隧道溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性分析

周立園

(中犇檢測(cè)認(rèn)證有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

自改革開放以來，我國公路建設(shè)速度加快，交通運(yùn)輸事業(yè)取得了長足的發(fā)展。在隧道工程路面施工中，若采用熱拌瀝青混合料，拌和、施工溫度太高，將會(huì)產(chǎn)生大量有害氣體，封閉環(huán)境下極易危害施工人員的身體健康。溫拌瀝青混合料的拌和溫度低、性能良好，將其用于隧道路面施工可大大降低有害氣體排放量，改善施工環(huán)境，還能提升隧道路面抗水損壞性能，延長路面使用年限。

1 浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)分析

瀝青路面當(dāng)中水損壞是最常見的問題，隨著水作用時(shí)間的延長，瀝青路面水損壞的程度將隨之加劇。對(duì)于路面使用性能而言，水的危害性極大，不僅會(huì)影響瀝青膠結(jié)料的粘附性能，還會(huì)大大減弱瀝青和集料間的粘結(jié)效果，降低路面耐久性。目前，溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性檢測(cè)，多采用2種試驗(yàn)方式，即浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)。其中浸水馬歇爾試驗(yàn)的檢測(cè)重點(diǎn)為水侵蝕條件下瀝青混合料抗剝落能力的強(qiáng)弱。具體試驗(yàn)如下。

1.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)條件

準(zhǔn)備2組(A、B)成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，A組存放于60℃水箱內(nèi)，留置時(shí)間30 min；B組存放于60℃水箱內(nèi)，留置時(shí)間48 h。A、B兩組分別設(shè)平行試件4個(gè)，通過馬歇爾試驗(yàn)儀器進(jìn)行檢測(cè)與分析，設(shè)定每分鐘加載速率為50 mm。按照公式(1)確定浸水殘留穩(wěn)定度。

MS0=MS1/MS×100

(1)

式中:MS0代表浸水殘留穩(wěn)定度(%)，MS代表浸水前試件的穩(wěn)定度(kN)，MS1代表浸水后試件的穩(wěn)定度(kN)。

1.2 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

本文采用3種不同混合料在最佳摻量條件下進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，并與熱拌瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，所得結(jié)果如表1所示。

表1 不同溫拌瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，熱拌瀝青混合料在浸水后，其穩(wěn)定度下降。同時(shí)，溫拌瀝青試件浸水48 h后其穩(wěn)定度也有所下降，但整體來講，3種不同溫拌瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度均可達(dá)到規(guī)定需求。相比普通熱拌瀝青混合料，3種不同溫拌瀝青混合料當(dāng)中，3%Sasobit浸水殘留穩(wěn)定度下降最為嚴(yán)重，其他兩類相對(duì)變化較小，且0.3%Aspha-min還有提升現(xiàn)象。在浸水馬歇爾試驗(yàn)條件下，3%Sasobit溫拌瀝青混合料的抗剝落能力相對(duì)有所降低，但依舊可以滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，具有可行性。

2 多循環(huán)凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)分析

在浸水馬歇爾試驗(yàn)中，溫拌瀝青混合料試件所承受的力為徑向壓力，試驗(yàn)檢測(cè)所獲取的結(jié)果只能代表集料顆粒間內(nèi)摩阻力的實(shí)際情況，無法真實(shí)、全面地反映混合料內(nèi)瀝青粘結(jié)力的情況。基于這種情況，在溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性分析中還須進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，即通過模擬試驗(yàn)，了解瀝青混合料在被水沖刷后的水損壞情況，從而測(cè)定凍融循環(huán)前后兩個(gè)階段馬歇爾試件的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，通過凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比進(jìn)行瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。凍融劈裂試驗(yàn)中，針對(duì)不同溫拌瀝青混合料進(jìn)行多次凍融循環(huán)試驗(yàn)，從而更準(zhǔn)確地了解溫拌瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性，試驗(yàn)共進(jìn)行3次，在不同循環(huán)次數(shù)下，研究瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度變化情況，匯總數(shù)據(jù)，找出規(guī)律。

2.1 多循環(huán)凍融劈裂試驗(yàn)條件

準(zhǔn)備2組(A、B)成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，試件須進(jìn)行雙面擊實(shí)，次數(shù)均為50次。

A組試件試驗(yàn)過程如下。①試件存放于98.3～98.7 kPa真空環(huán)境下，留置時(shí)間設(shè)定為15 min。②常壓后，飽水30 min。③存放到-18℃環(huán)境當(dāng)中，留置時(shí)間為16 h。④存放到60℃環(huán)境中進(jìn)行水浴處理，時(shí)間為24 h，由此一個(gè)凍融循環(huán)結(jié)束。

B組為對(duì)照組，無需特殊處理。凍融劈裂試驗(yàn)前，為了保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，需提前將兩組試件存放到恒溫水箱(25℃)內(nèi)，浸泡時(shí)間超過2 h，同時(shí)，測(cè)定試件的最大荷載，50 mm/min為加載速率。

試驗(yàn)過程中，需要根據(jù)凍融循環(huán)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)，測(cè)定凍融劈裂抗拉強(qiáng)度及凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)，如公式(2)、公式(3)所示。

RT1=0.006287PT1/h1

RT2=0.006287PT2/h2

(2)

式中:PT1、h1代表未凍融循環(huán)組單個(gè)試件的試驗(yàn)荷載值(N)、試件高度(mm)；PT2、h2代表凍融循環(huán)組單個(gè)試件的試驗(yàn)荷載值(N)、試件高度(mm)。

(3)

2.2 多循環(huán)凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)3種不同溫拌瀝青混合料在最佳摻量條件下，凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)前后的檢測(cè)結(jié)果如圖1～4所示，同時(shí)對(duì)比分析熱拌瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度，最終得出凍融劈裂殘留強(qiáng)度比。

通過圖1～4可見，伴隨1次、2次、3次凍融循環(huán)次數(shù)的不斷遞增，3種不同溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)。相比熱拌瀝青混合料，1次凍融循環(huán)之后，3種溫拌瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度均略大一些。但2次凍融循環(huán)后，Aspha-min溫拌瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度下降嚴(yán)重，其他兩種溫拌瀝青混合料仍高于熱拌瀝青混合料。3次凍融循環(huán)后，Sasobit溫拌瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度基本上等同于熱拌瀝青混合料，但仍略高于熱拌瀝青混合料，相比之下，Aspha-min溫拌瀝青混合料仍舊下降嚴(yán)重影響了混合料的長期水穩(wěn)定性。究其原因，瀝青材料具有一定黏彈性，溫度變化對(duì)瀝青材料性能具有較大影響。在水和溫度的反復(fù)循環(huán)影響下，瀝青混合料內(nèi)的水分形態(tài)不斷變化，從最初的液態(tài)，轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，最終又再次轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，在此過程中嚴(yán)重影響了瀝青結(jié)合料和其他材料之間的粘附性，從而大幅減弱溫拌瀝青混合料試件的劈裂強(qiáng)度。

圖1 未凍融前劈裂抗拉強(qiáng)度 圖2 一次凍融循環(huán)劈裂抗拉強(qiáng)度

圖3 兩次凍融循環(huán)劈裂抗拉強(qiáng)度 圖4 三次凍融循環(huán)劈裂抗拉強(qiáng)度

不同溫拌瀝青混合料在3次凍融循環(huán)試驗(yàn)下的劈裂殘留強(qiáng)度比(見圖5)，伴隨凍融循環(huán)次數(shù)的持續(xù)增長，溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比，呈下降趨勢(shì)。1次凍融循環(huán)之后，相比熱拌瀝青混合料，Sasobit溫拌瀝青混合料的劈裂殘留強(qiáng)度比較低，其他兩種溫拌瀝青混合料則仍略高于熱拌瀝青混合料，相差很小，由此表明只通過1次凍融循環(huán)試驗(yàn)，很難判定混合料的抗水損壞強(qiáng)弱。通過2次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，相比之下，Aspha-min溫拌瀝青混合料的劈裂殘留強(qiáng)度比下降嚴(yán)重，說明該溫拌瀝青混合料抗水損壞能力減弱明顯。通過3次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，Aspha-min溫拌瀝青混合料的劈裂殘留強(qiáng)度比僅有45%左右，相比熱拌及其他兩種溫拌瀝青混合料，Aspha-min溫拌瀝青混合料的長期抗水損壞能力最弱。究其原因，Aspha-min溫拌瀝青混合料在溫拌劑類型當(dāng)中，屬于直投式類型，沸石發(fā)泡過程中會(huì)殘留一定水分，同時(shí)在材料拌合時(shí)期由于反應(yīng)不完全，也會(huì)存留一些溫拌劑，從而很可能會(huì)影響混合料的粘附效果。在3種溫拌瀝青混合料當(dāng)中，Sasobit溫拌瀝青混合料相比DWMA-1溫拌瀝青混合料，存在一定長期水穩(wěn)定性劣化現(xiàn)象。由此可見，在3種溫拌瀝青混合料當(dāng)中，僅有DWMA-1溫拌瀝青混合料可改善溫拌瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性。主要原因在于DWMA-1溫拌瀝青混合料所采用的溫拌劑內(nèi)含有的胺類物質(zhì)具有較強(qiáng)抗剝落能力，可增強(qiáng)瀝青材料和礦料之間的粘結(jié)效果，進(jìn)一步提升溫拌瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性。據(jù)大量實(shí)踐研究表明，DWMA-1溫拌瀝青路面遭遇水損壞后，路面強(qiáng)度下降程度較小，仍可滿足延長工程使用壽命的要求。

圖5 不同溫拌瀝青混合料凍融劈裂殘留強(qiáng)度比

針對(duì)Aspha-min、Sasobit兩種溫拌瀝青混合料，為改善其長期水穩(wěn)定性，本文提出了摻加無機(jī)外摻劑的方式。即在拌和混合料時(shí)，按比例摻加適量消石灰，以混合料質(zhì)量1.5%為準(zhǔn)。為確保其改善效果，可進(jìn)行多循環(huán)凍融劈裂試驗(yàn)，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻消石灰后，兩種溫拌瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比均有所提升，起到改善溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性的作用。

3 結(jié)語

本文以隧道溫拌瀝青混合料水穩(wěn)定性為研究對(duì)象，針對(duì)3種不同溫拌瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)、3次循環(huán)凍融劈裂試驗(yàn)，最終得出，浸水馬歇爾試驗(yàn)下3%Sasobit溫拌瀝青混合料的抗剝落能力相對(duì)有所降低，但依舊可以滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，仍具有可行性。為研究溫拌瀝青混合料的長期水穩(wěn)定性，需測(cè)定凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比，得出Aspha-min、Sasobit兩種溫拌瀝青混合料相比熱拌瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比下降較多，可通過摻加消石灰無機(jī)外摻劑的方式改善其長期水穩(wěn)定性，經(jīng)試驗(yàn)分析，摻加消石灰后，溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度比有所提升，可達(dá)到良好的應(yīng)用效果。