袁高明 劉全濤 楊天元

(武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430070)

0 引 言

半柔性路面是指在大孔徑(空隙率為20%～25%)瀝青混合料基體路面中，灌入水泥膠漿并養(yǎng)護(hù)一段時間后形成的路面[1-2]，它同時具備高于水泥混凝土的柔性和高于瀝青混凝土的剛性[3].有關(guān)研究表明，半柔性路面能夠很好地避免早期破壞、局部擁包、路面唧漿和路面邊緣碎裂等路面損壞現(xiàn)象，同時具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能、抗疲勞性能和抗滑性能[4].

利用固體廢棄物鋼渣作為集料制備半柔性路面材料，不僅能夠做到廢物利用、節(jié)約大量石料資源，而且可以賦予瀝青路面更好的路用性能，對于保障公路的安全暢通、交通領(lǐng)域的節(jié)能減排以及經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的戰(zhàn)略意義.

1 原材料及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 集料

本研究使用的石料包括鋼渣和玄武巖.鋼渣是一種工業(yè)固體廢物，其成分波動很大，主要包含鈣、鐵、硅、鎂等的氧化物，其內(nèi)部還含有少量的堿性物質(zhì)，使其在長期敞口放置時表面出現(xiàn)白色粉末.由于鋼渣在溫度1 500～1 700 ℃下形成，冷卻后呈塊狀，經(jīng)過工業(yè)加工(用水淬冷)后成為顆粒狀物質(zhì)，一般呈深灰、深褐色，內(nèi)部有很多小孔.鋼渣根據(jù)煉鋼方法可分為三種：平爐鋼渣、轉(zhuǎn)爐鋼渣和電爐鋼渣，本文采用其中的轉(zhuǎn)爐鋼渣，轉(zhuǎn)爐鋼渣通常情況下的化學(xué)組成見表1.

表1 轉(zhuǎn)爐鋼渣化學(xué)成分

玄武巖具有較好的抗壓性能、抗腐蝕性能和耐蝕性能，而且具有耐磨、壓碎值低、與瀝青的粘附性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn).本研究使用的玄武巖的主要成份是二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鈣、氧化鐵等，其中二氧化硅含量最高，約占50%.

采用SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表2.采用普通石灰礦粉，其技術(shù)指標(biāo)見表3.選用普通硅酸鹽42.5#水泥，其技術(shù)指標(biāo)見表4.

1.2 高粘改性劑

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

表4 水泥技術(shù)指標(biāo)

通過添加高粘瀝青改性劑制備空隙率大、性能良好的瀝青混合料.所用高粘改性劑外觀呈淺黃色，可在瀝青混合料拌合時與瀝青一起加入拌鍋，高粘改性劑與瀝青的質(zhì)量比為8∶92.瀝青加入高粘改性劑之后，它的粘度會大幅度增加，60 ℃時其粘度一般不小于20 000 Pa·s，這樣就可以保證瀝青混合料在較高的空隙率的情況下骨料之間的連接性能較好，而且可以提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、耐疲勞性等.高粘瀝青技術(shù)指標(biāo)見表5.

表5 高粘瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.3 半柔性瀝青混合料制備與實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1試樣的制備

分別采用鋼渣和玄武巖作為集料(質(zhì)量比)(0～2.36∶2.36～4.75∶4.75～9.5∶9.5～13.2∶13.2～19=0∶14∶45∶20∶16)，結(jié)合SBS改性瀝青(油石比為4.5%)和普通石灰礦粉(含量為5%)等制備開機(jī)配瀝青混合料試樣，再使用普通硅酸鹽水泥42.5#、水、普通河沙(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.2%，39.8%，10%)混合制備水泥砂漿，參照文獻(xiàn)[5-7]的半柔性路面材料制備方法，采用振動灌入式的方法使得水泥膠漿填充母體瀝青混合料的空隙，制備半柔性瀝青混合料馬歇爾試件和車轍試件，灌漿后試件在室內(nèi)(溫度為20～25 ℃)放置24 h，水泥膠漿基本凝固，再將試件轉(zhuǎn)移到養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù).養(yǎng)護(hù)室的溫度為(20±1) ℃，相對濕度大于或等于95%，在養(yǎng)護(hù)7 d之后對試件編號后再進(jìn)行性能測試.圖1分別為灌漿前后的試件以及灌漿后試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖.

圖1c)中深色的部分是瀝青，淺色的部分是水泥漿料，具有金屬光澤的部分是鋼渣里面殘留的金屬成分.通過灌漿試樣內(nèi)部解結(jié)構(gòu)圖可以發(fā)現(xiàn)，在馬歇爾試樣灌漿飽和養(yǎng)護(hù)7d之后，其內(nèi)部仍然存在一些小孔.

圖1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

1.3.2實(shí)驗(yàn)方法

1) 主要通過車轍實(shí)驗(yàn)(0.7 MPa，60 ℃)表征瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性能，采用間接拉伸實(shí)驗(yàn)方法測試瀝青路面材料的回彈模量和疲勞壽命，對比分析鋼渣半柔性瀝青混合料、母體瀝青混合料和玄武巖半柔性瀝青混合料的性能[8-9].

2) 根據(jù)美國國有公路運(yùn)輸管理員協(xié)會規(guī)定的實(shí)驗(yàn)方法，采用UTM-25實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行間接拉伸回彈模量實(shí)驗(yàn)[10-11].實(shí)驗(yàn)溫度分別為5,10,15 ℃，施加載荷的頻率分別為0.5，1，1.5，2 Hz，載荷為正弦波的形式，實(shí)驗(yàn)加載次數(shù)為20次，加載結(jié)束時系統(tǒng)會自動保存最后五次加載數(shù)據(jù)，取其平均值確定試件變形與載荷的關(guān)系，通過設(shè)置的泊松比0.35來計(jì)算試件的間接拉伸回彈模量.混合料的間接拉伸模量為

(1)

式中：Esp為間接拉伸模量，MP；PT為重復(fù)荷載，N；h為試件直徑，mm；μ為泊松比；XT為瞬時可恢復(fù)水平形變，mm，按式(2)計(jì)算.

(2)

式中：YT為可恢復(fù)垂直變形，mm.

同時采用UTM-25進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)[12]，試驗(yàn)溫度為15 ℃，施加載荷為半正弦波，加載時間為0.1 s，間歇時間為0.9 s，泊松比為0.35，應(yīng)力分別比為0.35，0.4，0.45和0.5p.首先通過間接拉伸強(qiáng)度測試獲得試件的間接拉伸強(qiáng)度p，再測試對應(yīng)應(yīng)力比下的疲勞壽命，根據(jù)得到的疲勞壽命和加載應(yīng)力回歸出相應(yīng)的疲勞壽命方程，進(jìn)而分析對應(yīng)的路面材料的疲勞性能.疲勞方程為

(3)

式中：Nf為試件破壞時的載荷重復(fù)作用次數(shù)；δ為施加的應(yīng)力，MPa；K，n為試件確定的回歸系數(shù).

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

通過車轍實(shí)驗(yàn)的動穩(wěn)定度來表征瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，結(jié)果見表6.

表6 四種瀝青混合料車轍實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：

1) 動穩(wěn)定度越大，瀝青混合料高溫性能越好，根據(jù)文獻(xiàn)[7]，添加高粘改性劑的瀝青混合料的動穩(wěn)定度需達(dá)到3 000次/mm以上，而表中半柔性瀝青混合料的動穩(wěn)定度都在15 000次/mm以上，遠(yuǎn)大于規(guī)定值，說明半柔性路面材料的高溫性能十分優(yōu)秀.

2) 半柔性路面材料的車轍深度很小，60 min后均小于1 mm，說明半柔性瀝青混合料在具備母體瀝青混合料的粘彈塑性的同時還具有水泥材料的剛性.

3) 玄武巖半柔性瀝青混合料的車轍深度大約是母體瀝青混合料的1/12，而前者的動穩(wěn)定度大約是后者的50倍；鋼渣半柔性瀝青混合料的車轍深度大約是母體瀝青混合料的1/5，而前者的動穩(wěn)定度大約是后者的18倍.可見在母體瀝青混合料中加入水泥漿料形成半柔性瀝青混合料可大幅度提高混合料的高溫性能.

4) 同種配合比下的鋼渣集料和玄武巖集料制備的母體瀝青混合料相比，后者的車轍深度前者的1.5倍左右，而前者的動穩(wěn)定度約是后者的兩倍，可將相同配合比下的兩種混合料，利用鋼渣集料制備的母體瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性更優(yōu)異.

2.2 間接拉伸回彈模量

試樣回彈模量測試結(jié)果見圖2.

圖2 不同溫度下的瀝青混合料的回彈模量

由圖2可知，無論是玄武巖集料還是鋼渣集料，半柔性路面材料的回彈模量均高于母體瀝青混合料.回彈模量越大，相同應(yīng)力下的應(yīng)變較小，則表明向母體瀝青混合料中灌入水泥漿制備的半柔性瀝青混合料能夠提高路面材料的抗變形性能.

2.3 間接拉伸疲勞性能

試樣的間接拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表7.對應(yīng)的疲勞曲線見圖3.

表7 四種類型瀝青混合料的最大劈裂強(qiáng)度對比

由表7可知，相同集料的情況下，半柔性路面材料的最大劈裂強(qiáng)度較大.半柔性路面材料相比于其母體瀝青混合料，其最大劈裂強(qiáng)度更大.

圖3 四種瀝青混合料的疲勞曲線

由圖3可知，相同應(yīng)力下四種試樣的疲勞壽命相差很大，玄武巖未灌漿、玄武巖灌漿、鋼渣未灌漿、鋼渣灌漿的疲勞壽命依次增大；同種集料，母體瀝青混合料比半柔性瀝青混合料的疲勞壽命都小一些.四種試樣的疲勞壽命隨著應(yīng)力的增大而減小.另外，試樣在較大的應(yīng)力下循環(huán)次數(shù)很低，在較小的應(yīng)力下循環(huán)次數(shù)大大的增加了，說明當(dāng)路面材料所受載荷過重時會大大縮小瀝青路面的使用壽命，加快路面的損壞.

此外，對比兩種集料，發(fā)現(xiàn)在相同應(yīng)力條件下，鋼渣集料的疲勞壽命約是玄武巖集料的十倍，單看此項(xiàng)，鋼渣集料替代傳統(tǒng)集料應(yīng)用與半柔性路面是可行的；而且半柔性瀝青混合料的疲勞壽命都要大于母體瀝青混合料，表明用半柔性路面替代傳統(tǒng)路面可以延長路面的使用年限.

四種瀝青混合料的疲勞方程及對應(yīng)的回歸系數(shù)見表8.

表8 四種瀝青混合料的經(jīng)典疲勞方程和回歸系數(shù)

由表8可知，玄武巖集料半柔性瀝青混合料疲勞方程的回歸系數(shù)K值遠(yuǎn)大于其母體瀝青混合料，大約是其22倍，K值越大，其疲勞性能越好，使用年限越長，而且它們的n值基本相同，則它們的疲勞壽命受應(yīng)力水平影響基本一致；另外，鋼渣集料半柔性瀝青混合料疲勞方程的回歸系數(shù)K值是其母體瀝青混合料的12倍以上，說明前者的疲勞性能較好，使用壽命更長，但是前者的回歸系數(shù)n值略大于后者，說明前者更容易受到應(yīng)力水平的影響.

3 結(jié) 論

1) 在開級配瀝青混合料母體中灌入了水泥漿料可制備出半柔性瀝青路面材料，其中水泥漿料填充了瀝青混合料內(nèi)部大部分的孔隙，并與瀝青混合料骨架之間形成擠壓作用，使得半柔性瀝青混凝土的抗車轍性能大大的增加；相同條件下，鋼渣集料制備的路面材料與玄武巖集料制備的路面材料的高溫性能相差不大.

2) 半柔性路面材料的抗壓性能遠(yuǎn)高于母體瀝青混合料，相比于玄武巖集料制備的半柔性瀝青混合料，鋼渣制備的半柔性瀝青混合料的抗壓性能更好.

3) 半柔性瀝青混合料的疲勞壽命遠(yuǎn)高于母體瀝青混合料，前者對應(yīng)力水平的敏感性略高于后者，因此半柔性路面材料的服役年限更長，路用性能更優(yōu)秀.鋼渣集料制備的瀝青混合料的疲勞壽命要高于相同條件下玄武巖集料制備的路面材料.

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