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沥青混合料中间相及生成原理研究

时间: 2019-11-14 来源:上海雷韵

沥青及沥青混合料已经在全球得到广泛的应用,并且国内外相关研究人员就沥青、沥青混合料、沥青添加剂的性能、工艺及病害等多方面进行了大量全方面而深入细致研究。一直以来,普遍观点认为沥青混合料是沥青胶结料、矿物集料以及改性剂3种组分的混合体,表现为胶结料混合体包裹矿物集料的状态。但是,课题组在进行排水型沥青混合料马歇尔试样的肯塔堡飞散试验过程中,偶然发现飞散后的残留沥青混合料中存在大量粒径≤1cm的爆米花状或海泡状小颗粒,呈白色、淡黄,微观多孔,密度小,浮于水面而不溶于水。外力挤压和刮擦均可破坏小颗粒结构,但小颗粒不会受自身重力和外界气流影响而坍塌,属于软团聚物范畴,即由范德华力、库仑力或氢键等所形成的团聚。此外,这类小颗粒在沥青混合料中独立存在,可视为沥青混合料的一种中间相。

  中间相是如何在沥青混合料以及肯塔堡飞散试样中生成的,是否会影响沥青混合料性能?为此,本文将以马歇尔试样的非浸水肯塔堡飞散试验(规范要求在20℃水中浸泡20h)为研究手段,以沥青、集料、拌制和飞散试验过程中的机械力、热力学等为研究对象,探索导致中间相生成的影响因素,并初步研究和分析中间相生成的原理。

  本文选择的沥青胶结料为自制未添加颜料的彩色沥青;粗、细集料包括符合规范要求的各种规格石灰岩、辉绿岩以及玄武岩,矿粉为石灰石,3种岩石均产自浙江。肯塔堡飞散测试主要设备为DM-2型洛杉矶搁板式磨耗试验机。

  研究小颗粒形成的原因,必然要分析沥青混合料拌制过程中的各种因素,由沥青混合料的定义可知,影响因素主要涉及材料和工艺两个方面,其中材料主要包括集料和沥青胶结料,工艺则是热、机械力等外加作用。为此,本文围绕沥青、集料、拌制和飞散试验过程中的机械力、热力学等多方面展开试验研究,具体试验内容如下:

  (1)集料与级配对中间相生成影响试验。

  ①选用的粗细集料为石灰岩、玄武岩、辉绿岩等国内常用集料,矿粉采用石灰石。沥青胶结料为自制未加颜料的彩色沥青,根据《公路沥青路面施工技术规范》要求,采用3种方案拌制与成型AC-13型沥青混合料马歇尔试样,试样直径101.6±0.2mm、十字对称4个方向量取高度63.5±1.3mm。待成型的马歇尔样品冷却后直接进行肯塔堡飞散试验,考察集料种类因素是否为中间相生成的影响因素。

  ②选择石灰岩集料和石灰石矿粉,自制SBS改性沥青,按规范要求设计AC-13、SMA-13以及OGFC三种级配,拌制与成型马歇尔试样,最后进行肯塔堡飞散测试。

  胶结料对中间相生成影响试验。将石灰岩粗细集料与石灰石矿粉混合,加热至规范要求的改性沥青混合料的集料温度,不加沥青胶结料直接拌和,之后将拌和好的混合物进行肯塔堡飞散测试。

  在采用相同的未添加颜料彩色沥青、矿粉等材料和拌制工艺条件下,由石灰岩、玄武岩及辉绿岩3种集料制备的马歇尔试样进行肯塔堡飞散测试后的混合料残留沥青混合料。从试验结果不难发现以石灰岩为主要集料方案的飞散残留沥青混合料中形成的中间相较少,零星可见,而在以玄武岩为主要集料的飞散残留沥青混合料中,中间相数量极多,辉绿岩为主的残留沥青混合料中中间相数量次之。

  不加入沥青胶结料,而将加热且拌和后的石灰岩集料和石灰石矿粉混合物进行肯塔堡飞散试验的结果,中间相数量极少,明显少于添加了沥青胶结料的残留沥青混合料中中间相的数量,说明了沥青胶结料对中间相的形成有一定的促进作用。

  在将环境温度的石灰岩集料与石灰石矿粉混合物直接拌和并进行肯塔堡飞散试验过程中,未发现中间相,则可以认为加热对中间相的生成有影响。

  沥青混合料由拌制到进行肯塔堡飞散试验,不可避免地经历多种机械力的作用,其中拌和过程中集料彼此之间的摩擦、剪切以及冲击等机械力作用,不仅导致集料表面部分破碎成细小颗粒,同时也会造成集料中的附属物质(如天然沸石、黏土矿物等)从集料主体上剥落,导致在沥青混合料中生成了数量庞大且表面颇具活性的微小颗粒,创造了极具表面活性的微小粒子发生软团聚的必要条件。马歇尔试样成型过程中的垂直冲击力、侧向压力对微小粒子的软团聚发挥负作用,这就是没有进行飞散测试的马歇尔试样断面中间相数量少的原因。离心力作用有利于物质的有序堆积,肯塔堡飞散试验过程为这些微小粒子有序地软团聚提供了动力。

  根据前面的试验结果及分析可以得出影响中间相形成的因素包括集料类型、沥青、加热、拌和及飞散等材料和工艺过程。由此可以初步分析中间相生成的基本原理:首先由于不同质地天然岩石以及附属物质的主体晶体结构不同,因而体系提供的活化点类型、种类及数量也不相同,这也就是不同岩体的飞散残留沥青混合料中中间相数量不相同的本质原因;其次,拌和过程中的机械力作用和集料碰撞,使集料表面部分破碎成细小颗粒,造成了这些细小颗粒的晶格缺陷、缺陷密度增加、晶格畸变等问题,集料的破碎部分粒径小、数量多,比表面积更大,活化点数量多,同时加热过程使得这些活化点具备了足够的克服反应势垒的能量;之后具有黏附性的沥青为已经活化、能量足够的微小破碎颗粒提供聚集在一起的场所;最后,飞散过程中的离心力作用致使微小破碎颗粒发生有序化的堆积,使得微小破碎颗粒彼此表面的活化点之间的距离已经处于范德华力、库仑力、氢键等微观作用力范围内,这时就发生了微小破碎颗粒之间的软团聚,生成了肉眼可见的中间相。

  此外,集料中附属物质,如天然沸石、黏土矿物,自身就具有大量的氢键、库仑力、范德华力等物理键,加之上述机械力、加热、飞散等外界因素作用,也可能发生软团聚,这也就很好的解释了为什么在没有进行飞散试验的马歇尔样品的断面中也存在少量中间相。

  本文首次在马歇尔试样以及肯塔堡飞散试验残留沥青混合料中发现疏松、多孔、质轻的中间相,试验并分析了集料、沥青、加热以及机械力等因素对中间相生成的影响,研究结果表明:集料、沥青、加热以及机械力是影响中间相生成的主要因素。此外,本文还初步探讨了中间相生成原理,即集料破碎的微小颗粒和集料附属物质提供活性反应点,沥青胶结料提供活化点反应场所,拌和过程创造与激发活化点,加热提高活化点反应势能,促使软团聚反应完成。

  尽管大部分中间相是在肯塔堡飞散试验之后生成的,但在集料加热、沥青混合料拌制与成型过程中也有少量生成,这些生成的少量中间相不仅独立存在,而且其微观疏松多孔,强度小,有可能成为沥青路面病害产生的根源之一。此外,天然岩石的附属物质,如黏土矿物、沸石等,也可能导致中间相生成,使得沥青与集料的黏附性降低,倘若有外界机械力进一步作用,会加剧这种负面影响。

  总之,本文研究的意义不仅在于发现了沥青混合料马歇尔试样以及肯塔堡飞散试验残留沥青混合料中存在中间相,还初步研究与讨论了影响中间相生成的因素及相关原理,为更好的改善沥青与集料黏附性、抑制中间相的生成提供了参考。后续就中间相的微观组成、成分、团聚形式等,将进行更加全面、深刻地研究与分析。

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