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        干法摻入煤液化殘?jiān)鼮r青穩(wěn)定碎石基層材料性能

        2018-11-15 11:28:50張宜洛陳陽陽王佳偉董飛龍
        關(guān)鍵詞:抗疲勞礦粉殘?jiān)?/a>

        張宜洛,陳陽陽,李 晨,王佳偉,董飛龍,郭 創(chuàng)

        (1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064; 2. 中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210014)

        0 引 言

        煤液化分離后的殘?jiān)?LQ)主要物質(zhì)成分為瀝青烯類物質(zhì)以及較多的油分,其組成成分與瀝青中瀝青質(zhì)的成分具有很高的相似性[1-2],考慮到我國目前瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層造價(jià)較高的現(xiàn)狀,將煤液化殘?jiān)砑拥綖r青穩(wěn)定碎石基層中,不僅能夠降低柔性基層的造價(jià),還能實(shí)現(xiàn)工業(yè)廢棄物的再利用,利于環(huán)保。綜合目前國內(nèi)外對于煤液化殘?jiān)难芯楷F(xiàn)狀,國外的研究主要集中于對材料自身相關(guān)性質(zhì)的試驗(yàn)研究[3],而很少涉及其在道路工程相關(guān)方面的應(yīng)用研究,而國內(nèi)因?yàn)槊禾抠Y源消耗較大且用于道路建設(shè)的材料相對較少,使得國內(nèi)對于煤液化殘?jiān)难芯恐饕杏诘缆贩矫?。目前國?nèi)的主要研究方向?yàn)閷堅(jiān)M(jìn)行提純,將其加入到瀝青中對瀝青進(jìn)行改性,對改性瀝青的性質(zhì)進(jìn)行評價(jià)研究[4-6],而對用煤液化殘?jiān)男詾r青制得的瀝青混合料的性能研究較少。并且以上述濕法的方式摻入,忽略了一般煤直接液化殘?jiān)泻幸欢康母呋曳值牡V物元素成分,這部分成分與瀝青并不相溶,但研究中近似認(rèn)為殘?jiān)梢匀咳芙?。主要通過將煤液化殘?jiān)愿煞ㄌ砑庸に?,用煤液化殘?zhí)娲糠值V粉的方式外摻加入到瀝青混合料中,全面地研究干法摻入煤液化殘?jiān)鬄r青穩(wěn)定碎石混合料的路用性能和疲勞性能,為替代部分礦粉填料的干法外摻煤液化殘?jiān)に嚨目尚行蕴峁┮罁?jù)。

        1 試驗(yàn)原材料技術(shù)性能

        瀝青采用中石化“東海牌”70號(hào)瀝青,石料為蘇尼特左旗瑞通礦業(yè)有限公司生產(chǎn)的石灰?guī)r碎石,礦粉為二連浩特市通惠水泥廠生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉,各材料技術(shù)指標(biāo)見表1~表3。

        表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Asphalt technical indicators

        表2 集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Aggregate technical indicators

        表3 礦粉物理指標(biāo)檢測結(jié)果Table 3 Test results of mineral powder physical indicators

        2 LQ在瀝青穩(wěn)定碎石基層中應(yīng)用探究

        2.1 LQ材料特性

        煤液化殘?jiān)窃涸谔幚磉^程中,經(jīng)過減壓蒸餾等工藝分離出的殘留物,其中灰質(zhì)、炭質(zhì)、揮發(fā)分含量很高,并且組成成分中含有大量瀝青烯物質(zhì)和油分[7],其外觀為黑色粉末狀顆粒,對LQ進(jìn)行電鏡掃描分析,從圖像中可以看出,LQ中材料顆粒由大到小連續(xù)存在,顆粒形狀為不規(guī)則的多面體結(jié)構(gòu),且顆粒表面粗糙,有豐富的附著結(jié)構(gòu)[8]。分別對礦粉、LQ材料和水泥進(jìn)行粒度分析和比表面積測試,結(jié)果見表4、表5。

        圖4 LQ材料顆粒表面微觀圖片F(xiàn)ig. 4 Micro picture of LQ material particle surface

        樣品名稱d10/μmd30/μmd60/μm0.075 mm/%礦粉1.3588.42631.75392.627LQ6.03712.22320.38298.128水泥2.71610.37528.57196.524

        注:d10是指累計(jì)粒度達(dá)到10%時(shí)所對應(yīng)的顆粒尺寸,其他類同。

        LQ、水泥以及礦粉3種材料的0.075 mm篩孔通過率逐漸減小,LQ材料顆粒中,粒徑為10 μm 左右的顆粒含量所占比例高于另外兩種材料,并且其d60也比另外兩種材料小,因此LQ顆??傮w比礦粉和水泥的顆粒要細(xì)。根據(jù)材料比表面積測試結(jié)果,LQ 材料的比表面積最大,說明LQ摻入到瀝青混合料中與瀝青的接觸面積較大,有較強(qiáng)的吸附能力,與瀝青之間的作用力大。

        2.2 LQ摻入工藝研究

        材料的摻入工藝對混合料的性能有重要的影響,摻入工藝不同,材料在混合料中分布狀態(tài)以及反應(yīng)程度就不同,從而影響整個(gè)混合料的性質(zhì)。常用的添加劑摻入工藝有濕法和干法兩種,LQ材料的濕法摻入是指先將LQ加熱到熔點(diǎn)(190 ℃以上),使其成為熔融狀態(tài)摻入瀝青中,充分混合均勻后與石料拌和[9],但LQ材料中灰分礦物質(zhì)含量較多,其與瀝青基本不相溶,若不能采取合適的摻加工藝,會(huì)對制得的改性瀝青性質(zhì)產(chǎn)生一定程度的不良影響,達(dá)不到預(yù)期的效果。

        干拌法是相對于濕法的另一種摻加工藝,將材料在瀝青與石料的拌和過程中以外摻的形式加入。對于LQ材料而言,在混合料拌和過程中一部分溶入到瀝青中,對瀝青起到改性作用,從而提高混合料的性能,同時(shí)由于其中含有較多的灰組分,沒有溶入的部分以物理形態(tài)分布于瀝青中,一些沒有溶入瀝青中粒徑相對較大的LQ顆粒與瀝青的結(jié)合能力較弱,其在混合料中的存在方式主要為和灰分礦物質(zhì)一起分布在礦料之間充當(dāng)填料,降低空隙率,提高密實(shí)度,對混合料的路用性能和疲勞性能有一定程度的改善。主要研究LQ替代部分礦粉摻入混合料前后瀝青穩(wěn)定碎石路用性能和疲勞性能的變化,為了更好的研究LQ材料的性質(zhì),增加一組以水泥為填料的對比組,LQ和水泥的替代量為礦粉質(zhì)量的50%,混合料類型記為礦粉、礦粉+LQ、礦粉+水泥,通過對混合料試件的試驗(yàn)分析,評價(jià)LQ瀝青穩(wěn)定碎石的性能。

        3 路用性能

        3.1 混合料配合比設(shè)計(jì)

        采用ATB-25型瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料,馬歇爾試驗(yàn)方法確定的礦粉和礦粉+水泥兩種類型混合料最佳瀝青用量為3.5%,礦粉+LQ瀝青混合料最佳瀝青用量為3.2%,設(shè)計(jì)級(jí)配見表6,最佳油石比試驗(yàn)結(jié)果見表7。

        表6 ATB-25礦質(zhì)混合料級(jí)配Table 6 ATB-25 mineral mixture gradation

        表7 最佳油石比試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Test results of optimum asphalt aggregate ratio

        3.2 混合料高溫性能

        根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0719—2011 對瀝青混合料進(jìn)行車轍試驗(yàn),不同混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果見表8:

        表8 不同瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Rutting test results of different asphalt mixtures

        由表8可知:礦粉+LQ瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大,礦粉+水泥瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度次之,純礦粉瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最小,礦粉+LQ瀝青混合料穩(wěn)定度接近純礦粉瀝青混合料的1.5倍。從車轍深度來看,礦粉+LQ瀝青混合料的車轍深度最淺,純礦粉瀝青混合料的車轍深度最深,說明干法摻入LQ可以提高瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的高溫性能,LQ材料具有一定的增黏效果,增加了瀝青的黏度,因此LQ瀝青穩(wěn)定碎石基層高溫下抵抗變形的能力增加。

        3.3 混合料水穩(wěn)定性

        不同類型混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見圖2:

        圖2 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Water stability test results

        由圖2可知:礦粉+水泥瀝青混合料的水穩(wěn)定性最優(yōu),純礦粉混合料的殘留穩(wěn)定度最小,礦粉+LQ混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比最小,但符合道路工程瀝青路面施工規(guī)范中對于瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度的規(guī)定要求。LQ材料表面附著結(jié)構(gòu)豐富使瀝青膜的抗剝落能力增強(qiáng),提高了混合料的浸水殘留穩(wěn)定度,其凍融劈裂強(qiáng)度變低的原因,是因?yàn)闉r青含量相對較少,瀝青混合料的空隙率高,在水的浸泡下內(nèi)部含水率高,凍融循環(huán)過程中由于水的作用試件更加容易遭受破壞。

        3.4 低溫性能

        根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0715—2011 對瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn),結(jié)果見表9:

        表9 不同瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Low temperature performance test results ofdifferent asphalt mixtures

        由表9可知:純礦粉瀝青混合料破壞時(shí)的應(yīng)變最大,礦粉+水泥瀝青混合料次之,礦粉+LQ混合料破壞時(shí)應(yīng)變最小,LQ混合料與另外兩種混合料相對比,其低溫抗裂性明顯變差,一個(gè)原因是LQ混合料中的瀝青含量相對較少,另一原因是LQ材料加入后使得瀝青混合料的脆性增加,導(dǎo)致低溫抗裂性變差。

        3.5 瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞特性

        采用MTS材料試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)溫度控制在15 ℃±0.5 ℃,應(yīng)力水平采用0.2、0.3、0.4、0.6四個(gè)應(yīng)力比,對3種填料形式的ATB-25瀝青混合料進(jìn)行疲勞試驗(yàn)[10],4種應(yīng)力水平條件下的疲勞試驗(yàn)結(jié)果及疲勞回歸方程見表10。

        疲勞方程中k值是控制指標(biāo),代表材料的抗疲勞能力,值越大材料抗疲勞能力越強(qiáng);而n值表示應(yīng)力變化對材料疲勞壽命的影響,n值越大,應(yīng)力變化對疲勞壽命的影響越明顯。從疲勞試驗(yàn)回歸方程系數(shù)k和n的值來看,礦粉+LQ瀝青混合料的抗疲勞性能最好,摻加了水泥的混合料和純礦粉混合料的疲勞性能差別不大。LQ混合料與其他兩種混合料相比,其抗疲勞性能較為優(yōu)異, LQ摻入到瀝青混合料中,提高了瀝青膠漿的黏結(jié)能力,而一般疲勞產(chǎn)生的破壞都是從膠漿處產(chǎn)生,在行車荷載的反復(fù)作用下不斷發(fā)展,黏結(jié)能力較強(qiáng)的瀝青混合料能有效地延緩和阻礙疲勞破壞的發(fā)展,從而增加混合料的疲勞壽命。另外LQ瀝青混合料與另外兩種混合料相比,其疲勞方程的n值最大,表明荷載應(yīng)力水平對其抗疲勞性能有較大的影響。

        表10 不同填料瀝青穩(wěn)定碎石疲勞試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Fatigue test results of different packing asphalt stabilized gravel

        從圖3中可以看出,應(yīng)力水平不斷增加,應(yīng)力比超過0.6,應(yīng)力值大于2 MPa的情況下,LQ混合料的疲勞回歸直線開始低于另外兩種混合料,表明再此條件下LQ混合料的疲勞壽命小于另外兩種混合料,當(dāng)應(yīng)力值處于大于2 MPa的應(yīng)力條件下,LQ混合料的抗疲勞能力劣于另外兩種混合料。對此現(xiàn)象進(jìn)行分析得出,LQ瀝青混合料的油石比較低,添加的瀝青相對較少,導(dǎo)致空隙率大,在高應(yīng)力的作用下,試件易從空隙集中處發(fā)生斷裂,觀察試件經(jīng)過疲勞試驗(yàn)后產(chǎn)生的斷裂面,其中粒徑較大的集料沒有發(fā)生破壞,均比較完整,斷裂破壞從集料與瀝青黏結(jié)的部位產(chǎn)生,并且沿著集料的輪廓延伸發(fā)展,空隙越多,裂縫的發(fā)展越容易。當(dāng)應(yīng)力增加到超過瀝青混合料的最大抵抗變形應(yīng)力時(shí),試件就產(chǎn)生破壞,由于LQ混合料中瀝青含量低,其抵抗變形能力不足以抵抗高應(yīng)力條件下的疲勞破壞,因此抗疲勞性能下降。在重載道路中,其基層底部的拉應(yīng)力較大[11],使用干法摻入煤液化殘?jiān)旌狭闲拗鶎訒r(shí),為了防止基層在高應(yīng)力條件下產(chǎn)生疲勞破壞,可以適當(dāng)增加基層厚度。

        圖3 三種瀝青混合料疲勞雙對數(shù)回歸方程Fig. 3 Fatigue double logarithmic regression equation for three asphalt mixtures

        4 結(jié) 論

        1)LQ顆??傮w比礦粉細(xì),比表面積較大,其表面有豐富的附著結(jié)構(gòu),有很好的吸附瀝青的能力,提高了瀝青膜的抗剝落能力。馬歇爾試驗(yàn)方法確定的礦粉和礦粉+水泥兩種類型混合料最佳瀝青用量為3.5%,礦粉+LQ瀝青混合料最佳瀝青用量為3.2%,在瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層中,LQ材料可以降低一定程度的瀝青用量。

        2)填料類型為礦粉+LQ瀝青穩(wěn)定碎石混合料的動(dòng)穩(wěn)定最高,高溫抵抗變形的能力最好;相比于純礦粉瀝青混合料,LQ瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度提高,凍融殘留強(qiáng)度比降低,但仍滿足使用要求;礦粉+LQ瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變比礦粉+水泥和純礦粉瀝青混合料都小,低溫抗裂性能變差。

        3)在應(yīng)力水平較低時(shí)(小于1.5 MPa),LQ瀝青穩(wěn)定碎石抗疲勞性能比另外兩種混合料好,但應(yīng)力水平較高時(shí),其抗疲勞性比另外兩種混合料差;摻加水泥填料與純礦粉混合料抗疲勞性能沒有明顯的差異。

        4)在瀝青穩(wěn)定碎石基層中采用替代部分礦粉填料的干法外摻煤液化殘?jiān)强尚械?,并且能降低瀝青用量,降低瀝青穩(wěn)定碎石基層造價(jià),具有很好的經(jīng)濟(jì)效益,有利于柔性基層的推廣。

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