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      泡沫瀝青及其再生混合料老化性能分析

      2021-01-06 07:49:24劉小春凌俊強(qiáng)邱業(yè)績
      關(guān)鍵詞:膠漿礦粉集料

      劉小春,凌俊強(qiáng),邱業(yè)績,李 艷,郭 平

      (1. 中交二公局東萌工程有限公司,陜西 西安 710119;2. 陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司,陜西 西安 710075;3. 西安公路研究院,陜西 西安 710065)

      0 引 言

      隨著公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展,國內(nèi)路網(wǎng)逐漸完善,工作重心已由新建公路轉(zhuǎn)向道路養(yǎng)護(hù)[1-2],發(fā)泡瀝青等養(yǎng)護(hù)、再生材料開始受到更多關(guān)注。發(fā)泡瀝青冷再生技術(shù)是一種將瀝青路面銑刨后回收的舊料(RAP)進(jìn)行破碎與篩分,并加入一定比例新集料、活性填料及水等,噴入發(fā)泡瀝青,在常溫下拌合之后進(jìn)行攤鋪及碾壓的技術(shù),具有節(jié)能環(huán)保、便捷、高效等優(yōu)勢。但是,由于新舊集料均未加熱,舊集料表面殘留不同老化程度的瀝青等諸多原因,發(fā)泡瀝青與集料的黏附性受到質(zhì)疑。此外,發(fā)泡瀝青及其再生混合料的老化特性也并不明晰。

      本研究基于TFOT、PAV老化試驗(yàn),結(jié)合瀝青拉拔試驗(yàn)及混合料凍融劈裂試驗(yàn),從發(fā)泡瀝青、發(fā)泡瀝青膠漿以及再生混合料3個(gè)層面,針對熱氧老化下的發(fā)泡瀝青工程性能及黏附性能進(jìn)行研究。

      1 原材料及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      1.1 原材料

      1.1.1 泡沫瀝青

      以SK90號瀝青為基質(zhì)瀝青,根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011),該瀝青的主要指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。采用維特根發(fā)泡機(jī)WLB-10S進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn),按《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5521—2019)的相關(guān)限定,最佳發(fā)泡溫度為160 ℃,用水量為2.0%,此時(shí)膨脹率為12,半衰期為10 s。

      表1 原材料技術(shù)參數(shù)

      1.1.2 集料及級配

      本研究涉及RAP回收集料及新拌石灰?guī)r集料,其中RAP集料為公路中修工程現(xiàn)場取樣的銑刨料,按JTG/T 5521—2019中的測試方法,確定RAP的級配及其他技術(shù)指標(biāo)[3-5]。RAP的技術(shù)指標(biāo)如表2所示,混合料級配為AC-13,采用了分檔添加的方法,保證在40%、50%、60%RAP摻量下各混合料級配曲線不變,RAP級配、各檔礦料添加量及總體級配如表3所示。

      表2 集料與填料的基本技術(shù)指標(biāo)

      表3 再生混合料級配

      1.2 樣品制備

      1.2.1 泡沫瀝青膠漿

      研究表明,瀝青膠漿中的礦粉對熱氧老化具有屏蔽作用[6-7],因此采用1∶1、2∶1、3∶1的粉膠比制作泡沫瀝青膠漿,進(jìn)行老化特性研究。制備過程遵循如下步驟:加熱SK90號瀝青至140 ℃后,將其加入發(fā)泡設(shè)備中;當(dāng)溫度達(dá)到160 ℃時(shí),以2.0%用水量進(jìn)行發(fā)泡,得到泡沫瀝青;加熱礦粉至140 ℃,按照預(yù)定的3檔粉膠比,將發(fā)泡瀝青與礦粉混合,并迅速攪拌,獲得泡沫瀝青膠漿。

      1.2.2 泡沫瀝青再生混合料

      如前文所述,采用40%、50%、60%RAP摻量,配合新集料拌合,獲得同樣的級配曲線。采用擊實(shí)試驗(yàn)確定2∶1粉膠比的再生混合料最佳用水量為3.8%。按照J(rèn)TG/T 5521—2019的方法確定該條件下的最佳泡沫瀝青用量為2.4%。為控制單一變量,其他粉膠比混合料均采用同樣的用水量及泡沫瀝青用量。

      1.3 試驗(yàn)方法

      按照J(rèn)TG E20—2011,對泡沫瀝青進(jìn)行TFOT老化及PAV老化,老化條件分別為163 ℃、5 h以及100 ℃、20 h、2.1 MPa。同樣以規(guī)程中的限定方法,測定老化前后的針入度、軟化點(diǎn)以及延度。

      老化過程將導(dǎo)致瀝青中的輕質(zhì)組分喪失,瀝青脆性增加,黏結(jié)性能下降[8-10]。為探索老化對泡沫瀝青膠漿與集料黏結(jié)強(qiáng)度的影響,采用3種粉膠比制得泡沫瀝青膠漿,在140 ℃下平鋪在平整石灰?guī)r集料表面,在100 ℃下保溫2 h,促進(jìn)膠漿與集料黏結(jié)。而后同樣采用TFOT及PAV的試驗(yàn)方法,對黏結(jié)體系進(jìn)行老化。對老化前后的黏結(jié)試件,用PosiTest AT-A黏附力測試儀表征25 ℃下的黏結(jié)強(qiáng)度,如圖1所示。

      圖1 瀝青膠漿黏附力測試

      針對制備的泡沫瀝青再生混合料,在120 ℃下保溫2 h,采用金屬鏟破碎成松散的瀝青混合料,在金屬盤中攤鋪成1 cm的松鋪層,在烘箱中進(jìn)行類似TFOT及PAV的老化,而后按JTG E20—2011中的要求進(jìn)行劈裂試驗(yàn)。

      2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

      2.1 老化前后泡沫瀝青指標(biāo)的變化

      圖2呈現(xiàn)了基質(zhì)瀝青、發(fā)泡瀝青以及通過TFOT和PAV老化后的發(fā)泡瀝青指標(biāo)變化情況。TFOT和PAV老化導(dǎo)致的瀝青指標(biāo)變化幅度相近,一方面是由于TFOT采用了更高的老化溫度,另一方面是由于瀝青老化程度越高,其老化速度越慢。

      圖2 發(fā)泡瀝青的三大指標(biāo)

      2.2 老化前后泡沫瀝青膠漿-集料黏結(jié)性能的變化

      圖3顯示了老化前后不同粉膠比泡沫瀝青膠漿與集料的拉拔強(qiáng)度。隨著老化程度加劇,瀝青-集料拉拔強(qiáng)度隨之下降;而隨著泡沫瀝青粉膠比增大,瀝青-集料拉拔強(qiáng)度也迅速降低。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)粉膠比增大時(shí),黏結(jié)體系抗拉強(qiáng)度降低,說明增加礦粉對瀝青-集料的拉拔強(qiáng)度起較明顯的負(fù)面作用。

      圖3 發(fā)泡瀝青-集料黏結(jié)拉拔力

      隨著老化程度加劇,界面黏結(jié)力逐步減小,速度與礦粉摻量相關(guān)。由圖3可知,隨著礦粉摻量增多,發(fā)泡瀝青膠漿與集料黏結(jié)強(qiáng)度隨老化降低的幅度逐步下降,且該現(xiàn)象在瀝青膠漿的TFOT老化過程中最明顯。這是因?yàn)閷τ谙嗤勰z比的黏結(jié)體系,礦粉對瀝青膠漿脆性的影響恒定,對老化的屏蔽效果卻持續(xù)發(fā)揮作用[11-13]。因此可知,發(fā)泡瀝青膠漿中的礦粉摻量增加,會對其與集料黏結(jié)的強(qiáng)度起不利影響,卻對瀝青膠漿的耐老化性能具有改善作用。

      2.3 老化前后泡沫瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的變化

      測定不同粉膠比泡沫瀝青再生混合料老化前后的劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂強(qiáng)度比,結(jié)果如圖4所示。瀝青老化及粉膠比過大均可能使再生瀝青混合料的水穩(wěn)定性降低,這與瀝青膠漿-集料拉拔強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果基本一致。同時(shí)也可看出,在粉膠比較大時(shí),同樣老化條件導(dǎo)致的瀝青混合料性能衰變亦與礦粉摻量呈反比。因此,對于發(fā)泡瀝青再生混合料而言,礦粉摻量的選擇應(yīng)綜合考慮混合料路用性能以及老化特性。

      圖4 發(fā)泡瀝青再生混合料劈裂強(qiáng)度

      3 結(jié) 語

      本文結(jié)合瀝青針入度、延度、軟化點(diǎn)、集料黏附強(qiáng)度以及混合料凍融劈裂強(qiáng)度指標(biāo),分析了老化對發(fā)泡瀝青及再生混合料性能的影響,得到以下結(jié)論。

      (1)由于老化過程瀝青輕質(zhì)組分喪失、黏度增加,導(dǎo)致發(fā)泡瀝青針入度下降,軟化點(diǎn)上升至70 ℃以上,延度下降至30 cm以下;發(fā)泡瀝青的三大指標(biāo)與原基質(zhì)瀝青相近,針入度輕微上升,而軟化點(diǎn)、延度少量下降,變化幅度小于15%。

      (2)當(dāng)粉膠比增大時(shí),黏結(jié)體系抗拉強(qiáng)度降低,但是老化后抗拉強(qiáng)度下降幅度減小,說明礦粉增加對瀝青-集料的拉拔強(qiáng)度起較明顯的負(fù)面作用,同時(shí)對老化影響具有屏蔽作用。

      (3)隨著老化程度加劇,發(fā)泡瀝青再生混合料老化前后的劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂強(qiáng)度比隨之下降;隨著粉膠比增大,凍融劈裂指標(biāo)隨之劣化,但是老化作用影響減?。粚τ诎l(fā)泡瀝青再生混合料而言,礦粉摻量的選擇應(yīng)綜合考慮混合料路用性能以及老化特性。

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