張波 曹海盛 余昕潔 許斌
(1.中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司,河北 石家莊 050000;2.中路高科(北京)公路技術有限公司,北京 100000)
近年來,隨著中國經(jīng)濟社會及交通運輸行業(yè)的快速發(fā)展,飛速上漲的交通量對公路基礎設施建設提出了更高要求,隨之增大的還有對筑路材料的需求。尤其是在我國沿海夏季降水量大、氣溫較高,部分道路出現(xiàn)車轍和水損害問題的地區(qū)。
為保證瀝青混合料的水穩(wěn)定性,公路工程一般采用堿性骨料或中性骨料作為路面材料,例如石灰石、玄武巖等?;◢弾r在我國沿海地區(qū)分布廣泛,與石灰石相比,其硬度更大,耐磨性更好。但花崗巖的二氧化硅含量較高,屬于酸性巖石,瀝青附著力較差,摻入瀝青混合料后,整體的水穩(wěn)定性也較差。此外,花崗巖的應用也很有限。在工程中,石灰被用作礦粉的改性劑,以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性[1][2]。一些偶聯(lián)劑被用作改性劑來制備改性瀝青[3],但偶聯(lián)劑是有機的,在高溫下穩(wěn)定性較差。在拌和過程中,花崗巖容易發(fā)生化學反應,在瀝青混合料中不能起到相應的作用。
如果能改善花崗巖的瀝青附著力及其瀝青路面的高溫性能[5],研制出適合沿海地區(qū)瀝青路面的改性瀝青和瀝青混合料,就能方便公路工程就地取材,降低工程成本,提高瀝青路面性能。
納米材料尺寸小,易在瀝青中分散。選擇合適的納米材料可以提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性。為了提高花崗巖瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫性能,在A-70#基質瀝青中摻加納米碳酸鈣和青川巖瀝青制備改性瀝青。納米碳酸鈣顆粒小、易分散,可制備性能均衡的改性瀝青,納米碳酸鈣與基質瀝青質量之比為5%。因為成分與瀝青相似,所以巖石瀝青與基質瀝青的相容性更好。把巖石瀝青加工成粉末,巖石瀝青與基礎瀝青的比例為5%。
把兩種改性劑按一定量加入160℃的基質瀝青中,高速攪拌2小時制備試樣?;|瀝青和復合改性瀝青的基本性能試驗結果如表1所示。
表1 瀝青技術指標測試結果
由表1可知,添加納米碳酸鈣和巖石瀝青后,復合改性瀝青的軟化點升高,殘余針入度增大,因此改性瀝青的耐高溫和耐老化性能隨之提高。延度的降低也間接反映了其低溫延展性能的降低。
附著力試驗可以間接反映瀝青混合料集料之間的黏附性能。改性瀝青與花崗巖黏結性試驗結果如表2所示。
表2 瀝青與花崗巖黏結試驗結果
由表2可知,瀝青和花崗巖的黏結等級從2級增加到4級,這間接表明改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到了改善。
為研究復合改性瀝青混合料的高溫性能,瀝青混合料采用粗瀝青混凝土AC-20C,集料選用花崗巖,并采用石灰石礦粉。車轍試驗部分參照我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)。車轍試驗的尺寸為300mm×300mm×50mm,測試60℃的動態(tài)穩(wěn)定性,試驗結果如表3所示。
表3 瀝青混合料車轍試驗結果
采用復合改性瀝青對瀝青混合料進行動態(tài)穩(wěn)定改性。其結果表明,添加納米碳酸鈣和巖石瀝青后,瀝青混合料的高溫性能有所提高。
為研究復合改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性,瀝青混合料采用粗瀝青混凝土AC-20C,粗骨料和細骨料選用花崗巖,并采用石灰石礦粉。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011),制定標準馬歇爾。實施馬歇爾試驗和浸水馬歇爾試驗時,兩側壓實次數(shù)為75次,測試溫度為60℃,試驗結果如表4所示。
表4 瀝青混合料馬歇爾試驗結果
由表4可知,改性瀝青混合料的穩(wěn)定度得到了大幅提高,證明瀝青混合料的水穩(wěn)定性得到了改善。
改性劑中使用的納米碳酸鈣顆粒較小,易在瀝青中分散。由于表面積大,混合料中會形成更多瀝青,從而提高瀝青混合料的高溫性能。同時,納米碳酸鈣是堿性材料,加入納米碳酸鈣改性瀝青包裹在花崗巖表面,能使花崗巖表面呈堿性,提高花崗巖的瀝青附著力和瀝青混合料的水穩(wěn)定性。
巖石瀝青屬于天然瀝青,其成分與普通瀝青相似,在普通瀝青中作為改性劑具有良好的相容性。分析青川巖瀝青的組成和灰分的礦物組成,結果如表5所示,巖石瀝青組分的瀝青質含量遠高于普通瀝青,因此瀝青混合料的高溫性能較好。巖石瀝青除了含有瀝青質、膠質、芳香族化合物等外,還含有一些主要的礦物質,例如碳酸鈣。作為一種小顆粒,它還可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。
表5 瀝青組分分析結果
納米碳酸鈣已經(jīng)批量生產,成本相對較低。巖石瀝青的組成與基質瀝青相似,且與基質瀝青相容性較好,可作為改性劑。研究表明,加入5%納米碳酸鈣和5%巖石瀝青,花崗巖與瀝青的附著力可提高到4級,滿足工程需要。以花崗巖作為骨料制備改性瀝青混合料,可提高改性瀝青混合料的高溫性能和水穩(wěn)定性。制備的復合改性瀝青適合我國沿海花崗巖分布區(qū)的氣候條件,同時可以降低工程造價,保護環(huán)境。