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        瀝青與玄武巖粗集料黏附性水煮法試驗及評價方法的改進

        2020-06-05 08:09:58肖春發(fā)羅衛(wèi)張仕符亞軍
        中外公路 2020年2期
        關(guān)鍵詞:抗水黏附性吸水率

        肖春發(fā),羅衛(wèi),張仕,符亞軍

        (湖南省建筑科學研究院,湖南 長沙 410002)

        玄武巖是優(yōu)質(zhì)的瀝青路面筑路材料,在建設(shè)高峰期,玄武巖集料供不應(yīng)求,各地也有吸水率較大的玄武巖集料出現(xiàn),雖然相關(guān)規(guī)范中對集料吸水率有要求,但這些集料在常規(guī)的與瀝青黏附性試驗(以下均稱黏附性試驗)中,均有較好的檢測指標,從而常常誤導參建各方采用這類集料,實際應(yīng)用后,路面往往會出現(xiàn)較嚴重的水損害,常規(guī)檢測方法已不能真實評價瀝青與高吸水率玄武巖集料的黏附性。該文通過改進試驗方法,選擇4種不同吸水率玄武巖粗集料,確定合理的含水量比,在該含水量比狀態(tài)下與瀝青裹覆,測試在水煮過程中瀝青膜剝落所需要的時間,不同吸水率玄武巖抗水剝離能力呈現(xiàn)顯著的差異和規(guī)律,吸水率與剝落時間建立對應(yīng)關(guān)系,并通過其他玄武巖集料驗證對應(yīng)關(guān)系,確定黏附性等級劃分,評價集料的抗水剝離能力。作為吸水率指標的補充,改進的黏附性等級評價可作為粗集料是否合格的判斷方法,為混合料設(shè)計及原材料選擇提供參考。

        1 常規(guī)黏附性試驗

        取通車后留樣的4種不同吸水率的13.2~19 mm玄武巖碎石,按照測試規(guī)范要求,各取一組系牢烘干后充分與瀝青裹覆,在微沸水中水煮3 min,測試瀝青膜的剝落程度,結(jié)果如表1所示。

        表1 不同吸水率玄武巖與瀝青黏附性試驗測試結(jié)果及路面實際狀況

        由測試結(jié)果可以看出:在常規(guī)測試方法下,不同吸水率玄武巖的黏附性均為較理想的5級,無法合理判斷高吸水率玄武巖的抗水剝離能力。

        2 常規(guī)黏附性試驗的缺陷

        黏附性試驗主要是模擬瀝青與碎石在高溫情況下裹覆,在100℃的水中沸煮一定時間后,瀝青膜的剝離程度,但瀝青混合料拌和過程中,集料的加熱時間、瀝青的摻入量都是標準化控制的,與試驗室的情況有顯著的不同,同時實際路面的抗水損害影響因素有荷載、雨水沖刷等。玄武巖黏附性試驗主要有以下幾點缺陷:

        (1) 未考慮高吸水率玄武巖內(nèi)部孔隙存在殘留水的情況對黏附性的影響。在拌和樓里,集料加熱溫度及時間是標準化的,臨時更換一種集料后,往往不會臨時提高加熱溫度及延長加熱時間,高吸水率玄武巖集料孔隙內(nèi)勢必有殘留水的存在,而在室內(nèi)試驗中,集料要烘干至恒重并干燥,室內(nèi)試驗與拌和樓實際生產(chǎn)存在較大出入。

        (2) 未考慮雨水沖刷對黏附性的影響。路面淋雨后,在車輛荷載作用下,雨水沖刷孔隙,對面層內(nèi)部集料表面的瀝青膜有沖刷作用,而室內(nèi)試驗是在微沸的水中進行,幾乎沒有水流動,也不會產(chǎn)生沖刷作用。

        (3) 黏附性試驗瀝青膜厚度遠遠大于拌和樓瀝青混合料瀝青膜厚度。拌和樓中是將瀝青加入到集料中拌和,瀝青含量往往只有百分之幾,而室內(nèi)試驗是將碎石浸到瀝青中,有足夠的瀝青充分裹覆集料表面,瀝青膜厚度也遠遠超過混合料。

        (4) 剝落面積的判斷存在主觀性,無法定量評價。剝落面積的判斷全靠肉眼,而且剝落百分比也是大概估算,測試結(jié)果與觀察者有關(guān),不同的觀察者可能得出不同的結(jié)果。

        (5) 試驗室沸煮時間有爭議。水損害有一個時間的過程,微沸狀態(tài)下煮3 min,對于玄武巖等堿性石料,幾乎看不出什么異常。

        3 改進方向

        綜合以上因素,尋找一種既能考慮玄武巖孔隙中殘留水、雨水沖刷的影響,又能考慮瀝青膜厚度的折減及定量評價的試驗方法,該文考慮了以下的改進方向,以期能反映玄武巖瀝青路面實際的抗水損害能力。

        (1) 考慮玄武巖中存在一定的含水量,將表1中4種玄武巖集料飽水后,表干狀態(tài)放入(105±5) ℃烘箱烘干24 h,含水量測試頻率按以下方法進行:前0.5 h每10 min測試一次,12 h內(nèi)每0.5 h測試1次,12 h后每1 h測試一次。測試結(jié)果如圖1、2所示。

        圖1 集料含水量隨烘干時間變化圖

        圖2 前12 h含水量比變化

        由圖1、2可知:4組集料含水量在前幾個小時內(nèi)變化較大,越往后變化越小。按4組集料的平均值統(tǒng)計,烘干10、20、30、180、720 min集料含水量與表干狀態(tài)含水量的比(以下統(tǒng)稱含水量比)分別為0.81、0.65、0.52、0.25、0.0(表2)。

        (2) 考慮瀝青膜厚度比實際施工中大,增加試驗過程中的不利條件,在滾沸水環(huán)境下進行試驗,并且將碎石置于沸泡上方,以沸泡對碎石及瀝青膜的沖擊來模擬沖刷作用。

        表2 關(guān)鍵時間節(jié)點含水量比統(tǒng)計

        (3) 不再按3 min的煮沸時間考慮,也不按常規(guī)檢測方法觀察剝落面積,而是按完全剝落,即碎石表面裸露、瀝青全浮于水面上所需要的時間來記錄試驗結(jié)果。

        4 試驗方案及結(jié)果分析

        按表2所示關(guān)鍵時間節(jié)點所代表的含水量比,分別取表干、烘干10、20、30、180、720 min的碎石,裹覆70#石油瀝青后在滾沸的水中進行試驗,且將碎石置于沸泡上方,模擬水流沖刷,測讀瀝青膜完全剝落所用的時間,在不同的烘干狀態(tài)下,測試結(jié)果如表3所示。

        表3 不同烘干狀況下剝落時間統(tǒng)計

        由表3可知:

        (1) 烘干時間越長,剝落時間越長。吸水率較大的1#、2#集料剝落時間前30 min內(nèi)增加幅度較大,180 min后增加幅度較??;吸水率較小的3#、4#集料剝落時間增長相對1#、2#集料平穩(wěn),并且在烘干狀態(tài)下剝落時間小于1#、2#集料。

        (2) 從吸水率依次減少的1#~4#集料的順序來看,表干未烘及烘干20 min狀態(tài)的剝落時間基本上看不出明顯差別,烘干至10 min時,隨著1#~4#集料吸水率的減少,剝落時間呈增大的趨勢,30 min及以后,隨著吸水率的減少,剝落時間同時減少。

        不妨按水煮剝落時間越長,抗水剝離能力越好來評價瀝青與集料的黏附性。以上結(jié)果顯示常規(guī)烘干超過180 min以上的方法,高吸水率玄武巖表現(xiàn)的抗水剝離能力遠優(yōu)于低吸水率玄武巖,而實際路面病害表現(xiàn)出來的瀝青路面抗水損害能力恰恰相反。

        選擇具有代表性的烘干10 min的集料進行試驗,表現(xiàn)出來的結(jié)果是吸水率由大到小,其剝落時間由短變長,抗水剝離能力逐漸提高。因此烘干10 min所代表的含水量比可以作為瀝青與玄武巖黏附性試驗條件之一。但由于只烘干10 min,雖然表面水分烘干了,但集料溫度并沒有上來,瀝青裹覆后,在懸掛冷卻過程中,受碎石本身溫度的影響,多余的瀝青并不能流掉,對測試結(jié)果有一定影響。為此需要找到一種新的方法,既能保證10 min時的含水量,又能保證碎石的溫度。

        將碎石水煮飽和后取出,由于水煮集料本身和水均為100 ℃,碎石表面水分會有一部分自然蒸發(fā),干毛巾拭去余水,此時的含水量比與烘干10 min相當,溫度也能得到保證,用改進的方法測試后,剝落時間也能呈現(xiàn)較好的規(guī)律(表4)。

        表4 改進后的方法與烘干10 min方法對比

        結(jié)合路面的實際情況,1#、2#集料鋪筑的路面出現(xiàn)了水損害,而3#、4#集料路面無明顯水損害現(xiàn)象。說明當剝落時間低于770 s時,集料的抗水剝離能力較差。

        同時,如表3所示,隨著烘干時間的延長,各種集料的剝落時間呈增大趨勢,1#、2#集料增長速度較快,3#、4#集料增長速度較慢,在剝落時間約為1 000 s時交匯,因此可以認為不論吸水率為多少,剝落時間超過1 000 s的,此時的黏附性能為優(yōu)良,同樣也可以作為碎石烘干10 min時的黏附性評價標準。

        為此,在改進的方法下,根據(jù)剝落時間,對黏附性等級進行優(yōu)良、中、差3個等級劃分,優(yōu)良等級:>1 000 s;中等級:770~1 000 s之間;差等級:<770 s。

        5 試驗方法改進的確定及驗證

        將改進方法的吸水率-剝落時間測試結(jié)果進行回歸,結(jié)果如圖3所示。相關(guān)系數(shù)R達到0.988,相關(guān)性較好,說明改進的試驗方法是可行的。

        圖3 吸水率與剝落時間的回歸曲線

        通過試驗分析,確定對瀝青與粗集料黏附性試驗及評價方法的改進如下:

        (1) 碎石通過水煮飽和后,用干毛巾拭干碎石表面水,立即浸入事先準備好的熱瀝青中裹覆,讓碎石中含有一定比例的水分。

        (2) 沸煮采用滾沸的方法,碎石置于沸水中的氣泡上方,模擬沖刷作用。

        (3) 觀察瀝青膜剝落所用的時間,以剝落時間作為玄武巖集料抗水剝離能力評價指標。

        (4) 按剝落時間,黏附性等級分為優(yōu)良、中、差3個等級。剝落時間大于1 000 s為“優(yōu)良”等級、處于770~1 000 s之間為“中”等級、小于770 s為“差”等級。

        為驗證改進后的試驗評價方法,另找3組不同吸水率的玄武巖進行試驗,驗證結(jié)果如下:剝落時間與按回歸公式計算的結(jié)果差別不大,在±10 s范圍內(nèi),黏附性等級評價結(jié)果均相同(表5)。

        表5 驗證結(jié)果統(tǒng)計

        對采用3種驗證材料的路面狀況進行調(diào)查,3#路面幾乎無水損害,2#路面水損害不明顯,1#路面有坑槽、松散等明顯的病害,路面水損害狀況與改進的黏附性試驗評價結(jié)果相吻合。

        6 結(jié)語

        通過考慮碎石內(nèi)部一定量的水分,模擬沖刷作用,以剝落時間定量評價集料的抗水剝離能力,并通過試驗分析,劃分了優(yōu)良、中、差3個等級的評價標準,通過回歸和驗證,證實了改進后的瀝青與玄武巖粗集料黏附性測試方法可行有效,能真實反映路面的實際抗水損害能力,具有較好的適用性。

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