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水稳石
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掺入废旧沥青混合料颗粒的二灰碎石组成优化

2021-06-15

       二灰碎石基层是国内外道路建设中常用的基层形式,但是由于其抗裂性能较差和抗冲刷性能不足等缺点,使得其推广应用受到了一定的限制,为此,国内外的学者展开了大量研究。刘红瑛等基于击实试验设计了二灰稳定碎石级配,并采用干缩温缩试验方法深入研究了该级配下二灰稳定碎石的路用性能,通过对试验路的长期观察,证明了该级配的优越性;车法等采用正交试验方法分析二灰砂浆组成比例对其力学性能的影响,提出了骨架密实型二灰稳定碎石级配和配合比,并与配合比相同的悬浮密实型二灰稳定碎石进行了力学强度的对比研究;王秀春等研究了骨架密实型二灰稳定碎石的干缩应变、含水量、温缩应变和温缩系数等试验指标;蒋应军等采用垂直振动试验方法,以力学强度很大为原则,提出了基于胶浆原理的二灰稳定碎石很好组成配合比;李彬通过温缩试验研究了升温和降温次序对二灰碎石基层的影响,提出了有利于提高二灰碎石基层抗裂性能的二灰很好掺量;LekarpF等研究了二灰稳定碎石的级配类型并分析了其应变响应。

        以上研究无疑对二灰稳定碎石的推广应用以及提高二灰碎石基层的路用性能具有极大的促进作用。但是,目前的研究大多都是从骨架密实结构入手,在成型方法或者数理统计方法方面不断完善二灰稳定碎石的组成配合比,而在二灰稳定碎石中添加新的材料来提高其路用性能的研究却鲜少涉及。在如今的道路修筑中,每年都会产生大量废旧老化的沥青混合料,旧沥青有着比石灰、粉煤灰更优越的粘结性能,沥青混合料的抗裂性能也明显优于二灰稳定碎石。鉴于此,二灰石厂家尝试在二灰稳定碎石中掺入废旧沥青混合料细颗粒来提高其路用性能,对于完善二灰稳定碎石研究体系和实际工程应用有着重要意义。


二灰稳定石


原材料及级配

所用石灰的有效CaO与MgO的含量为73.8%;所用粉煤灰出自兰州西固发电厂。所用废旧沥青混合料来自铜黄高速公路,粉尘含量约为14%,含有大量的老化块。选用粒径4.75mm以下的废旧沥青混合料细颗粒。

       所用集料为石屑以及4.75~9.5mm、9.5~19mm、19~37.5mm三种规格的石灰岩。集料级配采用《公路沥青路面设计规范》规定的级配范围中值。为了保证集料的级配不变,用一定含量的废旧沥青混合料细颗粒取代相应的各档粒径集料。

混合料配合比影响因素分析

石灰与粉煤灰比例

       抗压强度是二灰碎石的重要性能,也是现行规范对二灰稳定碎石用于铺筑公路的惟一硬性指标,因此,本文首先探讨废旧沥青混合料颗粒的含量和石灰与粉煤灰的比例对二灰碎石基层抗压强度的影响。根据工程应用和实践经验,初步确定二灰与集料的用量比例为1∶4。变化废旧沥青混合料细颗粒的掺量和石灰与粉煤灰的比例,采用静压法成型Φ150mm×150mm的圆柱体试件。

可知,废旧沥青混合料细颗粒掺量一定时,7d无侧限抗压强度随粉煤灰含量的增大呈先增大后减小的趋势,在石灰与粉煤灰的比例为1∶2时达到很大。同时,石灰与粉煤灰的比例一定时,废旧沥青混合料细颗粒掺量越多,抗压强度越大。因此,以7d无侧限抗压强度很大为原则,确定石灰与粉煤灰的比例为1∶2。

收缩变形。

       收缩裂缝是二灰稳定碎石基层常见的破坏形式之一,收缩裂缝包括干缩裂缝和温缩裂缝,主要是由材料内部水分丧失引起的,水分丧失得越多越快,干缩量就越大,裂缝出现得也越快。由于现代修筑技术的进步,在二灰碎石基层的铺筑养生期间,可以保证水分基本维持在很好含水量的状态,在铺筑面层之后,亦可显著降低含水量的变化,故干缩变形所形成的裂缝已经不足为虑。

       工程应用和实践经验表明,环境温度降低所引起的温缩变形是二灰稳定碎石基层产生收缩裂缝的主要原因。因此在很好含水量和很大干密度下,采用静压法成型100mm×100mm×400mm的中梁,在(20±2)℃下养生至规定龄期,研究二灰掺量对温缩系数的影响。

      可知,废旧沥青混合料细颗粒掺量一定时,二灰掺量越大,二灰稳定碎石的温缩系数就越大,越容易产生收缩裂缝。这是因为:二灰中的石灰通常指的是经充分消解的熟石灰,熟石灰用量越大,越容易生成高碱度的水化硅酸钙;与普通的水化硅酸钙相比,高碱度的水化硅酸钙更容易收缩并且收缩量更大。废旧沥青混合料细颗粒的掺量对改善温缩裂缝有着显著的影响,当二灰的掺量相同时,细颗粒掺量越大,温缩系数越小,二灰稳定碎石的温缩裂缝就越少。这是因为:包裹在细颗粒外层的沥青属于弹性介质,在二灰碎石收缩时,可以起到一定的缓冲作用,从而减少收缩量。

劈裂强度。

       二灰稳定碎石基层的收缩开裂主要是由于所受的拉应力超过了其抗拉强度造成的,而劈裂强度表征的正好是材料的抗拉能力,故劈裂强度在一定程度上可以反映材料的抗裂性能。改变废旧沥青混合料细颗粒和二灰的掺量,采用静压法成型Φ150mm×150mm的圆柱体试件,在标准条件下养生,测试其28d劈裂强度。

      可知,细颗粒掺量一定时,二灰掺量越大,劈裂强度越大。这是因为二灰稳定碎石的劈裂强度主要依靠结合料的粘结能力,二灰用量越多,粘结能力越强。二灰掺量一定时,细颗粒掺量越多,劈裂强度越大,这也间接表明,细颗粒的掺入有利于改善二灰碎石混合料的抗裂性能。

石灰与粉煤灰的掺量既要保证二灰稳定碎石混合料拥有较好的抗温度收缩能力,又要有较大的劈裂强度,综合考虑,建议二灰的掺量为18%。

细颗粒掺量

       抗冲刷性能是半刚性基层的重要路用性能之一,研究表明,二灰稳定碎石基层常出现的唧泥等灾害正是由于其抗冲刷能力不足,继而交通荷载所产生的动水压力不停侵蚀基层材料所致。因此,基于上述研究,改变废旧沥青混合料细颗粒掺量,每种掺量成型3组试件做对比分析,讨论细颗粒掺量对抗冲刷能力的影响。

       可知,随着细颗粒掺量的增加,冲刷率先减小后增大,在细颗粒掺量大约为13%时,达到很小。这是因为,在没有掺入细颗粒前,二灰稳定碎石中的细集料仅受到二灰的胶结作用,并且集料间的孔隙填充不够充分,在动水压力作用下容易剥落;当细颗粒掺量大约为13%时,细集料外裹附的老化沥青填充了集料间的孔隙,使混合料更加密实,并且增强了集料间的粘结能力,使细集料不易被冲刷剥落;而当细颗粒掺量进一步增大,细颗粒无法均匀地分散在混合料中,反而导致了孔隙增大,并且削减了二灰的粘结作用,使得抗冲刷能力反而降低。鉴于此,建议二灰稳定碎石混合料中废旧沥青混合料细颗粒的掺量为13%。

性能验证

      列出了掺废旧沥青混合料细颗粒的二灰稳定碎石混合料的配比,为了验证其路用性能的优越性,表中还列出了《公路路面基层施工技术规范》中的二灰稳定碎石规范配合比中值。基于级配,不同配合比的二灰稳定碎石基层在很大干密度和很好含水量下用静压法成型试件。可知,与规范级配相比,优化后的二灰稳定碎石基层的抗压强度、劈裂强度、抗温缩性能和抗冲刷性能均明显提高,二灰石厂家得注意这一点的优化。

结语

(1)研究了石灰与粉煤灰的比例和废旧沥青混合料细颗粒掺量对二灰稳定碎石7d抗压强度的影响。结果表明:当废旧沥青混合料细颗粒掺量一定时,粉煤灰含量越大,抗压强度先增大后减小,在石灰与粉煤灰的比例为1∶2时达到很大。同时,石灰与粉煤灰的比例一定时,废旧沥青混合料细颗粒掺量越多,抗压强度越大。

(2)研究了二灰掺量和废旧沥青混合料细颗粒掺量对二灰稳定碎石温缩系数和劈裂强度的影响。结果表明:当废旧沥青混合料细颗粒掺量一定时,二灰掺量越大,温缩系数越大,劈裂强度越大;当二灰的掺量一定时,细颗粒掺量越大,温缩系数越小,劈裂强度越大。综合考虑抗收缩性能和劈裂强度,建议二灰的掺量为18%。

(3)研究了废旧沥青混合料细颗粒含量对二灰稳定碎石抗冲刷性能的影响。结果表明:随着细颗粒掺量的增加,抗冲刷能力先增大后减小,在细颗粒掺量大约为13%时达到很大。

(4)与规范级配相比,优化后的二灰稳定碎石混合料的抗压强度、劈裂强度、抗温缩性能和抗冲刷性能均明显提高。


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