宜春原油投资协会

浇筑式沥青混凝土施工流动性与高温稳定性影响因素分析

四川钛丰2019-03-13 09:07:25

摘要:浇筑式沥青混合料广泛应用于钢桥面铺装中,但影响混合料施工流动性与高温稳定性的因素尚未完全明确,值得进一步研究。试验中改变拌和条件与材料,测定混合料的施工流动性与热稳定性,分析以上改变造成的影响,并得出最佳拌和条件组合。试验与分析结果表明:在一定范围内,混合料性能随拌和温度、时间提高而上升,将拌和温度定为220℃,拌和时间定为40min是较为合理的;矿粉的粒径增加将提高混合料的流动性,但降低混合料热稳定性;沥青黏度的变化对浇筑式沥青混凝土有双重的影响,一方面沥青黏度的降低有利于提高混合料的流动性,但另一方面沥青黏度的降低将导致混合料热稳定性的下降。

关键词:浇筑式沥青混凝土 拌和条件 高温稳定性 流动性

浇注式沥青混凝土(Gussasphalt,GA)于二十世纪五十年代起源于德国,原文为Gup,原是“河流”之意,引申为“浇注流淌”。其含义是浇注式沥青混凝土具有流动性。浇注式摊铺,一般不需要碾压,只需要简单的摊铺整平就可完成施工。英国、法国以及地中海沿岸国家一般习惯于用材料特性命名,称之为沥青玛蹄脂(MasticAsphalt)。浇筑式沥青混凝土由于具有优良的防水、抗老化、抗疲劳以及对钢桥面的优良的追从性等特殊性能,近年来被广泛应用于钢桥面铺装下层,同时在屋面防水、室内地板、办公桌面等方面也使用普遍。

浇筑式沥青混凝土具有以下特点:沥青用量髙(7%~10%),矿粉含量高(20%~30%),同时拌和温度高(220~260℃),拌和时间较长(40~45min)。由于较高的沥青含量,浇筑式沥青混凝土的热稳定性不足。为提高混合料的强度,西方国家过去常采用湖沥青、岩沥青等天然硬质沥青掺配基质沥青作为结合料,随着高粘沥青制备技术的成熟,日本等国家广泛使用高粘沥青作为结合料。制备浇筑式沥青混凝土的能耗较高,摊铺时高温作业产生大量的有毒有害烟雾,对桥梁以及环境造成不利影响。

闫东波等人研究了石灰石矿粉对GA混合料热稳定性的影响,郝增恒研究了沥青品种对GA混合料疲劳性能的影响,周丽丽、侍冬前、万涛涛都对GA混合料的热稳定性影响因素进行了研究。在拌和条件对GA混合料的施工和易性与热稳定性的影响这一方面,研究极少。

本研究通过改变浇筑式沥青混合料的拌和温度、拌和时间,测定其施工和易性与热稳定性,探究混合料的最佳拌和条件,为通过降低拌和温度与时间来减少施工能耗提供依据,并且也初步探讨了矿粉细度与沥青黏度的改变对混合料性能的影响。

试验材料与试验设计

试验材料

试验用结合料为高黏沥青A与B,填料为石灰石矿粉A与B,细度模数分别为0.136与0.401,相对密度均为2.70。

试验所用粗集料有:5~10mm的玄武岩,表观相对密度为2.929,表干相对密度为2.855,毛体积相对密度为2,816;3~5mm的石灰岩,表观相对密度为2.672。细集料有0~3mm的石灰岩机制砂,表观相对密度为2.842;0~3mm的黄砂,用于提高GA混合料拌和时的流动性。

试验设计

研究中采用流动性试验测试的流动度指标反映GA混合料的施工和易性,采用贯人度试验测得的贯人度、贯人度增量指标,以及车辙试验测得的动稳定度指标反映GA混合料的热稳定性。流动性试验测试995g重锤在一定温度混合料中下落5cm所用时间,依此指标判断混合料的施工和易性。贯人度试验的试验条件为试件在60℃水浴中保温60min,车辙试验的试验条件为车辙板在60℃恒温室中保温5h。具体试验方法可参考施工技术指南。

最佳油石比确定。在拌和温度220℃、拌和时间30min的条件下,浇筑成型贯入度试件,进行流动性试验与贯入度试验。贯人度、贯人度增量数值越小,代表混合料的热稳定性越好;流动度需要适中,过大难以摊铺,过小则容易离析,确定流动度需要在10~20s这一范围内,范围内流动度越小,代表混合料的施工和易性越好,据此确定混合料最佳油石比为7.9%。

拌和温度影响设计。在拌和时间为30min下,改变混合料的拌和温度,分别取180℃、200℃、220℃和240℃进行试验。

拌和时间影响设计。在拌和温度为220℃时,改变混合料的拌和时间,分别取30min、60min和120min,进行试验。

沥青黏度对混合料影响设计。在拌和温度为220℃,拌和时间为30min的拌和条件下,混合料的结合料分别采用具有不同黏度的高黏沥青A与B,进行试验。

矿粉细度对混合料影响设计。在拌和温度为220℃,拌和时间为30min的拌和条件下,混合料的填料分别采用矿粉A与B,进行试验。

需要指出:沥青B仅用于研究沥青黏性改变对混合料的影响,矿粉B仅用于研究矿粉细度改变对混合料的影响,在研究拌和温度与拌和时间的影响时,均使用沥青A与矿粉A。每次试验都是浇筑形成三个贯入度平行试件与一个车辙试件,按照试验规程测得相应的试验数据,最后进行总结分析。

试验结果与分析

拌和温度的影响

使用沥青A、矿粉A,规定拌和时间30min,在不同拌和温度拌和形成GA混合料试件,将试件的流动性和热稳定性指标测试结果列入表。分析表中数据可见,随着拌和温度的升高,试件的流动性提高;动稳定度增大,车辙深度减小;贯入度和贯人度增量指标均降低。

随着拌和温度的上升,混合料性能的变化幅度逐渐降低。拌和温度为180℃、200℃、220℃的试件之间性能相差较大,而拌和温度220℃与240℃的试件性能,其相差已经极小。可将其理解为在一定温度范围以内,GA混合料的流动性已经极好,沥青分散均匀,黏结强度趋于稳定,热稳定性也趋于稳定。

将各拌和温度下的试件性能测试结果与技术要求进行对比,发现:拌和温度为180℃及200℃时,试件的流动性指标与热稳定性指标都不满足技术要求;拌和温度为220℃及240℃时,试件各项性能指标满足技术要求,并且两个拌和温度下的试件性能差异较小。从减少沥青老化、降低能耗、减少施工污染因素考虑,将浇筑式沥青混凝土拌和温度定在220℃是更为合理的。

拌和时间的影响

使用沥青A、矿粉A,规定拌和温度220℃,在不同拌和时间下拌和形成GA混合料试件,将试件的流动性和热稳定性指标测试结果列人表。

分析表中数据可见,随着拌和时间的延长,试件的流动性先提高后降低;动稳定度增大,车辙深度减小;贯人度和贯人度增量指标均降低。

观察表内数据发现:试件的热稳定性指标测试结果在拌和时间从30min延长至60min时,变化平缓,在拌和时间从60min延长至120min时,变化剧烈;拌和时间120min下试件的动稳定度远大于正常GA混合料所表现的性能;试件的流动性先提高后快速降低。

结合拌和试验时对混合料流动性的观察,发现:拌和0~50min时,混合料的流动性逐渐提高;拌和20~30min这段时间内,流动性提高最为显著;拌和40~50min时,流动性的提升微小;在拌和时间50~80min时,流动性无变化;拌和80min后,混合料的流动性快速下降。

分析造成上述现象的原因。一方面,从GA混凝土的矿料级配可以看到,其矿粉与细集料比例极高,同时沥青含量高,沥青黏度大,矿料与沥青在传统拌和工艺下需要相当长的搅拌时间才能搅拌充分。随着搅拌时间的延长,混合料内的沥青微粒与矿料趋向均匀分布,直至自由流淌。另一方面,已达到自由流淌的混合料继续搅拌,其流动性也不会有显著变化,相反在高温长时间拌和下,沥青快速老化,黏度提升,表现为混合料流动性的快速下降与热稳定性的急剧提高。但是过于老化的沥青会导致自身延展性与低温抗裂性能较差,难以满足钢桥面铺装的要求。因此,控制一定的拌和时间是极为重要的。

根据试验数据与观察,认为控制拌和时间在30-50min是较为合理的,此时混合料处于拌和均匀的状态,可以自由流淌,沥青未明显老化,具有较为优良的性能。

矿粉细度的影响

规定拌和时间30min,使用沥青A,在不同拌和温度下分别使用矿粉A与B分别拌和GA混合料试件,将试件的流动性和热稳定性指标测试结果列人表。

分析表中数据可见:所有拌和温度下,分别使用矿粉A与矿粉B拌和成的试件,在流动性方面,后者优于前者;在热稳定性方面,前者优于后者。

矿粉A与B拌和形成的试件在其他材料与拌和条件方面都相同,仅仅矿粉的细度改变,造成两者混合料在热稳定性方面的较大差异,说明了矿粉对GA混合料的重要性。两种矿粉的粗细程度不同,反映为细度模数的差异,矿粉A的细度模数小于矿粉B。

分析以上试验现象:矿粉B颗粒较粗,比表面积较矿粉A小,吸附的结合沥青较少,沥青玛蹄脂的黏度较矿粉A拌和形成的小,在相同的搅拌速度与时间下,拌和受到的阻力较小,流动性上升;同时,体系黏度的降低造成混合料强度下降,即热稳定性下降。

矿粉细度模数的增大虽然使得混合料的流动性提升,但导致混合料热稳定性的下降,而如今热稳定性不足正是浇筑式沥青混凝土的缺陷,因此,控制矿粉的粗细程度是很有必要的。

沥青黏度的影响

在拌和温度220℃,拌和时间30min下,使用矿粉A,分别以高黏沥青A与B作为结合料拌和成GA混合料试件,将试件的流动性和热稳定性指标测试结果列人表。分析表中数据可见:分别使用沥青A与沥青B拌和成的试件,在流动性方面,前者优于后者;在热稳定性方面,后者优于前者。

对于混合料的热稳定性的差异分析,认为可能有两方面的因素起作用:1)混合料流动性的差异导致其内部均匀程度的不同,即混合料密实度的差异,最后表征为热稳定性的差异;2)混合料为密级配,其强度组成有相当一部分来源于沥青与细集料、矿粉之间的黏结,以及沥青自身的内聚力。沥青粘性的不同发展为混合料热稳定性的差异。

分析沥青A与B之间差异,发现沥青B的170℃时运动黏度大于沥青A,这可以解释高温拌和时混合料流动性存在差异的现象。在高温拌和下,沥青A的黏性小于沥青B,导致了两者混合料体系的黏度差异,在相同的拌和速率与时间下,前者的拌和阻力更小,因此沥青A拌和成的混合料更容易达到均匀、自由流淌的状态。同时沥青B的60℃动力黏度大于沥青A,导致前者强度较高。

在本试验中,浇筑式沥青混合料的热稳定性同时取决于沥青60℃动力黏度与高温拌和时的均匀程度,由流动性控制。保持沥青170℃运动黏度在较低的范围内,提高沥青60℃动力黏度对混合料热稳定性的增强具有积极意义。

沥青黏度的变化具体是通过哪一种机制影响混合料的性能有待进一步的试验研究。

结论

a)对于浇筑式沥青混合料,当拌和温度低于210℃时,拌和30miiT后的流动性较差,无法自由流淌,拌和温度在220~240℃后,拌和30min后流动性较好,可以自由流淌。若拌和温度高于240℃后,沥青老化较为严重,拌和后试件缺陷较大。存在最佳室内拌和温度,为220℃左右。

b)在最佳拌和温度下,在拌和时间小于40min时,浇筑式沥青混合料的流动性随拌和时间延长而提升;在拌和时间处于40~60min时,混合料的流动性基本不变,.当拌和时间大于60min后,沥青老化严重,混合料的流动性逐渐降低。存在最佳室内拌和时间,为40min左右。

c)在一定拌和温度与拌和时间下,细度模数较大的矿粉拌和的浇筑式沥青混合料的流动性比细度模数较小的矿粉拌和的混合料的流动性更好;另一方面细度模数较大的矿粉拌和形成的混合料热稳定性较差。推荐使用细度模数较小的矿粉进行GA混合料的拌和。

d)沥青的黏性大小同时影响混合料高温拌和时的流动性与成型后的强度,保持沥青170℃运动黏度较低的范围内,提高沥青60℃动力黏度对混合料热稳定性的增强具有积极意义。


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