含鋼砂的感應(yīng)加熱瀝青顆粒在道路維護中的應(yīng)用

易 楊

(廣西新恒通高速公路有限公司,廣西 南寧 530025)

0 引言

瀝青混凝土是一種由集料和瀝青組成的復(fù)雜粘彈塑性材料,被廣泛應(yīng)用于道路施工[1]。但在實際工程中,環(huán)境變化導(dǎo)致的瀝青降解、水分滲透等因素會縮短道路的使用壽命,尤其是這些因素長期存在時,會導(dǎo)致材料中的裂縫快速發(fā)展,產(chǎn)生骨料損失,最終形成坑洞,不僅縮短了道路的使用壽命,并且需要不斷地修補,嚴重影響交通和環(huán)境。

拋擲碾壓方法是通過鋪設(shè)瀝青并用卡車將其壓實的道路修補方法,成本較低,但只有在天氣條件太差或者工期較短的情況下才適用;熱鋪裝工藝工程質(zhì)量更好,但缺點在于此工藝中最常用的熱混合瀝青(HMA)需要批量生產(chǎn),而一次修補平均僅需幾千克,因此,這種工藝更適用于需要更高維修質(zhì)量的道路[2];冷瀝青混合料(CAM)可以在常溫下生產(chǎn)和使用,但硬度和強度較低且需要較長的養(yǎng)護時間,因此耐久性通常比熱混合瀝青低[3]。為了彌補這些材料的不足,在過去的幾十年里,出現(xiàn)了新一代的聚合物材料[4],其能夠提供更高質(zhì)量的道路修復(fù)效果。然而,高昂的成本使其更適用于特殊的硅酸鹽水泥混凝土路面和大體積結(jié)構(gòu)材料中。

瀝青顆粒是瀝青和集料的組合,可用于制造少量瀝青混合料以修補道路[5]。瀝青顆粒具有與HMA相似的耐久性和力學(xué)性能,且瀝青顆?？梢栽谡－h(huán)境溫度下儲存和運輸,并在現(xiàn)場加熱。此外,瀝青顆粒能夠有效減少對坑洞進行消毒而產(chǎn)生的成本和時間,并且不會產(chǎn)生任何有害金屬粉塵。因此,瀝青顆粒是一種可廣泛應(yīng)用于修補道路中的材料。為了評價該技術(shù)的實用性,本文制作了可感應(yīng)加熱的瀝青顆粒,研究了感應(yīng)加熱瀝青顆粒的加熱性能、體積性能、拉伸剪切性能和車轍性能,并將其與熱拌瀝青和冷拌瀝青進行了比較。

1 材料和試驗方法

1.1 材料

感應(yīng)加熱瀝青顆粒由石灰石骨料、瀝青和鋼砂組成。石灰石為連續(xù)級配,最大粒度為2 mm,鋼砂粒度為0.425～1 mm。為了確保良好的相容性,瀝青顆粒較小,尺寸為8 mm×8 mm×8 mm。

為了研究瀝青和鋼砂對感應(yīng)加熱瀝青顆粒性能的影響,制備兩組感應(yīng)加熱瀝青顆粒。第1組為含有10%的瀝青和不同數(shù)量的鋼砂和骨料,鋼砂和骨料的含量分別在5%～45%和45%～85%變化;第2組為含有35%的鋼砂和不同數(shù)量的瀝青和骨料,瀝青和骨料分別在15%～25%在40%～50%變化。此外,還制備了HMA和CAM試驗樣品。表1和下頁表2給出了顆粒組成的詳細參數(shù)。

表1 瀝青顆粒和混合料的組成表(占總體積的百分比)

路面材料用瀝青塊或石板模擬,由密集的瀝青混合料制成,這些瀝青混合料由石灰?guī)r骨料和瀝青組成,質(zhì)量分數(shù)分別為95%和5%。

表2 石灰石骨料級配表

1.1.1 瀝青顆粒的制作

將干燥的骨料和瀝青在170 ℃的烤箱中分別加熱1 h和3 h;將骨料和鋼砂在攪拌機中攪拌2 min;再加入相應(yīng)數(shù)量的瀝青,將所有材料混合攪拌3 min;將混合物倒入內(nèi)部尺寸為(8×8×8)mm3的模塊中,用手工壓實,制成顆粒,在5 ℃下冷卻3 h后脫模;在室溫下將顆粒儲存在塑料袋中備用于試驗。

1.1.2 瀝青試件的制作

拉伸和剪切試驗的試件分兩階段制備:(1)將上述制成的感應(yīng)加熱瀝青顆粒放入(105×105×85)mm3的混凝土模具中,并在模具頂部添加足量的顆粒;(2)將模具置于感應(yīng)線圈下,加熱2 min,然后用振動錘壓實1 min,再加入一層顆粒以填充壓實后減少的體積,隨后立即感應(yīng)加熱1 min,再次壓實1 min,直至表面平整,將樣品放置在20 ℃±2 ℃環(huán)境溫度中。

車轍試驗中,將(300×300×65)mm3瀝青板放入(310×310×100)mm3的混凝土柱狀模具中,在常溫下向模具中填充瀝青顆粒;用電磁感應(yīng)加熱顆粒,并用上述方法進行振動壓實;然后再次加入顆粒,直到板的高度達到100 mm,并保證其表面平整。

1.2 試驗方法

1.2.1 瀝青顆粒的體積特性

采用《礦鐵石 表觀密度、真密度和孔隙率的測定》(GB/T 24586-2009) 提出的方法評估顆粒樣品的體積性質(zhì):

(1)

式中:Va——瀝青顆?；旌狭现锌紫读?

ρb——混合料中體積密度;

ρm——混合料中無孔隙的理論最大密度。

1.2.2 抗拉強度測試

用環(huán)氧膠將鋼板粘在瓷磚表面,然后將試件置于20 ℃±1 ℃的溫控柜中24 h。拉伸載荷通過鋼板以20 mm/min的應(yīng)變控制速率施加到試件上,直到試件失效,測量其拉伸荷載。用拉伸載荷與試件截面積之比計算抗拉強度。每種材料共三個平行試件,取平均值作為最終結(jié)果。

1.2.3 剪切強度測試

將試件置于20 ℃±1 ℃的溫控柜中24 h,然后以20 mm/min的速率施加剪切載荷,直到界面失效。最后,用最大剪切荷載與界面截面積之比計算剪切強度。每種材料共三個平行試件,取平均值作為最終結(jié)果。

1.2.4 交通負荷模擬

通過車轍試驗?zāi)M交通載荷對淹沒在25 ℃水中試件的影響。車輪的寬度為47 mm,垂直載荷為705 N。在連續(xù)記錄變形的同時,總共進行了20 000次循環(huán)。此外,對兩塊由單層常規(guī)碾壓瀝青制成的控制板也進行了測試,以比較新材料路面道路和普通路面道路的抗車轍性能。每種材料重復(fù)試驗兩次,車轍試驗結(jié)果取兩者的平均值。

2 試驗結(jié)果與影響因素

2.1 瀝青顆粒樣品的體積特性

不同鋼砂含量瀝青試塊的孔隙率變化情況如圖1所示。在第1組材料中,孔隙率隨著鋼砂含量的增加而降低,如鋼砂含量從5%增加到45%時,孔隙率從35.1%降低到20.7%;在第2組材料中,孔隙率隨著瀝青含量的增加呈線性降低,如瀝青含量從10%增加到25%,孔隙率從20.7%降低到12.51%。此外,孔隙率和溫度呈線性關(guān)系,且與混合物中鋼砂或瀝青的類型無關(guān)(如圖2所示)。

綜上,孔隙率隨著瀝青和鋼砂含量的增加而減少,因此在經(jīng)濟效益允許的范圍內(nèi),瀝青和鋼砂在顆粒中的含量必須最大化。

圖1 不同鋼砂含量下瀝青試塊孔隙率散點圖

圖2 不同壓實溫度下瀝青試塊孔隙率擬合散點圖

2.2 抗拉強度

含有感應(yīng)加熱瀝青顆粒的試件抗拉強度變化情況如圖3所示。第1組試件中,抗拉強度與鋼砂含量直接相關(guān),鋼砂含量從5%增加到45%時,試件抗拉強度提高22倍;在第2組試件中,瀝青含量的變化對抗拉強度的影響沒有鋼砂含量那樣大,抗拉強度值在170～260 kPa變化,瀝青含量從20%增加到25%時,試件抗拉強度僅提高19%。

在養(yǎng)護1 d、7 d和28 d后,將4號混合料的平均抗拉強度與HMA和CAM的強度進行比較,結(jié)果如圖4所示。由圖4可見:瀝青顆粒平均抗拉強度比CAM養(yǎng)護1 d后高37倍,7 d后高36倍,28 d后高5倍,說明即使在較長的養(yǎng)護期內(nèi),瀝青顆粒也能產(chǎn)生更好的效果。相反,瀝青顆粒的平均抗拉強度比HMA低5%,其原因可能是壓實溫度較低導(dǎo)致的壓實水平較低。

圖3 含感應(yīng)加熱瀝青顆粒試件抗拉強度擬合散點圖

圖4 混合物試件平均抗拉強度柱狀圖

2.3 剪切強度

不同鋼砂和瀝青含量制成的瀝青顆粒試件的剪切強度變化情況如圖5所示。剪切強度隨著鋼含量的增加而增加,因為感應(yīng)加熱時達到的溫度會更高。如鋼砂含量為45%的粒狀瀝青的剪切強度是鋼砂含量為5%的7倍。另外,瀝青含量越高,瀝青混合料剪切強度越高,第2組材料的剪切強度與第1組材料總體趨勢相差較大。

在養(yǎng)護1 d、7 d和28 d后,將4號混合料的剪切強度與HMA和CAM的強度進行比較,結(jié)果如圖6所示。由圖6可見:粒狀瀝青剪切強度比CAM養(yǎng)護1 d后高70%,7 d后高40%,28 d后高16%,說明感應(yīng)加熱瀝青顆粒比CAM效果更好,但由于其壓實效果較差,結(jié)果比HMA差。

2.4 車轍深度

圖7顯示了試件車轍試驗結(jié)束時的最大車轍深度。由圖7可以看到,養(yǎng)護28 d后,HMA和CAM的車轍深度差異在0.2 mm范圍內(nèi)。此外,CAM需要較長的養(yǎng)護時間,因為7 d后的車轍深度是28 d后的4倍多。

下頁圖8顯示了變形深度隨加載循環(huán)次數(shù)的變化曲線。CAM養(yǎng)護7d后,在約10000次循環(huán)后破壞,永久變形急劇增加,此外,CAM在養(yǎng)護28 d的情況下,與HMA和粒狀瀝青試件的表現(xiàn)都非常相似,初始致密化行為斜率為遞減曲線,然后是線性增加速率恒定的階段。

圖5 含感應(yīng)加熱瀝青顆粒試件剪切強度擬合散點圖

圖6 混合物試件剪切強度柱狀圖

CAM、HMA和顆粒的試驗結(jié)果分別為每1 000循環(huán)16.4μm、18.1μm和19.5μm,表明這些材料的抗車轍性能在加載周期的演變是非常相似的。因此,瀝青顆粒層的性能隨時間下降的速度并不會快于公路養(yǎng)護中常用的其他材料。

20 000次循環(huán)后,瀝青顆粒的變形為1.04 mm,仍高于對照混合料的0.45 mm。如前文所述,這種情況可以通過提高鋼砂含量或延長加熱時間來獲得,然而這兩種解決方案都會增加成本?；谏鲜鲈?本文認為瀝青顆粒是目前孤立和點狀坑洞修復(fù)技術(shù)的良好材料,但不能應(yīng)用于道路碾磨和重鋪等主要維護作業(yè),還需要進一步優(yōu)化。

圖7 試驗結(jié)束后的最大車轍深度柱狀圖

圖8 變形隨加載循環(huán)次數(shù)的變化曲線圖

3 結(jié)語

本文通過力學(xué)試驗評估了感應(yīng)加熱瀝青顆粒修復(fù)坑洞的效果,并與HMA和CAM進行了比較,得到如下主要結(jié)論:

(1)具有較高鋼砂含量的試件密度較高、孔隙率較低,這是由于傳遞到材料的能量較高,從而降低了粘合劑的黏度。因此,鋼砂含量為45%的試件比鋼砂含量為5%的試件密度高61.6%,孔隙率低70%。

(2)瀝青含量的增加也會產(chǎn)生更高的密度和更低的孔隙率,因為其填充了骨料之間的自由間隙。因此,與瀝青含量為15%的粒料相比,瀝青含量為25%的粒料密度高4.3%,孔隙率低45.2%。

(3)與CMA相比,含瀝青顆粒的混合物的抗拉強度比其高5倍,剪切強度高19%,抗車轍性能高18%。感應(yīng)加熱瀝青顆粒的性能與HMA相似。

(4)盡管感應(yīng)加熱瀝青顆粒的抗車轍性能較好(20 000次循環(huán)后為1.04 mm),但仍比使用HMA簡單重新鋪路的情況下差(20 000個循環(huán)后為0.45 mm)。

(5)最小鋼砂含量為25%的試件溫度提升非?？?從而降低了孔隙率。因此,即使在低瀝青含量下,這些混合物的力學(xué)性能也優(yōu)于CAM。因此,增加鋼砂或瀝青含量會顯著降低孔隙率,并改善力學(xué)性能。