多孔玄武岩集料在沥青面层的应用研究

多孔玄武岩集料在沥青面层的应用研究周继业任惠渠许志鸿【同济大学上海200092】摘要：本文介绍了多孔玄武岩集料在沪宁高速公路苏州段B标沥青上面层的应用情况，包括多孔集料在拌和楼烘干前后含水量的变化、集料沥青浸渍密度的测定和多孔集料沥青混合料配合比设计及施工要点。关键词：多孔集料沥青浸渍密度二沥青面层1前言沪宁高速公路苏州段B标沥青上面层供应的集料为江苏盱眙古桑和打石山料场的多孔玄武岩，其吸水率大于3％。根据我国《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ032-94)的规定，沥青面层用粗集料吸水率不大于2％，对多孔玄武岩可放宽至3％，但必须得到主管部门的批准。日本《高等级公路设计规范》对集料吸水率的规定也不得大于3％；美国、澳大利亚也有类似的规定。吸水率高的集料，由于其孔隙率大，在拌和和使用过程中，会吸收一部分沥青，给室内试验中最佳沥青用量的确定及混合料油石比的检测造成困难；又由于多孔集料经雨淋湿后，水分不易蒸发，含水量较大，从而在拌和楼干燥筒中集料难以充分干燥，残留的水分将使拌制的沥青混合料难以压实，铺成路面后容易出现剥离现象。但由于料源关系又必须使用。为此，江苏省高速公路指挥部和苏州市高速公路指挥部委托同济大学对此进行专题研究。本研究通过大量的室内外试验研究，取得了相应的成果，主要包括多孔集料在拌和楼烘干前后含水量的变化情况、集料沥青浸渍密度的测定和多孔集料沥青混合料配合比设计及施工的要点等。2多孔玄武岩集料拌和楼烘干前后含水量的变化多孔玄武岩集料孔隙内水分难以充分干燥，为了定量地了解集料在拌和楼干燥筒内烘干前后含水量的变化，同时也是为室内制作相应模拟含水量集料的沥青混合料马氏试件，从而比较不同含水量的集料对沥青混合料性能的影响，对古桑集料按烘干前、一次烘干(又分前取样、后取样)及二次烘干(也分前取样、后取样)五种状态取样测定其含水量。“二次烘干”是采用第一次烘干后的集料从拌和楼卸料后堆放二昼夜后送入干燥筒进行第二次烘干后的集料。“前取样”是指在干燥筒开始运转后集料达到施工温度时取的试样，“后取样”是指在干燥筒在达到施工温度后继续运转20min时所取的试样，代表拌和楼连续生产时的状态。很显然，“前取样”和“后取样”取样的时间间隔为20min。试样还按粒径大小分三种规格分别测定，测定结果见表1。根据表中数据可分析如下：(1)古桑集料各档规格的吸水率均大于3％，且粒径越小吸水率越大。(2)烘干前集料的含水率也为粒径越小，其值越大。从表中还可看出烘干前细集料的含水率大于相应的吸水率，这是吸水率是按标准方法测定的，而在测定相应集料烘干前自然含水率时所取的试样是包含了一部分游离水的。(3)二次烘干集料的平均含水率仅为一次烘干料的(16.4～21.9)％，显然采用二次烘干的集料较一次烘干的要好，但是采用二次烘干的工艺无论是从堆放场地和生产所需时间上都要困难得多，因此必须通过室内试验、试拌试铺才能最后决定采用哪种方法。(4)尽管集料的粒径越小，烘干前含水量越大，但无论是一次烘干还是二次烘干后，粒径越小其剩余含水率反而越小，这是因为粒径小的集料其比表面积越大，因此吸水量或蒸发量就越大所致。古桑集料吸水率和烘干前后含水率测定值表１集料规格(mm)吸水率(％)烘干前(％)一次烘干(％)二次烘干(％)前取样后取样前取样后取样19.00～13.203.241.71.461.250.290.2913.20～4.754.75～2.363.904.324.17.30.270.100.420.100.110003目标配合比设计由于多孔玄武岩集料的吸水率大于3％，因此在目标配合比设计中，对下列几方面作了特别的分析研究，也是配合比设计中应注意的要点。3.1集料的沥青浸渍密度我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ-052-93)(以下简称《试验规程》)中，在计算马氏试件的理论密度时规定：在一般情况下，集料与水的相对密度采用表观相对密度，这对于多孔集料，必然得出偏大的理论密度，而使计算的空隙率偏大；如采用集料的毛体积密度来计算必然得出较小的理论密度，而使计算的空隙率偏小，这二种方法都不符合实际情况。根据《试验规程》的条文说明，统一采用日本《高等级公路设计规范》的规定：“对于吸水率大于1.5％的粗集料应采用沥青浸渍密度，当测定沥青浸渍密度有困难时，可采用集料的初密度和毛体积密度的平均值”。应该指出，采用平均值的方法只是近似的。从理论上来分析，任何集料在沥青混合料拌和及使用过程中或多或少总要吸收一定沥青的，因此严格地说，在计算马氏试件的理论密度时，集料都应采用相应沥青的浸渍密度，只是当集料的吸水率较小时，采用表观相对密度来代替沥青浸渍密度的影响较小，而对吸水率大于3％的多孔集料，其影响是不可忽视的，因此本课题研究中决定采用集料的沥青浸渍密度来计算马氏试件的理论密度。集料的沥青浸渍密度测定在国内尚没见报道，本课题中的测定方法基本参照《日本道路公团试验方法》KODAN212-19，由于来不及配备专用的加热设备，沥青温度既要保持在规定的140℃左右又不能采取直接加热的方法，因此本研究中采用导热油作介质自行设计制备了加热保温系统，解决了这一技术难点。试验结果见表2和表3。集料的沥青浸渍密度测试记录表(古桑玄武岩)沥青混合料类型：AC-16B集料产地：古桑玄武岩沥青种类：AH-70ESSO表2项目编号集料尺寸集料+沥青+容器容器集料烘干重A沥青空气中重T-A-P沥青密度Gb浸渍密度空气中重T水中重TW体积T-TW空气中重P水中重PW体积P-PW实测值g/cm3平均值g/cm319.0～13.21409.2413.3995.9126.271.055.2500.0783.01.0292.7812.7711261.8398.4863.4113.661.352.3500.0648.22.76013.2～4.751345.7404.8940.9116.263.752.5500.0729.52.7862.7891456.4415.41041.0125.271.154.1500.0831.22.7914.75～2.361427.8425.31002.5143.481.262.2500.0784.42.8092.7951410.1415.1995.0128.672.955.7500.0781.52.7802.36～0.61460.7415.51045.2125.469.755.7500.0835.32.8132.8001436.7417.81018.9130.774.556.2500.0806.02.787注：沥青密度为25℃密度集料的沥青浸渍密度测试记录表(打石山玄武岩)混合料类型：AC-16B集料产地：打石山玄武岩沥青种类：AH-70ESSO表3项目编号集料尺寸集料+沥青+容器容器集料烘干重A沥青空气中重T-A-P沥青密度Gb浸渍密度空气中重T水中重TW体积T-TW空气中重P水中重PW体积P-PW实测值g/cm3平均值g/cm319.0～13.21295.5399.2896.3113.264.948.3492.6689.71.0292.7722.7711336.4413.6952.8126.072.353.7501.5738.92.77013.2～4.751346.5408.8937.7116.865.451.4504.8724.92.7762.7651341.9403.6938.3113.464.149.3500.9727.62.7544.75～2.361431.0418.71012.3128.174.154.0502.9800.02.7812.7801421.7414.71007.0124.471.652.8501.0796.32.778混合料1600.8477.21123.6126.170.755.4600.0876.42.7712.7731465.2474.6990.6122.869.853.0600.2742.22.775注：1.沥青密度为25℃密度。2.根据日本规范，2.36mm以下集料的密度可用同岩性2.36～4.75mm集料的密度来代替，古桑集料的沥青浸渍密度测定也证明了这一点(见表2)，故打石山集料2.36mm以下这档规格集料的浸渍密度以2.78计3.混合料是指19.0～13.2，13.2～4.75，4.75～2.36及2.36四档料按设计配比17∶32∶18∶26.5混合后的试样。3.2马氏试件和路面芯样的实测密度沥青混合料马氏试件的实测密度是计算空隙率、沥青体积百分率、沥青饱和度和矿料间隙率等物理指标的依据，不同的测定方法对其测定值有一定的影响。其中水中重法是最简单的方法，也是我国工程实践中最常用的一种方法，但一般只适用于很密实的Ⅰ型沥青混凝土试件而不适用集料吸水率较大的试件。本课题采用表干法来测定马氏试件及路面钻孔芯样的密度，即均以表干密度作为集料的实测密度。3.3空隙率和沥青饱和度技术标准的确定江沥青路面施工指导意见》中要求：沥青苏省高速公路建设指挥部在《沪宁高速公路上面层采用AC-16B型级配；马氏试验技术标准中的空隙率为3％～6％，沥青饱和度为70％～85％。这是采用我国规范中Ⅰ型级配的标准。试验结果表明，AC-16B型沥青混合料的沥青饱和度要达到省高指的要求，必须增加沥青用量，提高油石比，而从试拌情况来看再提高油石比是不合适的。AC-16B型既是介于我国规范Ⅰ型和Ⅱ型之间的一种级配，理应采用Ⅰ型和Ⅱ型之间的标准。Ⅰ型和Ⅱ型的空隙率标准分别为3％～6％和4％～10％，沥青饱和度标准分别为85％～70％和75％～60％。因此，对AC-16B型沥青混合料建议采用空隙率标准为4％～8％，相应的沥青饱和度标准为75％～65％。3.4最佳油石比的确定室内目标配合比试验是在工地已作了油石比为4.0％，4.5％，5.5％和6.0％大量马氏试验的基础上，又按4.9％，5.4％和5.9％三组油石比马氏常规试验(试验结果汇总于表4)和非常规试验。试验结果表明：当试件的理论密度根据集料的沥青浸渍来计算时，可用常规方法来确定最佳油石比。根据试验结果，古桑和打石山多孔集料沥青混合料的OAC2分别为5.33％和5.38％，考虑到车辆渠化和江苏的气候条件，最佳油石比宜低于OAC2，均定为5.2％。沥青混合料马氏试验结果汇总表表4集料油石比％理论密度g/cm3表干密度g/cm3空隙率％饱和度％流值0.01mm稳定度kN古桑4.92.5792.3947.2603113.85.42.5612.4384.8723313.45.92.5432.4414.0773113.3最佳油石比：5.2％(OAC2＝5.33％)打石山4.92.5732.4066.5633113.45.42.5552.4185.4693214.25.92.5372.4383.9773714.2最佳油石比：5.2％(OAC2＝5.38％)为了及时给试验路段提供生产油石比，根据集料的沥青浸渍密度测定值(见表2和表3)，对于古桑和打石山的多孔集料，按混合料的组配比例(见表5)计算，其平均吸油率分别为1.7％和1.5％，考虑到沥青与粗、细集料及矿粉拌和中沥青变稠，实际吸油率将随之减少，经讨论采用30％的吸油率加上金坛集料(非多孔)上面层目标配合比设计油石比4.9％之和，即5.4％初步作为古桑和打石山集料沥青混合料的最佳油石比。根据试验路段试拌情况来看，显得油稍偏多，说明室内目标配合比确定5.2％为最佳油石比是合适的。集料组配比例(％)表5规格集料19.0～13.213.2～4.754.75～2.362.36～0.6矿粉古桑27329266打石山17321826.56.53.5对比试验为了解集料中水分及沥青加抗剥离剂对沥青混合料性能的影响，在目标配合比室内试验中，对每种集料还按三种状态进行了对比试验：烘干集料，加抗剥离剂；含水集料，加抗剥离剂；含水集料，无抗剥离剂。上述烘干集料是指按规定在烘箱中烘至恒重的集料，含水集料的含水量是模拟在拌和楼干燥筒一次烘干后实测含水量(见表1)，抗剥离剂采用西安PA-1型，掺加量为3‰。