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        SBS改性瀝青用于路面坑槽快速修補(bǔ)的性能研究

        2015-01-14 01:56:20
        山西交通科技 2015年6期
        關(guān)鍵詞:黏附性稀釋劑礦料

        錢 征

        (唐山市地方道路管理處,河北 唐山 063000)

        瀝青路面坑槽是日常養(yǎng)護(hù)中最常見又最難處理的病害之一,特別是在寒冷的冬季或者潮濕的雨季。常規(guī)的熱補(bǔ)料無(wú)法及時(shí)有效地對(duì)坑槽進(jìn)行修補(bǔ),冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料實(shí)現(xiàn)冷拌冷鋪,可一次生產(chǎn)拌合,儲(chǔ)存?zhèn)溆茫S用隨取,無(wú)需二次加熱,適合北方低溫的冬季和南方多雨季節(jié)使用,使用方便,快捷環(huán)保[1]。

        1 原材料性能

        本著來(lái)源方便、價(jià)格經(jīng)濟(jì),材料之間的相互配伍性和試驗(yàn)操作的可行性原則,礦料為與瀝青黏附性好的堿性集料——石灰?guī)r,礦粉是石灰?guī)r礦粉,瀝青采用SK90號(hào)(用于基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)混合料)和SBS改性瀝青(用于改性瀝青型冷補(bǔ)混合料),稀釋劑選擇0號(hào)柴油。

        1.1 瀝青

        研究選用的瀝青有SK90號(hào)基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1和表2。各項(xiàng)指標(biāo)均符合技術(shù)要求。

        表1 SK90號(hào)基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)

        表2 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

        1.2 礦料

        考慮到冷補(bǔ)瀝青液中瀝青被柴油稀釋,會(huì)導(dǎo)致黏性降低,礦料采用與瀝青黏附性較好的堿性集料——石灰?guī)r,其技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

        表3 礦料技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果

        1.3 稀釋劑

        稀釋劑的選用是冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料使用效果良好的關(guān)鍵因素,研究選用質(zhì)量符合要求的車用0號(hào)柴油為稀釋劑,柴油主要技術(shù)指標(biāo)表4所示。

        表4 0號(hào)柴油技術(shù)指標(biāo)

        2 配合比設(shè)計(jì)

        2.1 冷補(bǔ)瀝青液各成分摻配比例

        基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)瀝青液的基礎(chǔ)瀝青采用90號(hào)基質(zhì)瀝青,按照生產(chǎn)常用摻配比例,基質(zhì)瀝青、稀釋劑(柴油)和冷補(bǔ)添加劑3種材料的摻配比例為78%、20%和2%。

        改性瀝青型冷補(bǔ)瀝青液采用SBS改性瀝青作為基質(zhì)瀝青,稀釋劑用量通過(guò)試驗(yàn)確定,擬定油石比為5.0%,稀釋劑用量分別為20%、25%、30%、35%進(jìn)行成型馬歇爾試驗(yàn),試驗(yàn)得出,當(dāng)稀釋劑用量為26%時(shí),馬歇爾穩(wěn)定度最高,故選用26%作為改性瀝青型冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的最佳稀釋劑用量。

        2.2 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

        采用細(xì)粒式瀝青混合料LB-13類型進(jìn)行試驗(yàn),在規(guī)范要求的范圍內(nèi)初擬3種冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料級(jí)配,進(jìn)行馬歇爾體積指標(biāo)及穩(wěn)定度試驗(yàn),結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果擇優(yōu)選取。3種冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的級(jí)配類型如表5所示。

        表5 初擬的集料級(jí)配類型

        3種不同級(jí)配的油石比初步擬定為4.5%,制作馬歇爾試件,試驗(yàn)結(jié)果表明:不同級(jí)配混合料的流值、空隙率、礦料間隙率大小不同,其值有相同的大小關(guān)系:合成級(jí)配1大于合成級(jí)配3大于合成級(jí)配2,而瀝青飽和度和穩(wěn)定度的大小關(guān)系表現(xiàn)為:合成級(jí)配2大于合成級(jí)配3大于合成級(jí)配1。冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的水穩(wěn)定性一般較差,而控制水穩(wěn)性能的關(guān)鍵指標(biāo)是空隙率,因此混合料的空隙率不宜過(guò)大,否則水分滲入會(huì)加劇水損壞的發(fā)生,但同時(shí)空隙率也不宜過(guò)小,過(guò)小的空隙率將不利于稀釋劑的揮發(fā),影響后期成型強(qiáng)度的形成。參考上述因素,綜合考慮,選定合成級(jí)配3作為本文的最優(yōu)級(jí)配。

        2.3 最佳油石比的確定

        目前國(guó)內(nèi)沒有統(tǒng)一的關(guān)于冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)有相關(guān)規(guī)范,但是僅要求馬歇爾穩(wěn)定度不宜小于3 kN;為了保證稀釋劑柴油的揮發(fā),加快形成強(qiáng)度,冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料要保證一定的空隙率;而空隙率過(guò)大又會(huì)影響其耐久性和水穩(wěn)性,故將空隙率指標(biāo)確定為6%~12%。參考熱拌瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),礦料間隙率VMA和瀝青飽和度VFA指標(biāo):VMA的最小值為15%,VFA為45%~70%[2]。

        按照普通的熱拌瀝青混合料最佳瀝青含量的控制指標(biāo)和步驟來(lái)確定瀝青冷補(bǔ)材料的瀝青用量。根據(jù)馬歇爾法,成品瀝青液型冷補(bǔ)混合料的最佳油石比為4.1%;基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)混合料的最佳油石比為4.2%;SBS改性瀝青型冷補(bǔ)混合料的最佳油石比為4.5%,其中SBS改性瀝青∶稀釋劑∶冷補(bǔ)添加劑為72%∶25%∶3%。

        3 冷補(bǔ)瀝青液及混合料的性能測(cè)試

        對(duì)3種不同的瀝青膠結(jié)料、瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn),包括黏附性、水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能和高溫抗車轍性能的測(cè)試。

        3.1 黏附性試驗(yàn)

        按照水煮法進(jìn)行黏附性試驗(yàn),選用9.5 mm粒徑的集料,按照試驗(yàn)規(guī)程拌制集料,取20顆集料攤鋪在玻璃板上,在室溫冷卻1 h。將集料裹附瀝青后置于玻璃板上,然后浸入80℃±1℃的恒溫水槽中,保溫30 min后,將剝離及浮于水面上瀝青用紙片撈出。取出玻璃板并置于冷水中,觀察瀝青薄膜的剝離情況,評(píng)定剝離面積百分率。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

        表6 3種冷補(bǔ)瀝青液與集料的黏附性試驗(yàn)

        上述試驗(yàn)現(xiàn)象表明成品瀝青液和基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)瀝青液與集料的黏附性等級(jí)均為5級(jí),達(dá)到了熱拌瀝青混合料的指標(biāo)要求。而改性瀝青型冷補(bǔ)瀝青液水煮法試驗(yàn)剝離面積大于10%,不能滿足高等級(jí)公路熱拌瀝青混合料路用性能要求。當(dāng)瀝青與SBS混合時(shí),由于結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不同,使得兩者不能完全相容從而降低了瀝青的黏附性。但是工程實(shí)踐表明SBS改性瀝青冷補(bǔ)料完全滿足路用要求,故冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料與集料的黏附性可參照規(guī)范要求,選用水煮法或水浸法,但是規(guī)范中給出的裹覆面積不得小于95%,不盡合理,可以改為黏附性等級(jí)不小于4級(jí),瀝青裹覆面積不得小于85%。

        3.2 水穩(wěn)定性

        根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中相關(guān)規(guī)定,檢測(cè)3種瀝青冷補(bǔ)混合料的水穩(wěn)定性能,進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。

        試驗(yàn)結(jié)果表明,在不添加其他添加劑的條件下,冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料在水浴時(shí)松散不能滿足規(guī)范要求。為了改善水穩(wěn)性,采用消石灰代替部分礦粉。

        由于消石灰是強(qiáng)堿性材料,對(duì)瀝青有較強(qiáng)的吸附作用。使用消石灰代替1/3的礦粉,在混合料拌合時(shí)與礦粉一起加入到拌鍋內(nèi)。添加消石灰并重新制作馬歇爾試件,再次進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn),得出三者幾乎都能滿足規(guī)范要求的70%,添加SBS后,瀝青混合料的水穩(wěn)定性提高20%左右。表明消石灰代替礦粉可以明顯改善冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的水穩(wěn)定性。

        3.3 高溫性能

        熱拌瀝青混合料車轍試驗(yàn)方法成型試件后,將試件連同試模一起,置于110℃烘箱中保溫24 h,以加速稀釋劑的揮發(fā)。取出后,立即在車轍成型機(jī)上進(jìn)行二次碾壓,于常溫下放置24 h后即可進(jìn)行車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)表明,在40℃和60℃試驗(yàn)溫度下,冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的動(dòng)穩(wěn)定較低。但這并不能完全反映冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料真實(shí)的抗車轍性能。冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料在工程中主要用于初春和晚秋季節(jié)使用,而這時(shí)的路面溫度遠(yuǎn)不能達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)的模擬溫度;由于冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料屬?gòu)?qiáng)度成長(zhǎng)性材料,為了保證初期的施工和易性使用了稀釋劑,在本論文的試驗(yàn)條件下也只能揮發(fā)掉近30%的柴油稀釋劑,稀釋劑的存在導(dǎo)致瀝青的高溫黏度顯著降低,導(dǎo)致集料的黏附性差,進(jìn)而冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的抗高溫變形能力差。故推薦冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料高溫穩(wěn)定性采用上述試驗(yàn)方案,評(píng)價(jià)指標(biāo)為動(dòng)穩(wěn)定度大于300次/mm[3]。

        3.4 低溫性能

        為了評(píng)價(jià)3種冷補(bǔ)材料低溫抗裂性能,分別進(jìn)行小梁彎曲破壞試驗(yàn)。在SANS萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行小梁,中點(diǎn)加載,試驗(yàn)溫度為0℃和-10℃;試驗(yàn)試件尺寸:30 mm×35 mm×250 mm,跨徑200 mm;通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可自動(dòng)獲取最大破壞荷載、撓度、抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量和斷裂能等數(shù)據(jù),試驗(yàn)結(jié)果表明,瀝青膠結(jié)料對(duì)冷補(bǔ)瀝青混合料低溫抗裂性能的影響較顯著,成品瀝青液型與SBS改性瀝青冷補(bǔ)混合料均表現(xiàn)為優(yōu)良的低溫抗裂性能,在-10℃和0℃時(shí),兩種混合料的各項(xiàng)性能指標(biāo)基本接近,未添加SBS的基質(zhì)瀝青型冷補(bǔ)混合料的抗裂性能指標(biāo)與前兩者均存在較大差距,試驗(yàn)結(jié)果有力證明在混合料中添加SBS可以有效增強(qiáng)冷補(bǔ)料的低溫抗裂性能。

        4 基于摩爾-庫(kù)倫理論的冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料強(qiáng)度分析

        冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料為強(qiáng)度成長(zhǎng)性材料,坑槽修補(bǔ)初期強(qiáng)度較小,隨著稀釋劑的逐漸揮發(fā)和交通荷載的碾壓,強(qiáng)度緩慢增加,在添加劑的作用下,冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料最后達(dá)到甚至超過(guò)熱拌瀝青混合料的強(qiáng)度。冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的強(qiáng)度主要來(lái)源于兩個(gè)方面:內(nèi)摩阻力和黏結(jié)力。內(nèi)摩阻力主要由集料形成的骨架結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生,是坑槽修補(bǔ)初期冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的強(qiáng)度主要組成部分;黏聚力由結(jié)合料冷補(bǔ)瀝青液決定,攤鋪后修補(bǔ)料中的稀釋劑揮發(fā),其值逐漸增大[4]。

        冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料拌存儲(chǔ)時(shí),未經(jīng)壓實(shí)可以近似認(rèn)為摩阻角Φ=0。且冷補(bǔ)瀝青液呈液態(tài),還沒有產(chǎn)生黏結(jié)力,故可近似認(rèn)為黏結(jié)力C=0。瀝青修補(bǔ)料修補(bǔ)坑槽經(jīng)壓實(shí)成型后,結(jié)構(gòu)基本形成,礦料嵌擠、摩擦,Φ值達(dá)到一定值,瀝青液黏結(jié)礦料,黏聚力C值逐漸增長(zhǎng),使得修補(bǔ)料有了初始強(qiáng)度,基本上能夠滿足行車要求。隨著稀釋劑逐漸揮發(fā),混合料中瀝青的黏度逐漸增大,即黏結(jié)力C逐漸增大,加之行車荷載使得礦料進(jìn)一步壓實(shí),摩阻角Φ也有所增長(zhǎng),混合料的強(qiáng)度逐漸增大,最終冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的強(qiáng)度達(dá)到與熱拌瀝青混合料相當(dāng)?shù)某潭萚5]。

        5 結(jié)論

        本文根據(jù)冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的使用環(huán)境,確定冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的礦料級(jí)配、稀釋劑、冷補(bǔ)添加劑及瀝青的最佳用量,并從理論上闡述了瀝青冷補(bǔ)料用于坑槽修補(bǔ)的可行性。比較了成品瀝青液、基質(zhì)瀝青型和改性瀝青型冷補(bǔ)混合料的路用性能,對(duì)瀝青路面坑槽修補(bǔ)料的使用推廣能起到一定的指導(dǎo)作用。

        a)通過(guò)試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法選取了冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的級(jí)配和最佳瀝青用量,3種冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的油石比均在4%~4.5%之間。

        b)馬歇爾殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)表明了冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的水穩(wěn)定性不能滿足路用性能的要求,建議采用消石灰代替礦粉的方法提高冷補(bǔ)瀝青修補(bǔ)料的水穩(wěn)定性。

        c)對(duì)冷補(bǔ)瀝青液和冷補(bǔ)混合料進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果均表明SBS可有效改善冷補(bǔ)瀝青混合料的路用性能,即SBS改性瀝青用于瀝青路面坑槽快速修補(bǔ)是可行的。

        d)推薦瀝青冷補(bǔ)混合料的高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定度大于300次/mm,瀝青膠結(jié)料的黏結(jié)性能指標(biāo)黏附性等級(jí)設(shè)定為不小于4級(jí)。

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