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        基于表面能理論的瀝青混凝土 抗剝落劑最佳摻量分析

        2021-03-01 08:18:02多吉歐珠格桑久美
        山東交通科技 2021年6期

        邵 華,多吉歐珠, 格桑久美

        (1.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250031;2.西藏珠峰交通工程檢測有限公司,西藏 日喀則 857000)

        引言

        西藏農(nóng)村公路多采用瀝青路面,石料多為石灰?guī)r等中性、堿性石料,與瀝青黏附性好,卻缺乏耐磨性,有時無法滿足瀝青路面耐磨耗、抗滑的需求。因此,在西藏地區(qū)多為就地取材、因地制宜的情況下,瀝青混凝土選擇酸性集料時,需摻加抗剝落劑。酸性集料更為堅硬,摻加抗剝落劑后,通過降低集料與瀝青界面張力,增強黏附性,保證了瀝青混凝土的各項性能指標(biāo)。

        1 表面能理論概述

        道路工程中,表面能為瀝青-集料體系單位表面積增加過程中吉布斯自由能變化量,通過表面能理論能夠?qū)r青-集料黏附性進(jìn)行量化,且通過黏附結(jié)合、內(nèi)聚結(jié)合能等理論,解釋水的侵蝕下混合料破壞機理,評價瀝青混合料是否能夠提高抗水損害能力[1]。按照表面能理論及測試方式,能夠獲得瀝青-集料表面能參數(shù),以此計算剝落功、黏附功等表面能指標(biāo),評價瀝青混合料性能。

        瀝青-集料黏附功是污水條件下,集料表面瀝青黏附體系的表面自由能公式:

        2 材料與試驗

        2.1 材料

        集料選用破碎礫石,成分以二氧化硅為主,和瀝青黏附性差,為典型酸性集料;瀝青選用70#石油改性瀝青;抗剝落劑是根據(jù)瀝青與集料黏附性差的問題,采取非胺類 AMR型抗剝落劑,以此改善瀝青與集料黏附性能,外觀是淺黃色固體顆粒,無刺激性氣味,熔點為61.1 ℃,和熱熔瀝青具有良好相容性,適用于熱拌瀝青混合料。

        2.2 方法

        瀝青抗剝落劑摻量是0.5%、0.4%、0.3%作為指標(biāo)進(jìn)行試驗。通過全自動表面張力儀,以插板法測定瀝青表面能參數(shù),插板法利用測定接觸角的方式,計算瀝青表面能,包含后退接觸角與前進(jìn)接觸角[2]。而在瀝青表面能參數(shù)計算中,前進(jìn)接觸角更為精準(zhǔn),選擇前進(jìn)接觸角測定瀝青表面能,是指瀝青玻璃片插入溶液內(nèi)形成夾角,模擬瀝青和集料黏附過程,見圖1。

        圖1 前接觸角測試

        表面能和接觸角公式:

        式中:—物質(zhì)表面發(fā)力;γLW—非極性分量色散分量;γ-—Lewis堿性分量;γ+—Lewis酸性分量。

        2.3 表面能參數(shù)

        將瀝青和溶劑表面參數(shù)的接觸角帶入公式(2),可獲得抗剝落劑前進(jìn)過程表面能參數(shù),結(jié)果見表1。

        2.4 黏附性能分析

        在瀝青混合料摻量分析中,將參數(shù)帶入公式(1),計算瀝青-集料黏附功,將其帶入公式(2),分析瀝青-集料剝落功,結(jié)果見表2。

        研究表明,瀝青-集料Gsa黏附功和Gsaw剝落功比值絕對值能夠表明瀝青-集料黏附性質(zhì)量,以ER指標(biāo)表示:

        ER指標(biāo)能夠代表瀝青-集料黏附性,數(shù)值越大,代表黏附性越好。瀝青抗剝落劑機理是根據(jù)集料化合反應(yīng),形成強力化學(xué)紐帶,提高瀝青-集料黏附性。當(dāng)抗剝落劑摻量為0.4%,ER指標(biāo)最大,代表瀝青-集 料此時黏附性最大。試驗檢測結(jié)果顯示,添加0.4%抗剝落劑后改性瀝青黏附性達(dá)到5級。

        3 瀝青混合料水穩(wěn)定性分析

        3.1 評價方法

        瀝青混合料水穩(wěn)定性,是指瀝青-集料構(gòu)成黏附層,遇水后對瀝青產(chǎn)生置換作用,引起瀝青剝落。瀝青水穩(wěn)定性性能不足,易產(chǎn)生水損害,水的作用導(dǎo)致瀝青與集料黏附性降低,水分會進(jìn)入混合料內(nèi),行車壓力下遷移集料表面瀝青,瀝青膜較薄,水會穿透瀝青膜造成剝落[3]。加入抗剝落劑,研究混合料水穩(wěn)定性變化,采取浸水馬歇爾穩(wěn)定試驗的方式,檢驗瀝青混合料遭受水損害后抗剝落能力,是檢驗水穩(wěn)定性的指標(biāo),殘留穩(wěn)定度大,則代表混合料水穩(wěn)定性良好。

        3.2 結(jié)果分析

        選用抗剝落劑、水泥、瀝青混合料的方式,水泥外摻,替代礦粉添加到瀝青混合料內(nèi),制作的瀝青混合料馬歇爾試件尺寸,滿足高度62.00~64.00 mm、 直徑101.4~101.8 mm的情況下,開展后續(xù)試驗,試樣合格后放入標(biāo)準(zhǔn)60 ℃恒溫水浴內(nèi)浸泡35 min,加載速率是50 mm/min[4]。試驗結(jié)果見表3。

        表3 試驗結(jié)果

        由表3可知,加入抗剝落劑后,瀝青混合料產(chǎn)生顯著變化,提高了浸水穩(wěn)定度與混合料殘留穩(wěn)定度。在抗剝落劑摻量是0.3%、0.4%與0.5%剝落劑摻量中,盡管0.3%與0.5%摻量有改善效果,且0.3%摻量優(yōu)于0.5%摻量,卻仍有不足。而0.4%摻量時,殘留穩(wěn)定度較高,達(dá)到了良好抗剝落效果。因此,改善瀝青水剝落性的最佳摻量是0.4%。

        4 結(jié)語

        在西藏自治區(qū)公路建設(shè)發(fā)展下,優(yōu)質(zhì)石料逐漸緊缺,迫切需要尋找其用于建設(shè)公路的石料。各地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造不同,種類也千差萬別,需要就地取材、因地制宜?;诠こ淘靸r,有些情況會選用弱酸性集料完成公路建設(shè)。為了提高瀝青混合料水穩(wěn)定性,需添加抗剝落劑,基于表面能理論,通過馬歇爾穩(wěn)定試驗的方式,分析發(fā)現(xiàn)最佳摻量為0.4%,能夠有效增強瀝青水穩(wěn)定性。

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