多孔玄武巖集料在瀝青面層的應用研究
發布時間：2010-01-14 共2頁
摘要：本文介紹了多孔玄武巖集料在滬寧高速公路蘇州段B標瀝青上面層的應用情況，包括多孔集料在拌和樓烘干前后含水量的變化、集料瀝青浸漬密度的測定和多孔集料瀝青混合料配合比設計及施工要點。
關鍵詞：多孔集料 瀝青浸漬密度 二瀝青面層
1 前言
滬寧高速公路蘇州段B標瀝青上面層供應的集料為江蘇盱眙古桑和打石山料場的多孔玄武巖，其吸水率大于3％。根據我國《公路瀝青路面施工技術規范》(JTJ032-94)的規定，瀝青面層用粗集料吸水率不大于2％，對多孔玄武巖可放寬至3％，但必須得到主管部門的批準。日本《高等級公路設計規范》對集料吸水率的規定也不得大于3％；美國、澳大利亞也有類似的規定。吸水率高的集料，由于其孔隙率大，在拌和和使用過程中，會吸收一部分瀝青，給室內試驗中最佳瀝青用量的確定及混合料油石比的檢測造成困難；又由于多孔集料經雨淋濕后，水分不易蒸發，含水量較大，從而在拌和樓干燥筒中集料難以充分干燥，殘留的水分將使拌制的瀝青混合料難以壓實，鋪成路面后容易出現剝離現象。但由于料源關系又必須使用。為此，江蘇省高速公路指揮部和蘇州市高速公路指揮部委托同濟大學對此進行專題研究。本研究通過大量的室內外試驗研究，取得了相應的成果，主要包括多孔集料在拌和樓烘干前后含水量的變化情況、集料瀝青浸漬密度的測定和多孔集料瀝青混合料配合比設計及施工的要點等。
2 多孔玄武巖集料拌和樓烘干前后含水量的變化
多孔玄武巖集料孔隙內水分難以充分干燥，為了定量地了解集料在拌和樓干燥筒內烘干前后含水量的變化，同時也是為室內制作相應模擬含水量集料的瀝青混合料馬氏試件，從而比較不同含水量的集料對瀝青混合料性能的影響，對古桑集料按烘干前、一次烘干(又分前取樣、后取樣)及二次烘干(也分前取樣、后取樣)五種狀態取樣測定其含水量。“二次烘干”是采用第一次烘干后的集料從拌和樓卸料后堆放二晝夜后送入干燥筒進行第二次烘干后的集料。“前取樣”是指在干燥筒開始運轉后集料達到施工溫度時取的試樣，“后取樣”是指在干燥筒在達到施工溫度后繼續運轉20min時所取的試樣，代表拌和樓連續生產時的狀態。很顯然，“前取樣”和“后取樣”取樣的時間間隔為20min。試樣還按粒徑大小分三種規格分別測定，測定結果見表1。
根據表中數據可分析如下：
(1)古桑集料各檔規格的吸水率均大于3％，且粒徑越小吸水率越大。
(2)烘干前集料的含水率也為粒徑越小，其值越大。從表中還可看出烘干前細集料的含水率大于相應的吸水率，這是吸水率是按標準方法測定的，而在測定相應集料烘干前自然含水率時所取的試樣是包含了一部分游離水的。
(3)二次烘干集料的平均含水率僅為一次烘干料的(16.4～21.9)％，顯然采用二次烘干的集料較一次烘干的要好，但是采用二次烘干的工藝無論是從堆放場地和生產所需時間上都要困難得多，因此必須通過室內試驗、試拌試鋪才能最后決定采用哪種方法。
(4)盡管集料的粒徑越小，烘干前含水量越大，但無論是一次烘干還是二次烘干后，粒徑越小其剩余含水率反而越小，這是因為粒徑小的集料其比表面積越大，因此吸水量或蒸發量就越大所致。
古桑集料吸水率和烘干前后含水率測定值 表１
| 集料規格 (mm) |
吸水率 (％) |
烘干前 (％) |
一次烘干(％) | 二次烘干(％) | ||
| 前取樣 | 后取樣 | 前取樣 | 后取樣 | |||
| 19.00～13.20 13.20～4.75 4.75～2.36 |
3.24 3.90 4.32 |
1.7 4.1 7.3 |
1.46 0.27 0.10 |
1.25 0.42 0.10 |
0.29 0.11 0 |
0.29 0 0 |
3 目標配合比設計
由于多孔玄武巖集料的吸水率大于3％，因此在目標配合比設計中，對下列幾方面作了特別的分析研究，也是配合比設計中應注意的要點。
3.1 集料的瀝青浸漬密度
我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTJ-052-93)(以下簡稱《試驗規程》)中，在計算馬氏試件的理論密度時規定：在一般情況下，集料與水的相對密度采用表觀相對密度，這對于多孔集料，必然得出偏大的理論密度，而使計算的空隙率偏大；如采用集料的毛體積密度來計算必然得出較小的理論密度，而使計算的空隙率偏小，這二種方法都不符合實際情況。根據《試驗規程》的條文說明，統一采用日本《高等級公路設計規范》的規定：“對于吸水率大于1.5％的粗集料應采用瀝青浸漬密度，當測定瀝青浸漬密度有困難時，可采用集料的初密度和毛體積密度的平均值”。
應該指出，采用平均值的方法只是近似的。從理論上來分析，任何集料在瀝青混合料拌和及使用過程中或多或少總要吸收一定瀝青的，因此嚴格地說，在計算馬氏試件的理論密度時，集料都應采用相應瀝青的浸漬密度，只是當集料的吸水率較小時，采用表觀相對密度來代替瀝青浸漬密度的影響較小，而對吸水率大于3％的多孔集料，其影響是不可忽視的，因此本課題研究中決定采用集料的瀝青浸漬密度來計算馬氏試件的理論密度。集料的瀝青浸漬密度測定在國內尚沒見報道，本課題中的測定方法基本參照《日本道路公團試驗方法》KODAN212-19，由于來不及配備專用的加熱設備，瀝青溫度既要保持在規定的140℃左右又不能采取直接加熱的方法，因此本研究中采用導熱油作介質自行設計制備了加熱保溫系統，解決了這一技術難點。試驗結果見表2和表3。
集料的瀝青浸漬密度測試記錄表(古桑玄武巖)
瀝青混合料類型：AC-16B集料產地：古桑玄武巖瀝青種類：AH-70ESSO 表2
| 項目
編號 集料 |
集料+瀝青+容器 | 容器 | 集料烘 干重 A |
瀝青空 氣中重 T-A-P |
瀝青 密度 Gb |
浸漬密度 | |||||
| 空氣中 重T |
水中重 TW |
體積 T-TW |
空氣中 重P |
水中重 PW |
體積 P-PW |
實測值 g/cm3 |
平均值 g/cm3 | ||||
| 19.0 ～ 13.2 |
1409.2 | 413.3 | 995.9 | 126.2 | 71.0 | 55.2 | 500.0 | 783.0 | 1.0 29 |
2.781 | 2.771 |
| 1261.8 | 398.4 | 863.4 | 113.6 | 61.3 | 52.3 | 500.0 | 648.2 | 2.760 | |||
| 13.2 ～ 4.75 |
1345.7 | 404.8 | 940.9 | 116.2 | 63.7 | 52.5 | 500.0 | 729.5 | 2.786 | 2.789 | |
| 1456.4 | 415.4 | 1041.0 | 125.2 | 71.1 | 54.1 | 500.0 | 831.2 | 2.791 | |||
| 4.75 ～ 2.36 |
1427.8 | 425.3 | 1002.5 | 143.4 | 81.2 | 62.2 | 500.0 | 784.4 | 2.809 | 2.795 | |
| 1410.1 | 415.1 | 995.0 | 128.6 | 72.9 | 55.7 | 500.0 | 781.5 | 2.780 | |||
| 2.36 ～ 0.6 |
1460.7 | 415.5 | 1045.2 | 125.4 | 69.7 | 55.7 | 500.0 | 835.3 | 2.813 | 2.800 | |
| 1436.7 | 417.8 | 1018.9 | 130.7 | 74.5 | 56.2 | 500.0 | 806.0 | 2.787 | |||
注：瀝青密度為25℃密度
集料的瀝青浸漬密度測試記錄表(打石山玄武巖)
混合料類型：AC-16B集料產地：打石山玄武巖瀝青種類：AH-70ESSO 表3
| 項目
編號 集料 |
集料+瀝青+容器 | 容器 | 集料烘 干重 A |
瀝青空 氣中重 T-A-P |
瀝青 密度 Gb |
浸漬密度 | |||||
| 空氣中 重T |
水中重 TW |
體積 T-TW |
空 氣 中 重P |
水中重 PW |
體積 P-PW |
實測值 g/cm3 |
平均值 g/cm3 | ||||
| 19.0 ～ 13.2 |
1295.5 | 399.2 | 896.3 | 113.2 | 64.9 | 48.3 | 492.6 | 689.7 | 1.029 | 2.772 | 2.771 |
| 1336.4 | 413.6 | 952.8 | 126.0 | 72.3 | 53.7 | 501.5 | 738.9 | 2.770 | |||
| 13.2 ～ 4.75 |
1346.5 | 408.8 | 937.7 | 116.8 | 65.4 | 51.4 | 504.8 | 724.9 | 2.776 | 2.765 | |
| 1341.9 | 403.6 | 938.3 | 113.4 | 64.1 | 49.3 | 500.9 | 727.6 | 2.754 | |||
| 4.75 ～ 2.36 |
1431.0 | 418.7 | 1012.3 | 128.1 | 74.1 | 54.0 | 502.9 | 800.0 | 2.781 | 2.780 | |
| 1421.7 | 414.7 | 1007.0 | 124.4 | 71.6 | 52.8 | 501.0 | 796.3 | 2.778 | |||
| 混合料 | 1600.8 | 477.2 | 1123.6 | 126.1 | 70.7 | 55.4 | 600.0 | 876.4 | 2.771 | 2.773 | |
| 1465.2 | 474.6 | 990.6 | 122.8 | 69.8 | 53.0 | 600.2 | 742.2 | 2.775 | |||
注：1.瀝青密度為25℃密度。
2.根據日本規范，2.36mm以下集料的密度可用同巖性2.36～4.75mm集料的密度來代替，古桑集料的瀝青浸漬密度測定也證明了這一點(見表2)，故打石山集料2.36mm以下這檔規格集料的浸漬密度以2.78計
3.混合料是指19.0～13.2，13.2～4.75，4.75～2.36及2.36四檔料按設計配比17∶32∶18∶26.5混合后的試樣。
3.2 馬氏試件和路面芯樣的實測密度
瀝青混合料馬氏試件的實測密度是計算空隙率、瀝青體積百分率、瀝青飽和度和礦料間隙率等物理指標的依據，不同的測定方法對其測定值有一定的影響。其中水中重法是最簡單的方法，也是我國工程實踐中最常用的一種方法，但一般只適用于很密實的Ⅰ型瀝青混凝土試件而不適用集料吸水率較大的試件。本課題采用表干法來測定馬氏試件及路面鉆孔芯樣的密度，即均以表干密度作為集料的實測密度。
3.3 空隙率和瀝青飽和度技術標準的確定
江瀝青路面施工指導意見》中要求：瀝青蘇省高速公路建設指揮部在《滬寧高速公路上面層采用AC-16B型級配；馬氏試驗技術標準中的空隙率為3％～6％，瀝青飽和度為70％～85％。這是采用我國規范中Ⅰ型級配的標準。
試驗結果表明，AC-16B型瀝青混合料的瀝青飽和度要達到省高指的要求，必須增加瀝青用量，提高油石比，而從試拌情況來看再提高油石比是不合適的。AC-16B型既是介于我國規范Ⅰ型和Ⅱ型之間的一種級配，理應采用Ⅰ型和Ⅱ型之間的標準。Ⅰ型和Ⅱ型的空隙率標準分別為3％～6％和4％～10％，瀝青飽和度標準分別為85％～70％和75％～60％。因此，對AC-16B型瀝青混合料建議采用空隙率標準為4％～8％，相應的瀝青飽和度標準為75％～65％。
