凍融循環(huán)條件下外摻劑對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

李 萍, 毛 昱, 王 盟, 丁 樊, 瞿曉成

(1. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 甘肅省蘭州公路局, 甘肅 蘭州 730050)

我國西北大部分地區(qū)氣候冷熱交替，年平均氣溫低，早晚溫差大,凍融循環(huán)頻繁、劇烈且明顯,這種不利的環(huán)境引起了瀝青路面各種病害,其中受水損害易剝落的破壞特征表現(xiàn)得尤為突出[1-2].這主要因?yàn)闉r青混合料內(nèi)部存有三相體系的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),飽水且經(jīng)凍融循環(huán)作用后,溫度應(yīng)力致使內(nèi)部空隙體積增大、結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷,加之汽車荷載反復(fù)作用,損傷積累,瀝青混合料發(fā)生松散、剝落等病害,進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面承載力降低,水穩(wěn)定性能顯著下降[3-4].Little等[5]通過瀝青路面在循環(huán)荷載作用下的水穩(wěn)定性研究,表明水分的滲入降低了瀝青與集料的粘附性；Bhasin[6]通過計(jì)算含水狀況下瀝青與集料界面的表面能變化量,提出了瀝青混合料在受水損害時(shí)的參數(shù)變化閾值；Howsan等[7]通過擴(kuò)大表面能數(shù)據(jù)庫,提出可以通過外摻劑來改善瀝青混合料的水穩(wěn)性；Azarhoosh等[8]對不同外摻劑作用下的瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)性研究,結(jié)果表明,外摻劑能夠有效提高瀝青與集料的粘附性；Mccann等[9]采用超聲波能量加速的方法模擬水溫對瀝青混合料的影響,結(jié)果表明,瀝青混合料的水穩(wěn)定性能與凍融循環(huán)次數(shù)密切相關(guān)；鄭健龍等[10]通過凍融循環(huán)測試方法,測定瀝青混合料試件在含水狀況下內(nèi)部溫度變化與劈裂強(qiáng)度的關(guān)系,試驗(yàn)結(jié)果表明,瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增長而降低；李兆生等[11]基于Maxwell模型,分析瀝青混合料凍融循環(huán)損傷過程,結(jié)果表明,隨凍融循環(huán)次數(shù)增加,瀝青混合料內(nèi)部損傷積累,水穩(wěn)定性顯著下降.

從上述研究狀況看,瀝青混合料的水穩(wěn)定性與其含水狀況下的凍融循環(huán)條件密切相關(guān),而外摻劑能夠有效改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性.然而這些研究大多采用定性的試驗(yàn)手段或理論計(jì)算方法描述瀝青混合料水穩(wěn)定性隨凍融循環(huán)的變化特性,未對多種外摻劑作用下瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析.因此,本文以評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性為目的,模擬季凍區(qū)瀝青路面面層的實(shí)際溫度狀況,對經(jīng)有水泥、消石灰、橡膠粉以及有機(jī)高分子聚合物改性的瀝青混合料試件進(jìn)行不同凍融循環(huán)條件下的劈裂試驗(yàn),以期為瀝青路面的設(shè)計(jì)及施工提供一定的參考.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用的基質(zhì)瀝青為鎮(zhèn)海AH-90號(hào)道路石油瀝青,其基本技術(shù)指標(biāo)見表1,粗、細(xì)集料均采自蘭州市七里河區(qū)王家坪石料廠,集料中礦料的大部分組成成分為花崗巖,表面光滑、呈酸性且與瀝青的粘附性較差,經(jīng)力學(xué)試驗(yàn)測定其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的要求,見表2.此外,從環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、高效以及實(shí)用等方面考慮,本試驗(yàn)的外摻劑分別選用水泥、消石灰[12]、橡膠粉以及有機(jī)高分子聚合物(P-Ⅰ、P-Ⅱ和P-Ⅲ),其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)分別見表3～6.

表1 鎮(zhèn)海AH-90號(hào)石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 粗、細(xì)集料指標(biāo)測試結(jié)果

表3 有機(jī)高分子聚合物基本技術(shù)指標(biāo)

表4 消石灰基本技術(shù)指標(biāo)

表5 水泥基本技術(shù)指標(biāo)

表6 橡膠粉基本技術(shù)指標(biāo)

1.2 瀝青混合料級(jí)配類型

本文根據(jù)甘肅省常用典型瀝青路面結(jié)構(gòu)類型,分別選用AC-13和AC-16兩種級(jí)配類型的瀝青混合料[13],通過馬歇爾試驗(yàn)獲取其基本技術(shù)指標(biāo),均符合規(guī)范要求,配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表7,經(jīng)試驗(yàn)測得AC-13和AC-16的最佳油石比分別為5.0%和4.5%.

表7 瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)以評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性為目的,模擬季凍區(qū)瀝青路面面層的實(shí)際溫度狀況,測定不同外摻劑作用下瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比,具體方法如下：

1) 在確保粉膠比保持不變的前提下,運(yùn)用干法使水泥、消石灰代替部分礦粉,對AC-13和AC-16兩種類型混合料進(jìn)行摻配,通過車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)及浸水馬歇爾試驗(yàn),分別確定水泥和消石灰的最佳摻量；

2) 運(yùn)用濕法工藝將40目的橡膠粉和高分子聚合物分別摻入175 ℃的基質(zhì)瀝青中,采用油浴加熱,利用電子溫控儀自動(dòng)控溫,經(jīng)高速剪切法進(jìn)行改性,先后通過低溫小梁彎曲試驗(yàn)、瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)、瀝青延度試驗(yàn)以及瀝青彈性恢復(fù)試驗(yàn),分別確定橡膠粉和高分子聚合物的最佳摻量；

3) 按規(guī)程規(guī)定以擊實(shí)法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,為了與實(shí)際路面相符合,試件雙面擊實(shí)75次,確?？障堵士刂圃?%～5%[14].按照此方法制備AC-13和AC-16兩種級(jí)配下七種類型(礦粉、水泥、消石灰、橡膠粉以及3種有機(jī)高分子聚合物為外摻劑)的試件.待試件制備完成,將其分為兩組,一組放入室溫下保存?zhèn)溆?另一組置于98.0 kPa的真空度下保持15 min,恢復(fù)常壓并放置于25 ℃的水中保持0.5 h,然后將試件放入裝有10 mL水的塑料袋中,置于-20 ℃的恒溫冰箱中冷凍6 h,再將其浸入溫度為25 ℃的恒溫水槽中,并保持2 h,即為一次凍融循環(huán).按照此凍融循環(huán)試驗(yàn)方法分別將試件凍融0、3、6、9、12次,然后嚴(yán)格參照《公路工程瀝青和瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行劈裂試驗(yàn),每組通過3個(gè)馬歇爾試件對獲取數(shù)據(jù),以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 水泥、消石灰最佳摻量

2.1.1車轍試驗(yàn)

在試驗(yàn)溫度為(60.0±1)℃、荷載為(0.7±0.05)MPa的條件下,對添加消石灰和水泥的AC-13和AC-16兩種類型的瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn),以此評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.試驗(yàn)結(jié)果見圖1.

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度隨水泥、消石灰摻量的變化Fig.1 Dynamic stability varies with the amount of cement and hydrated lime

由圖1得知,水泥和消石灰對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響效果比較顯著,在水泥替代量范圍之內(nèi),AC-13和AC-16的動(dòng)穩(wěn)定度隨水泥摻量的增大均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當(dāng)水泥摻量為3%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值.在消石灰替代量范圍之內(nèi),AC-13和AC-16的動(dòng)穩(wěn)定度隨消石灰摻量的增大均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當(dāng)消石灰摻量為2%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到最大值,表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性能.因此在車轍試驗(yàn)中,水泥的最佳摻量為3%,消石灰為2%.

2.1.2小梁彎曲試驗(yàn)

在試驗(yàn)溫度為-10 ℃、加載速率為50 mm/min的條件下,通過標(biāo)準(zhǔn)尺寸為250 mm×35 mm×30 mm的小梁,對添加消石灰和水泥的AC-13和AC-16兩種類型的瀝青混合料進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn),以評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性,試驗(yàn)結(jié)果見圖2.

圖2 彎拉應(yīng)變隨水泥、消石灰摻量的變化Fig.2 Flexure tensile strain varies with the amount of cement and hydrated lime

由圖2得知,水泥和消石灰對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響效果比較顯著,在水泥替代量范圍內(nèi),AC-13和AC-16的彎拉應(yīng)變隨水泥摻量的增大均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當(dāng)水泥摻量為3%時(shí),彎拉應(yīng)變達(dá)到最大值.在消石灰替代量范圍之內(nèi),AC-13和AC-16的彎拉應(yīng)變隨消石灰摻量的增大均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當(dāng)消石灰摻量為2%時(shí),彎拉應(yīng)變達(dá)到最大值.表明在小梁彎曲試驗(yàn)中,水泥的最佳摻量為3%,消石灰為2%.

2.1.3殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)

在試驗(yàn)溫度為(60.0±1)℃、加載速率為50 mm/min的條件下,通過標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,對添加消石灰和水泥的AC-13和AC-16兩種級(jí)配的瀝青混合料進(jìn)行殘留穩(wěn)定度試驗(yàn),以評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)性能,試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

圖3 殘留穩(wěn)定度隨水泥、消石灰摻量的變化Fig.3 Residual stability varies with the amount of cement and hydrated lime

由圖3得知,水泥和消石灰對瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的影響效果比較顯著,在水泥替代量范圍內(nèi),AC-13和AC-16的殘留穩(wěn)定度隨水泥摻量的增大均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當(dāng)水泥摻量為3%時(shí),殘留穩(wěn)定度達(dá)到最大值.在消石灰替代量范圍內(nèi),AC-13和AC-16的殘留穩(wěn)定度隨消石灰摻量的增大均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當(dāng)消石灰摻量為2%時(shí),殘留穩(wěn)定度達(dá)到最大值.這表明在殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)中水泥的最佳替代量為3%,消石灰為2%.

2.2 橡膠粉和高分子聚合物最佳摻量

為獲得橡膠粉和高分子聚合物的最佳改性含量,本文按照已有的研究成果[15]選取占瀝青用量17%～23%的橡膠粉和0.1%～0.5%的高分子聚合物,分別對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性,參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011),先后通過瀝青軟化點(diǎn)試驗(yàn)、瀝青延度試驗(yàn)、瀝青彈性恢復(fù)試驗(yàn)和低溫小梁彎曲試驗(yàn)分別對高分子聚合物改性瀝青和橡膠瀝青混合料進(jìn)行綜合評價(jià),高分子改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果見圖4～7.

由圖4得知,在高分子聚合物摻量范圍內(nèi),黏度均隨其摻量的增大而增大,當(dāng)摻量達(dá)到0.3%時(shí),黏度增長幅度較大,此后隨摻量的增大,黏度增長速率逐漸變慢.考慮到高分子聚合物的最佳影響效果及季凍區(qū)改性瀝青的粘度控制范圍[16],選取三種高分子聚合物的最佳摻量為0.3%.

圖4 黏度隨高分子聚合物摻量的變化

由圖5得知,在高分子聚合物摻量范圍內(nèi),軟化點(diǎn)隨其摻量的增大而增大,當(dāng)摻量達(dá)到0.3%時(shí),軟化點(diǎn)增長達(dá)到最大值,此后隨摻量的增大,軟化點(diǎn)逐漸下降.考慮到高分子聚合物的最佳影響效果,選取三種高分子聚合物的最佳摻量為0.3%.

圖5 軟化點(diǎn)隨高分子聚合物摻量的變化Fig.5 Softening point varies with high molecular polymer

由圖6得知,在高分子聚合物摻量范圍內(nèi),延度隨其摻量的增大而增大,當(dāng)摻量為0.3%時(shí),延度增長達(dá)到最大值,此后隨摻量的增大,延度逐漸下降,考慮到高分子聚合物的最佳影響效果,選取三種高分子聚合物的最佳摻量為0.3%.

圖6 延度隨高分子聚合物摻量的變化Fig.6 Ductility varies with high molecular polymer

由圖7得知,在高分子聚合物摻量范圍內(nèi),彈性恢復(fù)隨其摻量的增大而增大,當(dāng)摻量為0.3%時(shí),彈性恢復(fù)增長幅度較大,此后隨摻量的增大,彈性恢復(fù)增長速率逐漸緩慢,趨于平穩(wěn),考慮到高分子聚合物的最佳影響效果,選取三種高分子聚合物的最佳摻量為0.3%.

圖7 彈性恢復(fù)隨高分子聚合物摻量的變化Fig.7 Elastic recovery varies with high molecular polymer

通過黏度、軟化點(diǎn)、延度及彈性恢復(fù)測試試驗(yàn),綜合評價(jià)得出三種高分子聚合物的最佳改性含量為0.3%.

為確定橡膠粉的最佳摻量,研究采用橡膠瀝青混合料的低溫評價(jià)方法對其進(jìn)行判別,通過低溫小梁彎曲試驗(yàn)評價(jià)不同橡膠粉摻量下的兩種級(jí)配類型瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗(yàn)結(jié)果見圖8.

圖8 橡膠瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Low temperature bending test results of rubber asphalt mixture

由圖8得知,在橡膠粉摻量范圍內(nèi),AC-13和AC-16兩種級(jí)配類型瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度隨橡膠粉摻量增多表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,當(dāng)橡膠粉的摻量均為20%時(shí),兩種級(jí)配類型瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值,因此可以判斷兩種級(jí)配類型瀝青混合料中橡膠粉的最佳摻量為20%.

2.3 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.3.1凍融循環(huán)前瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度

在獲取各類外摻劑最佳摻量的基礎(chǔ)上,通過馬歇爾試驗(yàn)方法測得經(jīng)水泥、消石灰及高分子聚合物改性的兩級(jí)配類型混合料油石比與基質(zhì)瀝青基本一致,但橡膠粉的摻入對混合料的油石比影響較大,經(jīng)測定在橡膠粉作用下AC-13和AC-16的油石比分別為7.1%和6.4%.然后按照1.3中的試驗(yàn)方法對瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行測試.

經(jīng)凍融劈裂試驗(yàn)方法測得,在凍融循環(huán)前,外摻劑對AC-13和AC-16兩種級(jí)配瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的影響見圖9.

由圖9得知,外摻劑作用下,AC-13和AC-16的劈裂強(qiáng)度值顯著增長,且在同一級(jí)配下,橡膠瀝青的增長幅度最大,其次是有機(jī)高分子聚合物(P-Ⅰ>P-Ⅲ>P-Ⅱ),然后是消石灰,而水泥的增長幅度相對較小.經(jīng)對比得知,在相同外摻劑作用下,AC-13的劈裂強(qiáng)度值要高于AC-16,說明瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度值受自身級(jí)配組成的影響較大,集料公稱最大粒徑越小,劈裂強(qiáng)度值越高.

圖9 凍融循環(huán)前各類型瀝青混合料劈裂強(qiáng)度值Fig.9 Splitting strength values of different asphalt mixture before freeze-thaw cycle

2.3.2凍融循環(huán)后瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,分別采用水泥、消石灰、橡膠粉和高分子聚合物對AC-13和AC-16瀝青混合料進(jìn)行摻配,通過凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)測得瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比與凍融循環(huán)次數(shù)密切相關(guān),試驗(yàn)結(jié)果見圖10～11.

從圖10～11得知,在凍融循環(huán)條件下,各類型瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度比均表現(xiàn)出下降趨勢,表明凍融循環(huán)是瀝青混合料水穩(wěn)定性能的不利因素.各類外摻劑均能有效提高瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度,且隨外摻劑類型的不同,劈裂強(qiáng)度提高幅度不同,具體表現(xiàn)為：在同一級(jí)配類型和相同的凍融循環(huán)條件下,摻入橡膠粉的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度比最高,其次依次為P-Ⅰ、P-Ⅲ、P-Ⅱ、消石灰和水泥.在同一凍融循環(huán)條件和相同的外摻劑作用下,瀝青混合料凍融循環(huán)劈裂強(qiáng)度比隨瀝青混合料自身級(jí)配類型的不同而具有差異性,具體表現(xiàn)為AC-13的劈裂強(qiáng)度比高于AC-16,說明集料自身級(jí)配類型對瀝青混合料的水穩(wěn)定性影響較大,集料公稱最大粒徑越小,劈裂強(qiáng)度值越高,水穩(wěn)定性越好.此外,通過劈裂強(qiáng)度比下降的速率來看,橡膠瀝青混合料下降速率相對緩慢,表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性能.

圖10 AC-13劈裂強(qiáng)度比隨凍融循環(huán)次數(shù)變化

圖11 AC-16劈裂強(qiáng)度比隨凍融循環(huán)次數(shù)變化Fig.11 The splitting strength ratio of AC-16 asphalt mixture varies with the number of freeze-thaw cycles

3 結(jié)語

1) 外摻劑能夠有效提高瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度,且在相同條件下,摻入橡膠粉瀝青混合料劈裂強(qiáng)度提高幅度較大,水穩(wěn)定性表現(xiàn)最好,其最佳摻量為20%,其次是高分子聚合物(P-Ⅰ>P-Ⅲ>P-Ⅱ),最佳摻量均為0.3%,然后是消石灰,最佳摻量為2%,而水泥的改性效果相對較差,其最佳摻量為3%.

2) 在相同條件下,AC-13的劈裂強(qiáng)度高于AC-16,說明瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度受自身級(jí)配組成的影響較大,集料公稱最大粒徑越小,劈裂強(qiáng)度值越高,水穩(wěn)定性越好.

3) 隨凍融循環(huán)次數(shù)的不斷增加,瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比均呈現(xiàn)線性下降趨勢,其中橡膠瀝青混合料下降速率相對緩慢,表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性能.