詮釋高堿性礦粉在瀝青混凝土路面中的試驗(yàn)

王娟莉

摘要：近年來高速公路的數(shù)量日益增多，為了增加瀝青混凝土路面的耐磨性，對(duì)中性和酸性的石料使用也大大增加。但在使用中性和酸性的石料時(shí)，其與瀝青一樣的基性使得與瀝青的粘附性不夠，容易造成瀝青混凝土路面使用早期就出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象。本試驗(yàn)通過在礦粉中加入石灰提高了礦粉的堿性，不僅能夠增強(qiáng)瀝青混合料的抗剝落性，還能獲得好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：高堿性礦粉；瀝青混凝土路面；抗剝落

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1674-3954（2013）21-0334-02

1 高堿性礦粉在瀝青混合料中的作用

將瀝青與礦料進(jìn)行混合，它們之間會(huì)產(chǎn)生一系列負(fù)責(zé)的物理一化學(xué)的交互反應(yīng)，瀝青會(huì)在礦粉的表面對(duì)其化學(xué)組分進(jìn)行重新排列并形成擴(kuò)散溶劑膜，該膜具有一定的厚度，膜厚度內(nèi)的瀝青為結(jié)構(gòu)瀝青，膜外的瀝青為自由瀝青。

1.1 物理作用

瀝青膠漿的界面形狀和性能同時(shí)受到礦粉的紋理、細(xì)度、形狀、表面構(gòu)造、粗糙度以及礦粉的成分等的影響。瀝青膠漿中礦粉與瀝青界面問的黏附性隨著粉油比的增大而增大，但若粉油比到達(dá)0.8左右時(shí)黏附性則會(huì)隨著粉油比的增加而減少。

1.2 化學(xué)作用

在礦料中加入石灰，其主要成分氧化鈣與水結(jié)合會(huì)變成氫氧化鈣，呈堿性的氫氧化鈣會(huì)和瀝青中的羥酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成混凝土土鹽。由于鹼土鹽的吸附能力，因而會(huì)牢牢的吸附在粒料的表面，這樣瀝青就很難從粒料上脫落。同時(shí)，消石灰也可以和瀝青中的有機(jī)酸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，通過活化粒料的表面來提高粒料和瀝青之間的結(jié)合能力。

2 在瀝青混合料中使用高堿性礦粉的試驗(yàn)研究

本試驗(yàn)主要的研究?jī)?nèi)容是確定灰和礦粉的最佳摻配比例，并研制了新的高堿性礦粉，然后對(duì)該礦粉的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了驗(yàn)證，并得出了相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)論。

2.1 試驗(yàn)方法與過程

①通過試驗(yàn)得到瀝青混凝土的配合比并計(jì)算礦粉的使用量；②通過馬歇爾試驗(yàn)將不同比例的石灰和礦粉進(jìn)行混合用來替換單一的礦粉確定兩者之間的最佳用量比；③進(jìn)行不同類型級(jí)配的驗(yàn)證。

2.1.1 材料試驗(yàn)

（1）基質(zhì)瀝青

使用70號(hào)瀝青，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011）的要求進(jìn)行試驗(yàn)。將瀝青單質(zhì)材料分為3組，通過試驗(yàn)分別得到這3組基質(zhì)瀝青的針入度、軟化點(diǎn)、15℃延度、閃點(diǎn)、溶解度、蠟含量，將這些技術(shù)指標(biāo)參照重交通道路石油瀝青的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行比較，以判斷瀝青單質(zhì)是否符合要求，若不符合要求則要重選試驗(yàn)所用的瀝青單質(zhì)。

（2）集料

集料是在公路的施工現(xiàn)場(chǎng)直接取回，將集料按照粒徑為1～2cm、粒徑為2～3cm分開，然后分別對(duì)這兩種指標(biāo)的粒徑進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試它們的壓碎值、磨耗值、表觀相對(duì)密度、吸水率、針片狀顆粒含量、軟石含量等數(shù)據(jù)，判斷其是否符合相關(guān)的要求。

（3）礦粉

礦粉是由石灰石研磨而成，通過試驗(yàn)要得到礦粉的表觀密度、親水系數(shù)、含水量以及塑性指數(shù)，采用符合相應(yīng)指標(biāo)的礦粉進(jìn)行下一步的試驗(yàn)。

2.1.2 礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)

（1）礦質(zhì)混合料的組成設(shè)計(jì)過程

為了符合級(jí)配范圍將兩種或兩種以上的集料進(jìn)行配合，對(duì)礦質(zhì)混合料的組成進(jìn)行設(shè)計(jì)就是要確定混合料中個(gè)集料所占的比例。不同粒徑的礦料進(jìn)行不同比例的混合可以得到不同的級(jí)配，采用連續(xù)級(jí)配或間斷級(jí)配可得到較高的密度。大密度小空隙的混合礦料可以提高瀝青混合料的強(qiáng)度以及穩(wěn)定性，但同時(shí)會(huì)降低路面的耐久性。在進(jìn)行集料配合時(shí)，要算出一個(gè)滿足相關(guān)要求的級(jí)配范圍。

（2）篩分試驗(yàn)

根據(jù)級(jí)配理論得到不同的篩孔尺寸下各級(jí)集料在礦質(zhì)混合料中的通過百分率，以這個(gè)通過百分比為縱坐標(biāo)，橫坐標(biāo)則為各級(jí)的篩孔尺寸，然后繪制成曲線圖，但一般所配制的混合料與理論的級(jí)配曲線存在誤差，主要是因?yàn)榈V料的不均勻扎制和混合料在配制時(shí)存在誤差，但這個(gè)誤差一定要控制在適當(dāng)?shù)姆秶畠?nèi)。

2.1.3 瀝青混合料試驗(yàn)

（1）馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

在規(guī)定的溫度和速度等條件下對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的試件進(jìn)行施壓，對(duì)混合料的穩(wěn)定度和流值等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，即為馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)的試件必須采用標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件尺寸。試驗(yàn)的過程為“標(biāo)準(zhǔn)試樣一不小于6h的-10℃空氣浴→利用馬歇爾穩(wěn)定度儀器測(cè)性能”。

（2）混合料低溫劈裂試驗(yàn)

試驗(yàn)方法、條件在劈裂試驗(yàn)中在圓柱體試件的軸向通過加載條加上靜載，試件的加載是按一定的變形速率進(jìn)行，借助LVDT得到壓縮載荷和垂直變形。試驗(yàn)所使用的試件是標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件，過程如下：標(biāo)準(zhǔn)試樣制備→60℃水中30min→馬歇爾穩(wěn)定度、流值。根據(jù)國(guó)家對(duì)該試驗(yàn)的相關(guān)要求，加載的速度應(yīng)為50mm/min，試驗(yàn)溫度為-10℃，劈裂強(qiáng)度、破壞應(yīng)變、勁度模量為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

（3）瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)

瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗(yàn)（即抗剝落性）的評(píng)價(jià)方法是，將試樣置于60℃的溫水，分別計(jì)算24h前后的馬歇爾穩(wěn)定度，然后計(jì)算試樣的剩余強(qiáng)度比指數(shù)。通過混合料的剩余強(qiáng)度比指數(shù)能判斷材料的抗剝性以及濕氣敏感性，其評(píng)價(jià)范圍為0.70～0.75，若在該范圍以下則為非抗剝落性材料，反之材料則具有抗剝落性。

2.2 礦粉參配比例試驗(yàn)方法

2.2.1 單質(zhì)材料試驗(yàn)及配合比試驗(yàn)

將生石灰粉與標(biāo)準(zhǔn)礦粉按幾種不同的比例與礦粉進(jìn)行摻配制成不同的高堿性礦粉，例如1：1、1：2、1：3、1：4等，然后進(jìn)行試驗(yàn)。通過試驗(yàn)試件的殘留穩(wěn)定度確定生石灰粉和標(biāo)準(zhǔn)礦粉的最佳比例。根據(jù)試驗(yàn)算出瀝青混凝土填料的質(zhì)量百分比以及最佳油石比。

（1）材料試驗(yàn)

對(duì)于基質(zhì)瀝青、集料、礦粉等材料參照2.1中相關(guān)的材料試驗(yàn)，試驗(yàn)用的生石灰要滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（JTGE51-2009）中的相關(guān)要求，即MgO+CaO含量要大于65%。

（2）級(jí)配

級(jí)配使用（JTGF40-2004）規(guī)范中AC-25Ⅱ的中值（礦粉的質(zhì)量百分比為5%），最佳油石比為上述試驗(yàn)所獲得的百分比。然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到包含篩孔尺寸、通過率上限、通過率下限、實(shí)測(cè)通過率的篩分結(jié)果表，以及以篩孔尺寸為橫坐標(biāo)、通過率為縱坐標(biāo)的級(jí)配曲線圖。

2.2.2 試驗(yàn)過程、結(jié)果及分析

將生石灰粉與標(biāo)準(zhǔn)礦粉按幾種不同的比例與礦粉進(jìn)行摻配制成不同的高堿性礦粉，可以選擇1：1、1：2、1：3、1：4、1：5、1：6，比例不同所得到的高堿性礦粉的性能也不同。在對(duì)不同比例的石灰和礦粉的混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)的時(shí)候，分為浸水時(shí)間為30min和浸水時(shí)間為48h來分別進(jìn)行，對(duì)以上兩種不同的浸水之間，要用至少4組相同的混合料同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，分別求的它們的實(shí)際密度、飽和度、流值、穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度。然后對(duì)以上的指標(biāo)通過柱狀圖分析根據(jù)比例的不同所呈現(xiàn)的趨勢(shì)。

根據(jù)圖表可以分析出，在一定范圍內(nèi)隨著石灰在礦粉中比例的增大其殘留穩(wěn)定度也呈非線性增大，但殘留穩(wěn)定度到達(dá)一定值時(shí)，石灰比例的增大將引起殘留穩(wěn)定度的減小。根據(jù)這個(gè)變化的趨勢(shì)可以得出一個(gè)效果最好的生石灰與礦粉的比例值。

2.3 高堿性礦粉最佳比例驗(yàn)證

關(guān)于這部分的驗(yàn)證有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：?jiǎn)我坏V粉指標(biāo)試驗(yàn)、選配合比驗(yàn)證。

2.3.1 性礦粉指標(biāo)試驗(yàn)

將以上實(shí)驗(yàn)選出的最佳的摻合比為基準(zhǔn)，分別驗(yàn)證該比例下礦粉的密度、親水系數(shù)、含水量、塑性指標(biāo)、加熱穩(wěn)定度各項(xiàng)指標(biāo)。

（1）礦粉的密度試驗(yàn)

選擇合適的試驗(yàn)儀器及材料，進(jìn)行該試驗(yàn)時(shí)要對(duì)同一試樣平行試驗(yàn)2次，兩次試驗(yàn)結(jié)果的誤差要控制在0.01以內(nèi)。

（2）礦粉親水系數(shù)試驗(yàn)

親水系數(shù)為同一試樣分別在水中膨脹的體積與在煤油中膨脹的體積比。親水系數(shù)可以用來反映礦粉對(duì)瀝青的親和力和對(duì)水的親和力，系數(shù)大于1則表示礦粉的親水力大于對(duì)瀝青的親和力，小于1則相反。

（3）礦粉塑性指數(shù)試驗(yàn)

礦粉的塑性指數(shù)用來判斷礦粉中粘土的含量，可以按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE40-2007）規(guī)定的方法進(jìn)行測(cè)定，表示礦粉液限含水量與塑限含水量之間的差。

（4）礦粉加熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

用來評(píng)價(jià)礦粉在進(jìn)行熱板時(shí)變質(zhì)程度的指標(biāo)，主要是測(cè)定礦粉受熱后變質(zhì)成分的含量。

2.3.2 選配合比測(cè)其殘留穩(wěn)定度

從工地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行取料，按相應(yīng)的級(jí)配類型檢查礦料的各項(xiàng)物理指標(biāo)，包括混合料組成設(shè)計(jì)計(jì)算、確定最佳油石比、殘留穩(wěn)定度的計(jì)算，其計(jì)算方法在上文已經(jīng)提過。然后對(duì)混凝土瀝的殘留穩(wěn)定度進(jìn)行計(jì)算，如果其值很高則說明高堿性礦粉在瀝青混合料抗水害能力起到了作用

3 總結(jié)

本試驗(yàn)的核心思想就是用石灰代替部分礦粉，通過一系列的試驗(yàn)得到高堿性礦粉的最佳摻配比，然后再通過試驗(yàn)對(duì)其是否提高了高堿性瀝青的抗水害能力進(jìn)行驗(yàn)證。具體結(jié)論如下：

（1）通過本實(shí)驗(yàn)證明，通過使用高堿性礦粉能夠提高瀝青路面的抗剝落能力。

（2）在進(jìn)行高堿性礦粉的配制時(shí)，石灰：礦粉=1：4是最佳的配制比，此時(shí)瀝青里面的抗剝落性能是最好的。

（3）高堿性礦粉能夠明顯的改善瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度，經(jīng)過本實(shí)驗(yàn)證明大概能夠提高5～10%左右。

參考文獻(xiàn)

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