不同孔隙率下瀝青混凝土的水穩定性試驗研究

楊海華,劉 亮,游光明

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊830052)

不同孔隙率下瀝青混凝土的水穩定性試驗研究

楊海華,劉 亮,游光明

(新疆農業大學水利與土木工程學院,新疆烏魯木齊830052)

瀝青混凝土水穩定性損壞是由于水分進入其內部造成骨料與瀝青膠漿剝離而產生的。為研究采用天然礫石骨料的水工瀝青混凝土在不同孔隙率條件下的水穩定性能變化規律,在相同試驗條件下,通過改變擊實次數得到不同孔隙率的瀝青混凝土試件進行浸水馬歇爾試驗和不同凍融次數的凍融劈裂試驗。試驗結果表明：在不同孔隙率條件下,瀝青混凝土浸水殘留穩定度隨著孔隙率的增加而減小,但均滿足規范要求；凍融劈裂強度隨孔隙率的變化不明顯,隨著凍融次數的增加其強度略有降低；孔隙率對瀝青混凝土的水穩定性影響程度低于填料類型和凍融次數；水泥填料的瀝青混凝土凍融劈裂強度比石粉填料時大。

瀝青混凝土；孔隙率；馬歇爾試驗；浸水殘留穩定度；水穩定性；凍融劈裂試驗

1 研究背景

瀝青混凝土具有結構簡單、防滲性能好、施工方便快捷、適應變形能力強、有較強的抗沖蝕能力和抗老化能力等優點[1],加之我國西北地區天然礫石分布范圍廣、可就地取材等特點,在瀝青混凝土中充分使用天然礫石骨料可大幅度降低瀝青混凝土的工程造價,因此,隨著近年來水利事業的蓬勃發展,在我國西北寒冷地區興建了大量以瀝青混凝土材料作為防滲主體的水庫工程和擋水樞紐工程。研究表明采用礫石骨料配置瀝青混凝土時,采用摻消石灰粉、水泥等堿性材料作為填料或適當加入化學抗剝離劑,可有效增強骨料與瀝青黏附性,提高瀝青混凝土水穩定性[2-3],且在相同瀝青用量下采用人工破碎骨料的瀝青混凝土流動性較礫石骨料差。但在瀝青混凝土的施工過程中,由于施工技術水平和施工間歇等因素的影響,經常出現瀝青混凝土局部出現孔隙率達不到規范要求的情況。為研究采用天然礫石骨料的瀝青混凝土孔隙率較大時的水穩定性能影響,結合前人給出的瀝青混泥土水穩定性評價方法[4-9],本文通過改變擊實次數得到不同孔隙率的標準馬歇爾試件進行浸水馬歇爾試驗和不同凍融次數的凍融劈裂試驗,以探求不同孔隙率條件下的采用天然礫石骨料的瀝青混凝土水穩定性變化規律。

2 浸水馬歇爾試驗

孔隙率是瀝青混凝土的物理指標之一,孔隙率影響瀝青混凝土的高溫性能與水穩定性能。由于水工瀝青混凝土與道路瀝青混凝土相比,瀝青含量高,孔隙率小,瀝青混凝土心墻作為防滲體,水分很難進入瀝青混凝土內部,所以通過不同的擊實次數得出不同孔隙率的瀝青混凝土試件,研究不同孔隙率下水泥填料對瀝青混凝土的水穩定性能的影響。

2.1 制作試驗試件

試驗采用新疆某地天然礫石骨料根據規范要求篩分成不同粒級,瀝青選用新疆克拉瑪依生產的70號(A級)道路石油瀝青,填料分為普通硅酸鹽水泥(P.O42.5R)或天然石粉兩種,質量配合比見表1。根據選定的級配,采用5個水平的擊實次數(10、30、50、70、90次),得到馬歇爾試件,如圖1所示。從圖1可以看出,擊實次數為10次時,試件表面粗糙,表面呈現蜂窩狀,結構不密實；擊實次數為70次時,試件表面基本平整,骨料顆粒之間瀝青膠漿飽滿。

表1 瀝青混凝土質量配合比

圖1 不同擊實次數后的試件

圖2 擊實次數與孔隙率關系

通過理論最大密度儀測出瀝青混合料的理論最大密度ρs=2.489 g/m3,采用式(1)計算在不同擊實次數下的試件孔隙率,不同擊實次數與試件孔隙率的關系如圖2所示。從圖2可以看出,隨著擊實次數的增加,試件孔隙率呈下降趨勢,在10、30、50次時,曲線斜率較大,孔隙率減小較快,而當擊實次數到70次后,曲線趨于平緩,孔隙率減小不明顯,說明擊實70次后試件已達到密實狀態。

(1)

式中,n為孔隙率,%；ρ為試件密度,g/m3；ρs為理論最大密度,g/m3。

2.2 馬歇爾試驗

在基礎配合比中采用水泥作為填料,在5種不同擊實次數下得到不同孔隙率的試件,每個擊實水平下制備6個試件,平均分成2組,分別測定其密度,一組進行標準馬歇爾穩定度試驗,一組進行浸水馬歇爾穩定度試驗。浸水馬歇爾試驗與標準馬歇爾試驗的不同之處在于延長了試件的浸水時間,即在相同擊實次數下,將試件分成2組：一組在恒溫水槽中保持30～40 min,另一組在恒溫水槽中保溫48 h,其中恒溫水槽保持60 ℃。浸水馬歇爾試驗的穩定度及浸水殘留穩定度結果見表2。

表2 穩定度試驗結果

注：試驗條件A代表標準馬歇爾穩定度試驗,B代表浸水馬歇爾穩定度試驗。

由表2可知,試件的各項指標均符合規范的要求[10]。從擊實10次至90次的浸水殘留穩定度不斷增大。擊實90次的浸水殘留穩定度最高,浸水殘留穩定度為100%,這是由于試件孔隙率較小,短時間內水分很難進入試件內部,瀝青與骨料相剝離的可能性減小。當擊實次數較小時,試件的孔隙率較大,試件結構不密實,水分能不斷進入試件內部,使浸水殘留穩定度略有降低。擊實次數為10次時,試件孔隙率為3.7%,結構極不密實,試件在浸水時,水分沿表面空隙進入沖刷試件內部填料,試驗中水溶液變渾濁。隨著擊實次數的增加,試件表面空隙逐漸減小,當擊實次數達到50次后,試驗浸水溶液已無變渾濁現象,說明試件已經很密實,水分短時間進入試件的內部比較困難,水分無法對瀝青膜產生侵蝕作用,從而使浸水后的殘留穩定度提高。在5種擊實次數下,標準馬歇爾穩定度與浸水馬歇爾穩定度變化不大,對兩種試驗方法得到的穩定度進行相關性分析,得到P=0.177,說明兩種試驗結果相關性較好,無顯著性差異。通過以上結論可以看出試件在不同孔隙率下的浸水殘留穩定度都滿足規范要求,采用浸水馬歇爾殘留穩定度指標來衡量水泥作為填料時不同孔隙率瀝青混凝土的水穩定性,結果不是很明顯。

3 凍融劈裂試驗

以上結果得知,浸水馬歇爾試驗不能很好的反應不同孔隙率條件下瀝青混凝土水穩定性的影響。為進一步了解孔隙率變化對瀝青混凝土的水穩定性能的影響,按同樣的擊實方法分別以水泥和石粉作為填料制備不同孔隙率的試件,進行不同凍融次數下的凍融劈裂試驗。

3.1 試驗設計

試驗選用均勻正交設計,依次選取凍融次數、孔隙率、填料類型3個因素設計試驗,如表3所示。

表3 瀝青混凝土凍融劈裂試驗正交表

根據表3瀝青混凝土凍融劈裂試驗正交表進行瀝青混凝土試件的制備,每組3個試件,其中填料的水平為水泥與石粉,而孔隙率的水平選擇為1.7%、2.3%、2.9%、3.5%,根據前文所述不同空隙率與擊實次數之間的關系制備試件。試件尺寸應符合直徑(101.6±0.25)mm、高度(63.5±1.3)mm的要求,在試件兩側通過圓心畫對稱的十字標記,測定試件的密度、孔隙率等各項物理指標,試驗過程按50 mm/min的加載速率進行劈裂試驗,得到試驗的最大荷載。

瀝青混凝土劈裂試驗在萬能試驗機上進行,利用計算機來采集試驗數據。劈裂強度、劈裂應變按式(2)、式(3)計算。

RT=0.006 287×PT/H

(2)

ε=δ/H

(3)

式中,RT為劈裂強度,MPa；ε為試件最大應力時的應變,%；PT為試件最大荷載,N；δ為荷載最大時的垂直變形,mm；H為試件高度,mm。

TSR=RT1/RT2

(4)

式中,TSR為凍融劈裂強度比,%；RT2為凍融循環后有效試件劈裂強度平均值,MPa；RT1為未凍融循環的試件有效劈裂強度平均值,MPa。

3.2 結果與分析

瀝青混凝土凍融劈裂試驗結果如圖3、4所示。

圖3 劈裂強度云圖(單位：MPa)

圖4劈裂應變云圖(單位：%)

從圖3a、4a可以看出,以水泥作為填料時,瀝青混凝土的凍融劈裂強度隨試件孔隙率的增大強度減小,但減小幅度不大(約4%),劈裂時的應變量隨孔隙率的增大也逐漸增大。說明當瀝青混凝土孔隙率變大時,結構不密實,在單位面積上的空隙增多,致使有效瀝青混凝土面積減小,強度降低；劈裂強度與劈裂應變的變化規律可以看出瀝青混凝土材料呈非彈性材料關系。劈裂強度隨凍融次數的增加有減小趨勢,但在凍融0～4次時強度下降不明顯,到4次凍融后的凍融劈裂強度比TRS=99.1%,在凍融4次后劈裂強度下降較快,到凍融6次時TRS=91.1%；劈裂應變隨凍融次數的增加呈增大趨勢,且在凍融4次前其增長量較小,在凍融4次后增長速率較快。在凍融作用的影響下,通過空隙進入試件內部的水分對瀝青混凝土結構有一定的破壞,在凍融4次前可以認為以水泥為填料的瀝青混凝土抵抗凍融破壞的能力較強,而凍融4次后逐漸減弱。

以石粉為填料時,凍融劈裂強度與劈裂應變隨孔隙率及凍融次數的變化規律與以水泥為填料時基本相同,但劈裂強度低于以水泥為填料時,并且在凍融2～4次時孔隙率較大的試件劈裂強度就開始明顯下降。由于瀝青混凝土中瀝青膠漿(瀝青與填料的混合物)與骨料的粘附性是一個物理-化學吸附過程,其中化學吸附起主導作用,瀝青中含有的陰離子與表面活性物質(如瀝青酸、瀝青酸酐)與骨料中含有的重金屬或堿土金屬氧化物接觸時,由于分子力的作用,在界面上生成皂類化合物,這類化合物的化學吸附作用力很強,因而粘附力大使骨料與瀝青膠漿粘附牢固。普通硅酸鹽水泥中CaO的含量達60%以上,石灰石中CaO的含量約為40%～50%,水泥礦物成分大多呈玻璃體結構具有較強的化學活性,而石粉中的CaCO3晶體的化學活性都很弱,所以水泥填料比石灰石填料與瀝青之間具有更強的化學吸附作用,使得瀝青膠漿粘結力大,耐久性更高。其次水泥的顆粒級配優于石粉的顆粒級配,顆粒直徑較石粉小,使得瀝青膠漿中含有更多的結構瀝青,瀝青膜厚度更薄,粘結力更大。

3.3 極差、方差分析

影響因素的主次可以由極差分析法直觀的判斷出,并且可以很快的篩選出最優組合。因素對試驗結果影響程度的大小可以由極差的大小反映出,當因素為主要因素且對試驗結果的影響程度大時,極差則較大,次要因素則相反。試驗誤差是由空列中的平均指標的極差表示的,極差法分析試驗結果列于表4。方差分析法可以從試驗數據中獲得更多的信息,得到數據分析的精度和得出結論的可靠程度以及因素的顯著性[11],方差分析結果如表5。從表4極差分析結果可以看出,影響瀝青混凝土的凍融劈裂強度因素的主次順序為：填料類型→凍融次數→孔隙率。各因素下對應的平均指標即為該因素不同水平下的凍融劈裂強度的平均值,且有以下規律：隨著凍融次數的變大,凍融劈裂強度減小；當填料為水泥時,瀝青混凝土的凍融劈裂強度大于以石粉為填料的試件,極差法分析試驗誤差分別為0.032 MPa。表5方差分析結果可以看出：孔隙率的偏差平方和最小,凍融次數次之,填料類型的最大,說明孔隙率對凍融劈裂強度影響最小,填料類型對凍融劈裂強度的影響最大。對凍融劈裂強度影響程度順序為：填料類型>凍融次數>孔隙率,與極差分析結果一致,方差法分析試驗誤差為0.04 MPa。

表4 極差分析結果

表5 方差分析結果

4 結 論

本文通過不同孔隙率條件下的浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗,得到以下結論：

(1)在不同孔隙率下的浸水殘留穩定度均滿足規范要求,孔隙率變化對浸水馬歇爾殘留穩定度影響不大。

(2)孔隙率的大小對瀝青混凝土的凍融劈裂強度也有一定的影響,隨著孔隙率的增大凍融劈裂強度逐漸減小,但減小幅度較小(僅4%左右)；孔隙率對瀝青混凝土劈裂強度的影響程度小于填料類型和凍融劈裂次數。

(3)以水泥為填料時的凍融劈裂強度比石粉填料時大。

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[11]盧瑞珍. 混凝土試驗設計與質量管理[M]. 上海: 上海交通大學出版社, 1985．

(責任編輯王 琪)

ExperimentalStudyonWaterStabilityofAsphaltConcretewithDifferentPorosity

YANG Haihua, LIU Liang, YOU Guangming
(College of Water Conservancy and Civil Engineering, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, Xinjiang, China)

The water stability damage of asphalt concrete is due to water entering into the inside and causes aggregate and asphalt mortar peeling. In order to study the water stability performance of hydraulic asphalt concrete with natural gravel aggregate under the conditions of different porosity, the asphalt concrete specimens with different porosity are prepared by changing the hit times to carry out immersion Marshall test and freeze-thawing splitting test with different freeze-thawing times under same experimental conditions. The test results show that: (a) under the conditions of different porosity, the immersion residual stability of asphalt concrete decreases with the increase of porosity, but shall meet standard requirements; (b) the freeze-thaw splitting strength is not obviously changed with the change of porosity, and its strength will slightly decrease with the increase of freeze-thaw cycles; (c) the impact degree of porosity on water stability of asphalt concrete is lower than the filler type and the number of freeze-thaw cycles; and (d) the freeze-thaw splitting strength of asphalt concrete with stone powder filler is lower than that with cement filler．

asphalt concrete; porosity; Marshall test; water immersion residual stability; water stability; freeze-thaw splitting strength

2016- 09- 23

楊海華(1986—),男,四川遂寧人,實驗師,碩士,主要從事巖土工程及水工結構材料研究工作．

TU528.42

：A

：0559- 9342(2017)06- 0115- 05