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].這主要因為瀝青混合料內(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的參數(shù)變化閾值；Howsan等[7]通過擴大表面能數(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度的關(guān)系,試驗結(jié)果表明,瀝青混合料的劈裂強度隨凍融循環(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手段或理論計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)定性進行對比分析.因此,本文以評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性為目的,模擬季凍區(qū)瀝青路面面層的實際溫度狀況,對經(jīng)有水泥、消石灰、橡膠粉以及有機高分子聚合物改性的瀝青混合料試件進行不同凍融循環(huán)條件下的劈裂試驗,以期為瀝青路面的設(shè)計及施工提供一定的參考.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗原材料

試驗采用的基質(zhì)瀝青為鎮(zhèn)海AH-90號道路石油瀝青,其基本技術(shù)指標(biāo)見表1,粗、細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)試驗測定其各項指標(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、高效以及實用等方面考慮,本試驗的外摻劑分別選用水泥、消石灰[12]、橡膠粉以及有機高分子聚合物(P-Ⅰ、P-Ⅱ和P-Ⅲ),其各項技術(shù)指標(biāo)分別見表3～6.

表1 鎮(zhèn)海AH-90號石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 粗、細集料指標(biāo)測試結(jié)果

表3 有機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-16兩種級配類型的瀝青混合料[13],通過馬歇爾試驗獲取其基本技術(shù)指標(biāo),均符合規(guī)范要求,配合比設(shè)計結(jié)果見表7,經(jīng)試驗測得AC-13和AC-16的最佳油石比分別為5.0%和4.5%.

表7 瀝青混合料級配設(shè)計結(jié)果

1.3 試驗方法

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

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

2) 運用濕法工藝將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控溫,經(jīng)高速剪切法進行改性,先后通過低溫小梁彎曲試驗、瀝青軟化點試驗、瀝青延度試驗以及瀝青彈性恢復(fù)試驗,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)定以擊實法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,為了與實際路面相符合,試件雙面擊實75次,確?？障堵士刂圃?%～5%[14].按照此方法制備AC-13和AC-16兩種級配下七種類型(礦粉、水泥、消石灰、橡膠粉以及3種有機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)試驗方法分別將試件凍融0、3、6、9、12次,然后嚴格參照《公路工程瀝青和瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)進行劈裂試驗,每組通過3個馬歇爾試件對獲取數(shù)據(jù),以確保試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2 試驗結(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

在試驗溫度為(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行車轍試驗,以此評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.試驗結(jié)果見圖1.

圖1 動穩(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,動穩(wěn)定度達到最大值.在消石灰替代量范圍之內(nèi),AC-13和AC-16的動穩(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,動穩(wěn)定度達到最大值,表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性能.因此在車轍試驗中,水泥的最佳摻量為3%,消石灰為2%.

2.1.2小梁彎曲試驗

在試驗溫度為-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行小梁彎曲試驗,以評價瀝青混合料的低溫抗裂性,試驗結(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,彎拉應(yīng)變達到最大值.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,彎拉應(yīng)變達到最大值.表明在小梁彎曲試驗中,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

在試驗溫度為(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-16兩種級配的瀝青混合料進行殘留穩(wěn)定度試驗,以評價瀝青混合料的水穩(wěn)性能,試驗結(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,殘留穩(wěn)定度達到最大值.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,殘留穩(wěn)定度達到最大值.這表明在殘留穩(wěn)定度試驗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)瀝青進行改性,參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011),先后通過瀝青軟化點試驗、瀝青延度試驗、瀝青彈性恢復(fù)試驗和低溫小梁彎曲試驗分別對高分子聚合物改性瀝青和橡膠瀝青混合料進行綜合評價,高分子改性瀝青試驗結(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)摻量達到0.3%時,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),軟化點隨其摻量的增大而增大,當(dāng)摻量達到0.3%時,軟化點增長達到最大值,此后隨摻量的增大,軟化點逐漸下降.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,延度增長達到最大值,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,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、延度及彈性恢復(fù)測試試驗,綜合評價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方法對其進行判別,通過低溫小梁彎曲試驗評價不同橡膠粉摻量下的兩種級配類型瀝青混合料的低溫抗裂性能,試驗結(jié)果見圖8.

圖8 橡膠瀝青混合料低溫彎曲試驗結(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-16兩種級配類型瀝青混合料的抗彎拉強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,兩種級配類型瀝青混合料抗彎拉強度均達到最大值,因此可以判斷兩種級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,通過馬歇爾試驗方法測得經(jīng)水泥、消石灰及高分子聚合物改性的兩級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中的試驗方法對瀝青混合料的劈裂強度進行測試.

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

由圖9得知,外摻劑作用下,AC-13和AC-16的劈裂強度值顯著增長,且在同一級配下,橡膠瀝青的增長幅度最大,其次是有機高分子聚合物(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的劈裂強度值要高于AC-16,說明瀝青混合料的劈裂強度值受自身級配組成的影響較大,集料公稱最大粒徑越小,劈裂強度值越高.

圖9 凍融循環(huán)前各類型瀝青混合料劈裂強度值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度

在上述試驗的基礎(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瀝青混合料進行摻配,通過凍融劈裂強度試驗測得瀝青混合料的凍融劈裂強度比與凍融循環(huán)次數(shù)密切相關(guān),試驗結(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度,且隨外摻劑類型的不同,劈裂強度提高幅度不同,具體表現(xiàn)為：在同一級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)劈裂強度比隨瀝青混合料自身級配類型的不同而具有差異性,具體表現(xiàn)為AC-13的劈裂強度比高于AC-16,說明集料自身級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,劈裂強度值越高,水穩(wěn)定性越好.此外,通過劈裂強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劈裂強度比隨凍融循環(huán)次數(shù)變化

圖11 AC-16劈裂強度比隨凍融循環(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度,且在相同條件下,摻入橡膠粉瀝青混合料劈裂強度提高幅度較大,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的劈裂強度高于AC-16,說明瀝青混合料的劈裂強度受自身級配組成的影響較大,集料公稱最大粒徑越小,劈裂強度值越高,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.