加量的瀝青漿體用于密級(jí)配瀝青混凝土中,進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn),探討改性水庫淤泥是否能提升瀝青混凝土抗水侵害能力;另外再以改性水庫淤泥與未改性水庫淤泥添加於瀝青混凝土中,比較其性能,觀察改性前后材料差異.試驗(yàn)分析結(jié)論如下:

    (1)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果顯示,添加改性水庫淤泥后,穩(wěn)定度略微提升,推測是填充料成分增加所帶來的效果.但由10%與20%兩者穩(wěn)定度結(jié)果來看,添加量提升而穩(wěn)定度卻未見提升,推測應(yīng)是拌合后的瀝青漿體工作性下降,瀝青漿體中原始瀝青的成分相對(duì)降低,使瀝青漿體和骨材越來越難以拌合,造成包裹粒料不均勻,使得試件穩(wěn)定度下降.而改性淤泥與未改性淤泥效果,在同比例的情況下,其穩(wěn)定度并未出現(xiàn)顯著差異性;

    (2)馬歇爾流值試驗(yàn)結(jié)果可見,隨著改性水庫淤泥添加比例增高,流值下降越多,應(yīng)是瀝青漿體中原始瀝青比例變低所致.其中改性水庫淤泥添加量20%的瀝青漿體制成的試件流值最低,若再將添加量提升,將會(huì)使流值過低導(dǎo)致試件龜裂或崩離;

    (3)從間接抗拉強(qiáng)度值試驗(yàn)結(jié)果來看,未添加淤泥的瀝青混凝土其間接抗拉強(qiáng)度值最大,間接抗拉強(qiáng)度值高達(dá)1.54 MPa,其余四者間接抗拉強(qiáng)度值明顯下降,在1.3~1.4 MPa之間,但下降程度并無一定規(guī)律.推測應(yīng)是瀝青漿體工作性下降,造成包裹粒料不均,進(jìn)而影響了張力值的表現(xiàn);

    (4)由不同天數(shù)殘余強(qiáng)度結(jié)果可推斷,添加改性水庫淤泥后,具防止水侵害的效用.經(jīng)長期水侵害后,5%、10%、20%三種添加改性淤泥的試件,在殘余強(qiáng)度表現(xiàn)上優(yōu)于未添加的試件,說明添加改性水庫淤泥后,可防止試件產(chǎn)生剝脫行為.而改性與未改性水庫淤泥在添加等量的條件下,其殘余強(qiáng)度表現(xiàn)上由添加改性水庫淤泥者較好,可見改性后成效;

    (5)從Cantabro磨耗試驗(yàn)結(jié)果看出,隨著改性淤泥添加量增加,越易受到磨耗破壞.由于改性淤泥增加,使拌合后瀝青漿體工作性較差,漿體包裹粒料不均,骨材黏結(jié)力變低,在受到外力作用時(shí)易剝離;

    (6)回彈模量隨著改性水庫淤泥添加量增加,其上升趨勢顯著.改性淤泥添加使瀝青漿體具加勁效果,故添加量多少即反應(yīng)在回彈模量的數(shù)值.未改性水庫淤泥無法均勻散布在瀝青漿體中,試件的回彈模量僅略微提升;

    (7)改性水庫淤泥與瀝青拌合后的漿體會(huì)使工作性下降,使得各項(xiàng)試驗(yàn)性能表現(xiàn)較差,僅在不同天數(shù)抗水侵害符合預(yù)期效果.因此,若欲先將改性淤泥與瀝青作拌合工作,建議將添加量控制在5%~10%,其試件可獲得較佳的抗水侵害效果,同時(shí)又不至于因?yàn)r青漿體工作性下降過多影響其他試驗(yàn)性能.

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    ZHANG Hua1,CHEN Jinshan2,ZHANG Bin3

    (1.Fuzhou City Planning Design and Research Institute,Fuzhou 350003,China; 2.Schol of Transport and Civil Engineering, Fuzhou Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350003,China; 3.Transit in Fuzhou City Planning Design and Research Institute,Fuzhou 350003,China)

    Using dense gradation asphalt concrete with diffrent additions of unmodified reservoir silt,five kinds of asphalt slurry system are used for making Marshall specimens,the engineering properties of the asphalt concrete are tested to assess the feasibility of the modified reservoir silt add in asphalt,and compare the influence of different addition,silt and unmodified and modified reservoir reservoir silt under the condition of equal amounts add.Comprehensive test results show that the slurry aggregate is not easy and uneven.After adding modified reservoir silt,Marshall stability is slightly ascended,and the flow value is decreased with the increase of adding amount.The modulus of resilience is increased with increasing the adding quantity,and cantabro abrasion rate also increased with increasing the adding amount.The modified reservoir silt content in 5%~10% can receive better anti water damage effect,and it is better than the unmodified one to resist water damage in asphalt pavement.

    dense gradation asphalt concrete;modified reservoir silt;resistance to water;road engineering

    1673- 9590(2016)02- 0077- 06

    2015- 01- 19

    重慶交通大學(xué)國家山區(qū)公路工程開放基金資助項(xiàng)目(20131416)

    張華(1985-),男,碩士研究生,從事路基路面工程、道路材料的研究E-mail:beidacaizi@yeah.net.

    A

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