填料種類對瀝青膠漿及瀝青混合料性能影響研究

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 山西 太原 030032)

0 引言

近年來，隨著瀝青路面的大規(guī)模發(fā)展，瀝青公路逐漸覆蓋我國大部分地區(qū)[1]。在早期的瀝青路面中，由于受到行車荷載和外界環(huán)境作用的影響，部分路面出現(xiàn)裂縫和車轍等病害，對道路運營的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重影響[2]。因此，進(jìn)一步改善瀝青混合料路用性能，對提升瀝青路面的使用壽命和降低養(yǎng)護(hù)成本具有重要意義[3]。

目前，已有學(xué)者采用在瀝青混合料中添加一定比例堿性材料的方法提升了其路用性能，并取得了優(yōu)良效果[4]。丁亞碧等[5]研究了礦粉摻量對紫外光老化后瀝青物理性能和化學(xué)組成的影響，證明了適量礦粉的摻入可提高瀝青的抗紫外光老化能力。游慶龍等[6]討論了在不同溫度梯度、不同粉膠比和不同填料細(xì)度級配影響下，瀝青膠漿所體現(xiàn)的黏彈性力學(xué)性能，證明了材料選擇和環(huán)境因素對瀝青膠漿流變性能有顯著影響。李萍等[7]通過分析摻加不同劑量消石灰及水泥瀝青混合料路用性能，得到摻加消石灰和水泥均能顯著提高瀝青混合料的高、低溫性能。張艷等[8]對粉煤灰作填料的瀝青混合料的性能進(jìn)行了試驗與應(yīng)用研究，證明了粉煤灰瀝青混合料路面狀況優(yōu)異，各項檢測性能良好，均符合規(guī)范要求。實際工程中填料大多以礦粉為主，但堿性材料存在多樣性，如消石灰、水泥和粉煤灰等均可作為填料使用，而上述研究的填料相對單一，缺乏比較性?；诖耍疚膹臑r青膠漿和瀝青混合料2個方面，對比分析了水泥、礦粉、消石灰和粉煤灰4種填料對瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗選用70號瀝青作為瀝青膠結(jié)料，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)范要求進(jìn)行性能測試，檢驗結(jié)果如表1所示。

表1 70號瀝青性能指標(biāo)類別15 ℃密度/(g·cm-3)軟化點/℃15 ℃延度/cm閃點/℃25 ℃針入度/(0.1 mm)老化后質(zhì)量變化/%25 ℃殘留針入度比/%10 ℃殘留延度/cm規(guī)范要求—≥46≥100≥26060～80-0.8～0.8≥61≥6檢驗結(jié)果1.02848.216029172.50.2778.37.9

1.2 集料

粗集料采用玄武巖碎石，表觀密度為2.81 g/cm3，壓碎值為13.8%，針片狀含量4.2%。細(xì)集料采用天然細(xì)砂，表觀密度為2.72 g/cm3，含泥量為2.6%，砂當(dāng)量為42.7%。

1.3 填料

選擇4種常見填料進(jìn)行試驗研究:

1) P.O42.5普通硅酸鹽水泥:表觀密度2.71 g/cm3，28d的抗壓和抗折強(qiáng)度分別為43.5、7.4 MPa。

2) 礦粉:表面無團(tuán)粒結(jié)塊，呈粉狀，表觀密度2.672 g/cm3，含水量0.4%。

3) 消石灰:表面無團(tuán)粒結(jié)塊，表觀密度2.77 g/cm3，氫氧化鈣含量為96%。

4) 粉煤灰:表觀密度2.76 g/cm3，含水量0.5%。

4種填料均采用篩徑為0.075 mm的方孔篩進(jìn)行過篩處理，以降低填料細(xì)度對試驗結(jié)果的影響。4種填料主要化學(xué)成分如表2所示。

表2 不同填料主要化學(xué)成分質(zhì)量百分比%填料種類CaOSiO2Al2O3Fe2O3MgOSiO3水泥42.229.713.23.51.52.9礦粉51.64.22.10.41.40.2消石灰71.42.60.70.30.90.3粉煤灰4.154.328.44.30.70.7

2 試驗方案及配合比設(shè)計

2.1 試驗方法

試驗參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中之T0628—2011規(guī)范要求進(jìn)行，從瀝青膠漿和瀝青混合料2個方面綜合考慮填料種類對其性能的影響。不同填料制備的瀝青膠漿高溫性能主要通過分析延度和軟化點指標(biāo)進(jìn)行評價。瀝青混合料高溫性能通過車轍試驗進(jìn)行評價；低溫抗裂性能通過半圓彎曲試驗進(jìn)行評價;水穩(wěn)定性能通過凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗進(jìn)行評價。

2.2 配合比設(shè)計

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)范要求，礦料級配設(shè)計采用AC-13C級配。本文主要研究填料種類對瀝青混合料的影響，填料用量通過粉膠比進(jìn)行確定，粉膠比為0.8，根據(jù)填料密度對不同填料種類進(jìn)行等體積置換，以準(zhǔn)確評價不同填料種類的影響程度。AC-13C級配設(shè)計如表3所示。

表3 AC-13C混合料級配設(shè)計類別通過以下篩孔(mm)的質(zhì)量百分比/%16.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限100100856850382820158下限100906838241510 7 54目標(biāo)級配10096834837272013 97

3 瀝青膠漿性能分析

為研究填料種類對瀝青膠漿性能的影響，通過制備不同填料種類的相同粉膠比瀝青膠漿，分別進(jìn)行針入度、延度及軟化點試驗，并對不同填料種類的瀝青膠漿高溫性能進(jìn)行對比分析，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同種類填料瀝青膠漿性能指標(biāo)填料種類25 ℃針入度/(0.1 mm)15 ℃延度/cm軟化點/℃水泥26.244.647.9礦粉26.846.354.5消石灰18.291.265.8粉煤灰29.362.765.2

由表4可知，不同填料種類對瀝青膠漿的高溫性能影響具有一定差異性，其中采用消石灰作為填料的瀝青膠漿延度和軟化點均要大于其他填料的，說明4種填料中消石灰提升瀝青膠漿的高溫性能效果較優(yōu)。采用粉煤灰作為填料的瀝青膠漿延度和軟化點低于消石灰的，但均要高于水泥和礦粉的。而采用水泥和礦粉作為填料的瀝青膠漿針入度、延度和軟化點相對較小。由此可知，對于改善瀝青膠漿的高溫性能而言，4種填料的提升效果依次為：消石灰>粉煤灰>礦粉>水泥。

4 瀝青混合料性能分析

為研究填料種類對瀝青混合料路用性能的影響，以我國常用的礦粉填料作為基準(zhǔn)，分別制備采用消石灰、水泥和粉煤灰作為填料的瀝青混合料試件作為對照組，對比研究了不同填料種類對瀝青混合料水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性的影響規(guī)律。

4.1 水穩(wěn)定性

對采用不同填料制備的瀝青混合料試件分別進(jìn)行凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，并針對瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比和殘留穩(wěn)定度比變化情況展開對比分析，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 瀝青混合料水穩(wěn)定性變化曲線

由圖1可知，不同填料對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響不同，其中采用礦粉制備的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度比為78.7%，采用消石灰和粉煤灰替代礦粉后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比分別提升了5.6%和0.5%，消石灰的改善效果相對顯著;而采用水泥替代后，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比有所下降。采用礦粉制備的瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比為77.2%，而采用消石灰、粉煤灰和水泥代替礦粉后，瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均得到不同程度的提高，分別提高了13.3%、7.1%和2.4%，其中消石灰的改善效果顯著，其次是粉煤灰，水泥的提升效果相對較小。綜合來看，采用消石灰和粉煤灰作為填料對于提升瀝青混合料水穩(wěn)定性能的效果要優(yōu)于礦粉，而采用水泥替代礦粉對于改善瀝青混合料水穩(wěn)定性能的效果不大。

4.2 高溫性能

對采用不同填料制備的瀝青混合料試件進(jìn)行車轍試驗，并對瀝青混合料的動穩(wěn)定度變化情況展開對比分析，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性變化曲線

由圖2可知，不同填料制備的瀝青混合料動穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求(大于800次/mm)。其中礦粉制備的瀝青混合料動穩(wěn)定度為883次/mm，消石灰替代礦粉后，瀝青混合料的動穩(wěn)定度增大了464次/mm，消石灰作為填料對瀝青混合料高溫性能的改善效果顯著。采用粉煤灰替代礦粉后，瀝青混合料的動穩(wěn)定度增大了63次/mm，粉煤灰的改善效果較小。采用水泥替代礦粉后，瀝青混合料的動穩(wěn)定度減小了約40次/mm。綜合來看，采用消石灰和粉煤灰作為填料對于提升瀝青混合料高溫性能的效果要優(yōu)于礦粉，而采用水泥灰替代礦粉導(dǎo)致瀝青混合料高溫性能變差。

4.3 低溫抗裂性能

對采用不同填料制備的瀝青混合料試件進(jìn)行單次加載半圓彎曲試驗，并對低溫環(huán)境下瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度和斷裂能指數(shù)變化情況展開對比分析，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 瀝青混合料低溫抗裂性能變化曲線

由圖3可知，不同填料種類對瀝青混合料低溫抗裂性具有不同影響。采用消石灰替代礦粉后，瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度和斷裂能指數(shù)均較小;采用水泥替代礦粉后，瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度和斷裂能指數(shù)均要低于礦粉;采用粉煤灰替代礦粉后，瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度要低于礦粉，但斷裂能指數(shù)要優(yōu)于礦粉。綜合以上分析可知，4種填料中采用消石灰和水泥替代礦粉會導(dǎo)致瀝青混合料低溫抗裂性有所下降，而采用粉煤灰替代礦粉則在一定程度上可以提升瀝青混合料的低溫抗裂性。

5 結(jié)論

本文從瀝青膠漿和瀝青混合料2個方面，采用室內(nèi)試驗的方法，深入研究了水泥、礦粉、消石灰和粉煤灰4種填料對瀝青膠漿的高溫性能及瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1) 消石灰和粉煤灰替代礦粉均可有效改善瀝青膠漿的高溫性能，而水泥的作用要低于礦粉。

2) 消石灰和粉煤灰對瀝青混合料水穩(wěn)定性改善作用均要優(yōu)于礦粉，水泥的改善效果不大。

3) 消石灰和粉煤灰作為填料對于提升瀝青混合料高溫性能的效果要優(yōu)于礦粉，而水泥的效果低于礦粉。

4) 消石灰和水泥替代礦粉會導(dǎo)致瀝青混合料的低溫抗裂性下降，而粉煤灰可以增強(qiáng)瀝青混合料的低溫性能。

綜合來看，消石灰填料對于提升瀝青膠漿的性能和改善瀝青混合料的路用性能均要優(yōu)于其他3種填料。