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        成型溫度對排水瀝青混合料性能的影響研究

        2020-07-09 05:47:04
        北方交通 2020年6期
        關鍵詞:規(guī)范

        張 花

        (山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

        我國對于PAC路面的研究起步較晚,由于氣候、交通、材料和技術條件的差異,國外排水瀝青路面設計經(jīng)驗難以滿足我國高等級公路的抗車轍和水損等耐久性需求[1]。經(jīng)國內外研究發(fā)現(xiàn),PA(即對應于PAC的混合料,簡稱PA)存在著結合料析漏、松散和脫層等問題,繼而影響路面的耐久性。目前國內外PA多采用聚合物改性瀝青如高粘瀝青作為粘結材料,加強瀝青對集料的粘結和裹覆能力[2]。由于采用聚合物改性瀝青,PA的拌和溫度達180℃左右,成型溫度較拌和溫度稍低。但過低的成型溫度會導致瀝青粘度較大,混合料壓實度不夠、空隙率增大等問題,影響路用性能;過高的成型溫度會導致瀝青老化及混合料滑移等問題,均對PA路用性能產生不利影響。選擇適宜的成型溫度范圍是保證PA路用性能的必要條件?!锻杆疄r青路面技術規(guī)程》[3]中并未規(guī)定成型溫度,而選擇適宜的成型溫度范圍是保證PA體積參數(shù)和路用性能的必要條件,故通過室內試驗研究成型溫度對PA性能的影響規(guī)律。

        1 原材料和試驗方法

        1.1 瀝青

        PA為大孔隙結構,集料間為點―點接觸,對瀝青的粘結性能要求較高,故需采用高粘瀝青,高粘瀝青技術性能試驗結果如表1所示。

        表1 高粘瀝青試驗指標

        1.2 集料

        排水瀝青混合料對集料的性能有較高要求,因此常采用玄武巖。玄武巖的物理力學性能見表2,各項性能指標均滿足《規(guī)范》[3]的要求。

        表2 玄武巖的技術指標

        1.3 級配

        本文的目標級配選擇規(guī)范中PA-13級配的中值,如表3所示。按標準馬歇爾試驗方法進行最佳油石比的確定,最佳油石比為5.6%。

        表3 PA-13級配

        2 不同成型溫度對PA體積參數(shù)的影響研究

        按《透水瀝青路面技術規(guī)程》成型透水瀝青混合料,其中級配取規(guī)范級配范圍的中值。探究成型溫度對PA的性能影響規(guī)律,包括PA的體積參數(shù)和路用性能,確定合理的成型溫度是保證研究意義的關鍵因素。魯正蘭[1]取間隔溫度為15℃或10℃,設置了從90~190℃的成型溫度進行路用性能研究;李秀君[5]按間隔溫度10℃對添加溫拌劑和未添加溫拌劑的瀝青混合料體積參數(shù)進行研究。《規(guī)程》[3]規(guī)定,PA的HMA(熱拌瀝青混合料)生產溫度控制中,加熱溫度一般為160~170℃,混合料出料溫度為170~185℃,出料溫度低于165℃或高于195℃的瀝青混合料按廢棄處理。

        結合國內外試驗和規(guī)范對普通瀝青混合料和排水瀝青混合料的成型溫度的擬定方法,考慮到出料后至成型流程間存在的溫度損失,將本研究最低成型溫度定為150℃,最高成型溫度定為180℃,按照15℃為溫度間隔,即共計三組成型溫度:150℃、165℃和180℃。

        按照制定三組溫度成型的PA標準馬歇爾試件,進行PA穩(wěn)定度試驗,試驗結果見圖1和表4。數(shù)據(jù)說明成型溫度對PA的流值及穩(wěn)定度影響明顯,當成型溫度為150℃時,PA受壓達到破壞點的垂直變形量過小,流值過低。總體規(guī)律為流值及穩(wěn)定度均隨著PA成型溫度的降低而減少,且流值的減少幅度呈逐漸放緩趨勢。

        表4 流值及穩(wěn)定度

        將三組溫度成型的PA標準馬歇爾試件脫模后測量試件的質量、直徑和高度,通過計算得到不同成型溫度下的平均空隙率[6]。其中,利用游標卡尺進行第一個成型試件脫模前測量的高度來判斷PA質量取值是否合理,標準馬歇爾試件的高度為63.5±1.3mm,以盡量將后續(xù)成型試件的高度控制在這一范圍內為目標,預估和調整混合料的稱取質量,例如第一個試件在直徑滿足要求的情況下,高度超限,則可以適當減少稱取的混合料質量,因此每個成型溫度的①號試件為試打試件,主要用于調整后續(xù)高度和直徑。標準馬歇爾試件應滿足直徑101.6mm±0.2mm,對于不達要求的試件需作廢處理。高度及空隙率試驗結果見表5,其中每組①號為試成型試件,關系圖見圖2。

        表5 高度及空隙率

        脫模后的PA試件直徑均為101.6mm,滿足規(guī)范要求。PA成型溫度165℃和180℃時,高度和空隙率均滿足規(guī)范要求;成型溫度為150℃時,由于試件①的高度超標,故調整了混合料稱取質量,平均高度滿足規(guī)范要求,但計算空隙率偏大,不滿足《規(guī)程》[3]中容許偏差±1%要求。

        在PA試件①成型后測量未脫模的高度值雖然可以對后續(xù)試件稱取質量進行調整,但對空隙率的影響不大,當PA在150℃成型時就能很好地驗證這一點??傮w規(guī)律為空隙率隨著PA成型溫度的降低而升高,在相同質量下較高的成型溫度擁有較低的空隙率以及試件高度。

        成型溫度是造成在相同級配和油石比條件下PA試件空隙率不同的因素之一,當成型溫度低于一定水平時,高粘瀝青的流動性會降低。在用稱勺挖取混合料的時候就能感受到150℃下混合料的粘結阻力明顯增強,在雙面擊實后PA試件的高度也較高,這與推測規(guī)律一致。此外,從圖4成型溫度與空隙率曲線中,空隙率線在150℃的切線斜率大于180℃的切線斜率可以推測,隨著成型溫度的進一步降低,PA空隙率增大的現(xiàn)象會更加嚴重。因此若要滿足目標空隙率的范圍、保證施工質量,就必須對成型溫度進行嚴格把控。

        3 不同成型溫度對PA路用性能的影響研究

        體積參數(shù)反映了PA內部結構的合理性,而其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗飛散性則是保障PAC路面良好耐久性的關鍵指標,有必要對其進行研究。表6為不同成型溫度對PA各項路用性能的影響研究結果。

        表6 PA路用性能

        由表6可以看出,成型溫度180℃和165℃的PA試件殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求,成型溫度150℃的殘留穩(wěn)定度低于規(guī)范要求且差距較大,僅為72.1%。殘留穩(wěn)定度數(shù)值反映了隨著成型溫度的降低,殘留穩(wěn)定度迅速下降,150℃時的殘留穩(wěn)定度不能滿足規(guī)范大于75%的要求。高溫性能方面,成型溫度180℃的60℃動穩(wěn)定度滿足《排水路面技術細則》的要求,而165℃和150℃的動穩(wěn)定度不滿足要求。以成型溫度180℃為參考對象,動穩(wěn)定度隨著成型溫度的降低而迅速降低,且150℃和165℃的車轍變形量差異較大。需要注意的是,成型溫度165℃的PA動穩(wěn)定度相比180℃僅為1/3左右,這一現(xiàn)象在三組重復性試驗中都存在,動穩(wěn)定度的銳減使165~180℃這一成型溫度區(qū)間內的變化規(guī)律不夠明朗。最后飛散性能方面,成型溫度180℃、165℃和150℃的PA試件飛散損失均滿足≤15%的規(guī)范要求。說明成型溫度雖然對PA的飛散性能有影響,較低成型溫度的PA飛散損失較大,但依然沒有十分明顯的抗飛散性能下降情況發(fā)生??梢娤啾扔诔尚蜏囟龋褪仁怯绊戯w散性能更為關鍵的因素之一。

        4 結語

        根據(jù)國內外研究經(jīng)驗和規(guī)范要求確定了PA試驗的成型溫度范圍,研究不同成型溫度對PA體積參數(shù)和路用性能的影響。得出的主要結論如下:

        (1)成型溫度為165℃和180℃時,PA的流值及穩(wěn)定度均滿足要求,且變異性不大;成型溫度為150℃時,PA的穩(wěn)定度滿足要求,流值不滿足要求。

        (2)在合理的成型溫度范圍內,PA穩(wěn)定度基本隨著溫度的升高而線性增加,流值隨著溫度的升高而增加,增幅逐漸放緩。由于PA的粗集料偏多,流值普遍處于規(guī)范要求范圍的較低水平,即試件的抗變形能力一般,若有對PA的變形性能需求,可以適當增大油石比或增加細集料比例。

        (3)在保證試件合理高度的前提下,成型溫度為165℃和180℃時,PA的空隙率滿足要求;成型溫度為150℃時,空隙率偏大,不滿足規(guī)范要求。

        (4)在控制馬歇爾試件合理高度范圍的前提下,出料稱取質量的調整對PA馬歇爾試件空隙率的影響不大;當成型溫度低于一定水平時(本研究中的150℃),高粘瀝青的流動性變差,雙面擊實難以達到目標空隙率。若采用旋轉壓實是否會改善較低成型溫度的空隙率,還需后續(xù)試驗驗證。

        (5)成型溫度對PA的高溫性能和水穩(wěn)定性能影響較大,而對飛散性能影響較小。其中180℃和165℃下試件的動穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求。相比于成型溫度,油石比是影響飛散性能更為關鍵的因素。

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