海藻酸鈣膠囊對鋼渣瀝青混凝土水穩(wěn)定性的影響

任永勝，許海濤，萬 沛，劉全濤，段 磊，胡 斐

(1.內(nèi)蒙古高等級公路建設(shè)開發(fā)有限責(zé)任公司，呼和浩特 010050；2.中交第一公路工程局有限公司，北京 100024；3.武漢理工大學(xué)，武漢 430070)

隨著我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步增長，全國公路里程在2018年就達(dá)到484.65萬公里，高速公路里程達(dá)到14.26萬公里[1]。瀝青路面由于兼具行車舒適、養(yǎng)護(hù)簡便、通行安全等優(yōu)點(diǎn)，在我國公路中所占比例高達(dá)95%。然而瀝青路面經(jīng)歷一段服役時(shí)間后，在一系列惡劣的環(huán)境(紫外光照射、極端低溫、連續(xù)超重行車荷載)的作用下，會(huì)出現(xiàn)裂縫和老化的路面問題[2,3]。

目前國內(nèi)解決微小宏觀裂縫問題主要采取霧封層、刮涂式封層、灌縫等養(yǎng)護(hù)方法修復(fù)裂縫[4]。但是上述方法是在瀝青路面服役一段時(shí)間后出現(xiàn)裂縫時(shí)采取的人為被動(dòng)修復(fù)手段，并未從根本上解決瀝青老化這一關(guān)鍵問題。目前的單一熱誘導(dǎo)(電磁感應(yīng)誘導(dǎo)加熱、微波誘導(dǎo)加熱、紅外誘導(dǎo)加熱)技術(shù)[5-7]雖然能加速瀝青路面微裂縫的愈合，但是仍然無法解決瀝青老化這一歷史性難題。自愈合膠囊技術(shù)成功的解決了這一難題，通過膠囊內(nèi)部再生劑的應(yīng)力釋放，在微裂縫出現(xiàn)的初期，對裂縫形成區(qū)域進(jìn)行定向修復(fù)愈合和老化瀝青的原位再生，從而同時(shí)在力學(xué)性能和化學(xué)組成兩方面完成恢復(fù)，初步實(shí)現(xiàn)瀝青路面的智能自愈合與智能預(yù)養(yǎng)護(hù)。

我國的一些地區(qū)雨水季節(jié)較多，這使得瀝青路面常常處于雨水沖刷的惡劣條件下，從而導(dǎo)致掉粒、松散和坑槽等病害接連發(fā)生，其主要原因就是瀝青路面在雨水澆灌和連續(xù)交通荷載的環(huán)境下，瀝青混凝土內(nèi)部空隙進(jìn)入大量的水，從而形成一定的水壓，使得瀝青與集料之間表面出現(xiàn)脫落，導(dǎo)致集料之間的粘結(jié)性降低而發(fā)生松散。膠囊恰好處于瀝青與集料之間部位。因此，十分有必要探究包含膠囊的瀝青混凝土的水穩(wěn)定性能。

張雷[8]合成了不同水油比的葵花籽油海藻酸鈣膠囊，并對路用性能進(jìn)行了初步研究?？紤]到張雷只用一種葵花籽油作為再生劑合成膠囊，并未考慮到使用其它再生劑合成膠囊。

該文在此研究基礎(chǔ)上，沿用離子交換法和銳孔法制備了油水比1∶10的包含三種不同再生劑的海藻酸鈣膠囊，并且對摻雜著三種膠囊的鋼渣瀝青混凝土的水穩(wěn)定性進(jìn)行探究，為自愈合膠囊在鋼渣瀝青路面的實(shí)際應(yīng)用提供可靠的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料

1)制備膠囊所用的海藻酸鈉、氯化鈣、吐溫80均來自國藥集團(tuán)，植物油選用金龍魚集團(tuán)生產(chǎn)的葵花籽油。

2)實(shí)驗(yàn)所用瀝青為基質(zhì)70號瀝青，其三大指標(biāo)如表1所示。

表1 基質(zhì)70號瀝青的三大指標(biāo)

3)實(shí)驗(yàn)所用鋼渣產(chǎn)自內(nèi)蒙包頭鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，鋼渣經(jīng)人工篩分為四檔(0～2.36 mm、2.36～4.75 mm、4.75～9.6 mm、9.6～16 mm)。

1.2 方法

1.2.1 含不同再生劑的海藻酸鈣自愈合膠囊的制備

制備出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%的海藻酸鈉溶液，按水油比1∶10分別加入等量的植物油、地溝油和工業(yè)再生劑，然后再加入一定量的吐溫80，剪切至分散均勻，轉(zhuǎn)入到分液漏斗中，逐滴滴入到質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%CaCl2溶液中，待其反應(yīng)完全后，將濕膠囊置于25 ℃的通風(fēng)干燥箱中干燥48 h。

1.2.2 含不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土的制備

采用AC-13全鋼渣級配制備包含不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土試件，各檔集料含量為22%(0～2.36)、20%(2.36～4.75)、27%(4.75～9.5)、27%(9.5～16)，礦粉占4%，油石比為4.8%，膠囊摻量為鋼渣瀝青混凝土總質(zhì)量的5%。

2 結(jié)果與分析

2.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

該文將不摻膠囊的鋼渣瀝青混凝土和三種含膠囊的鋼渣瀝青混凝土的兩組標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件分別放在60 ℃的水中浸泡30 min和48 h，然后利用馬歇爾試驗(yàn)儀分別測試兩組試件的馬歇爾穩(wěn)定度，將兩組馬歇爾穩(wěn)定度按照式(1)計(jì)算出比值，其比值即為馬歇爾殘留穩(wěn)定度。其結(jié)果如圖1所示。

(1)

式中，MS0為浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度(%)；MS1為浸水48 h穩(wěn)定度(kN)；MS為浸水30 min穩(wěn)定度(kN)。

由圖1可知，與普通鋼渣瀝青混凝土相比，三種摻雜不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土的殘留穩(wěn)定度均呈現(xiàn)下降趨勢，出現(xiàn)此種現(xiàn)象可能是膠囊的摻入破壞了鋼渣瀝青混凝土內(nèi)部鋼渣之間的嵌擠結(jié)構(gòu)，使其孔隙率增加，反而使其強(qiáng)度降低。與普通鋼渣瀝青混凝土相比，三種摻雜不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土的浸水殘留穩(wěn)定度也依次降低，但都滿足施工規(guī)范要求的75%。出現(xiàn)此種現(xiàn)象可能是膠囊的混入致使鋼渣瀝青混凝土孔隙率增加，致使更多水分進(jìn)入瀝青混凝土內(nèi)部，從而使強(qiáng)度下降得更快。綜合圖1可知，相比地溝油膠囊和工業(yè)再生劑膠囊，包含植物葵花籽油膠囊的鋼渣瀝青混凝土的穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度下降速度最慢。

2.2 劈裂凍融試驗(yàn)

該文將不摻膠囊的鋼渣瀝青混凝土和三種含膠囊的鋼渣瀝青混凝土的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件分成兩組，一組先進(jìn)行真空飽和水浸泡，在真空度為97.3～98.7 kPa(730～740 mmHg)條件下保持15 min；然后打開恢復(fù)常壓，試件在水中放置0.5 h，取出試件放入塑料袋中，加入約10 mL的水，扎緊袋口，將試件放入恒溫冰箱，溫度設(shè)置為-20 ℃，恒溫16 h，然后將試件取出，迅速放入已保溫為60 ℃的恒溫水槽中，保溫24 h。另外一組，不做任何處理，與第一組浸入25 ℃的恒溫水槽中不少于2 h，保溫時(shí)試件之間的距離不少于10 mm。保溫結(jié)束后立即用馬歇爾測試儀進(jìn)行測試，然后按照公式(2)計(jì)算出凍融劈裂比。結(jié)果如圖2所示。

RT1=0.006 287PT1/h1

RT2=0.006 287PT2/h2

(2)

式中,TSR為凍融劈裂實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度比；RT1為未經(jīng)受凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度(MPa)；RT2為經(jīng)受凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度(MPa)；PT1為未受凍融循環(huán)試件試驗(yàn)荷載值(N)；PT2為受凍融循環(huán)試件試驗(yàn)荷載值(N)；h1為未受凍融循環(huán)試件的高度(mm)；h2為受凍融循環(huán)試件的高度(mm)。

由圖2可知，與普通鋼渣瀝青混凝土相比，三種摻雜不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土的未經(jīng)受凍融循環(huán)試件劈裂抗拉強(qiáng)度和經(jīng)受凍融循環(huán)試件劈裂抗拉強(qiáng)度都呈下降趨勢且都低于初始值。三種摻雜不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土的凍融劈裂殘留比也依次小幅降低，含植物葵花籽油膠囊的鋼渣瀝青混凝土的凍融殘留比下降的最少，但都滿足施工規(guī)范要求。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是膠囊的摻入使得鋼渣瀝青混凝土內(nèi)部孔隙率有所增大，進(jìn)入內(nèi)部的水分增加，致使在受凍條件下，所受的因水分結(jié)冰引起的應(yīng)力有所增加，從而導(dǎo)致其凍融殘留比下降。

3 結(jié) 論

a.與普通鋼渣瀝青混凝土相比，三種摻雜不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土的穩(wěn)定度均呈現(xiàn)下降趨勢；三種摻雜不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土的浸水殘留穩(wěn)定度也依次降低，但都滿足施工規(guī)范要求的75%，含植物葵花籽油膠囊的鋼渣瀝青混凝土的穩(wěn)定度和浸水穩(wěn)定度下降最慢。

b.與普通鋼渣瀝青混凝土相比，三種摻雜不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土的未經(jīng)受凍融循環(huán)試件劈裂抗拉強(qiáng)度和經(jīng)受凍融循環(huán)試件劈裂抗拉強(qiáng)度都呈下降趨勢且都低于初始值。三種摻雜不同膠囊的鋼渣瀝青混凝土的凍融劈裂殘留比也依次小幅降低，含植物葵花籽油膠囊的鋼渣瀝青混凝土的凍融殘留比下降最少。