沥青路面具有路面平整、驾驶舒适性高、维修方便等优点,但很多沥青路面在建成后短时间内就出现了明显的裂缝、车辙、松散、剥落和表面磨光等现象,直接影响了行车速度、行车安全和通行能力.如何提高沥青路面路用性能已经成为中国高等级公路沥青路面急需解决的问题[1-3].欧美等发达国家在20世纪初期开始研究如何提高沥青路面路用性能，对水损害的形成机理、影响因素及评价方法等进行了系统的研究[4].国内外研究学者们提出掺加外加剂能够有效地解决这个难题,其中,无机类外加剂主要是在矿料中添加水泥、消石灰.消石灰优点是取材方便、成本较低、沥青与集料黏附性效果较好,但存在的不足之处是操作比较复杂,对试验及现场施工工艺要求较高.在沥青混合料中添加不同剂量的消石灰进行试验,发现消石灰会大大改善沥青混合料的水稳定性和高温稳定性[5-7].水泥在改善沥青混合料水稳定性方面也具有非常好的效果.综合材料来源、价格等原因,水泥作为外加剂应用也比较广泛[8-10].通过分析矿粉和水泥在沥青混合料中的作用机理,分别以不同比例的水泥代替矿粉进行试验,结果表明采用水泥替代矿粉后可以改善沥青混合料的冻融劈裂能力、高温稳定性和水稳定性[11-12].掺加消石灰和水泥也具有不足之处,例如,掺加消石灰、水泥对沥青混合料的低温性质会产生不利影响.由于前述路用性能的研究没有将冻融劈裂、浸水马歇尔、高温稳定性和低温抗裂性等试验结合起来,因此本次研究综合对掺加消石灰、水泥的沥青混合料进行上述几种试验研究,分析掺加两种外加剂的混合料的路用性能,研究消石灰和水泥的最佳掺量,为沥青混合料配合比及拌和工艺提供参考.

1 原材料检验

1.1 基质沥青

试验所用沥青为镇海A级90号石油沥青,按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》相关试验的要求，进行针入度、软化点和延度测定.结果显示,AH-90沥青针入度(0.1 mm,25 ℃,5 s)为84,规范要求80～100;软化点47.6 ℃,规范要求≥42,延度(15 ℃,5 cm/min)为115 cm,规范要求≥100 cm,满足AH-90号道路石油沥青的技术要求.此外,对基质沥青进行傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测,并将检测谱图与甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司沥青指纹识别技术标准沥青谱图进行对比分析,测定结果为镇海AH-90号道路石油沥青.检测比对结果见图1.

由于广播无线数字化的普及，使人们在收看电视或者广播时大大降低了成本，对农民群众来说具有非常重要的意义。数字化覆盖工程技术是我国自主研发，因此在成本上能够降低很多。[2]

  

图1 基质沥青FTIR测试结果Fig.1 FTIR test result of matrix asphalt

1.2 消石灰和水泥

试验采用镁质消石灰,优等品,测定技术指标为游离水1.6%,MgO、CaO质量分数为75.1%,体积安定性合格,0.125 mm筛余量2.5%.水泥采用普通硅酸盐水泥(42.5 MPa),测定技术指标为有效碱性物质质量分数0.7%,比表面积3 400 cm2/g,体积安定性合格,氯离子质量分数0.023%.

1.3 集料及矿粉

试验所用粗、细集料均采用兰州市西果园料场的集料,矿粉为永登水泥厂生产的石灰岩矿粉.经检测,粗集料洛杉矶磨耗值16.3%,石料压碎值17.6%,表观相对密度2.73,坚固度11.4%;对应的规范要求分别为≤28%、≤30%、≥2.5、≤12%.细集料表观相对密度2.62,砂当量77%;对应的规范要求分别为>2.50、≥60%.矿粉外观为无团粒黏结块,含水量0.4%,表观相对密度2.597,亲水系数0.9%;对应的规范要求分别为≤1%、≥2.5、≤1%.

2 消石灰和水泥的拌和工艺

2.1 消石灰的拌和工艺

在确定沥青混合料AC-16型最佳油石比的基础上,按照JTG E20—2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验》中方法T0729-2000进行冻融劈裂试验,结果见表3.掺加不同剂量消石灰、水泥沥青混合料的冻融劈裂强度比都显著提高.当掺加1%消石灰时,劈裂强度比提高了9.5%;当掺加2%水泥时,劈裂强度比提高了8.3%.说明在冻融劈裂条件下,掺加1%消石灰比掺加2%水泥效果明显,沥青混合料的水稳定性显著提高.

2.2 水泥的拌和工艺

试验级配采用JTG E20—2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》中沥青混合料AC-16型,其级配组成见表1.首先，采用马歇尔试验方法得到该沥青混合料的最佳油石比为4.5%，然后进行在不掺加外加剂，分别掺加1%、2%消石灰和掺加2%、4%水泥的沥青混合料AC-16型的室内试验.

LED光质对‘黄皱叶’玉簪的增殖具有显著影响。其中,3R7B条件下的增殖效果最好,7R3B增殖效果最差。这一结果与Kwon等[15-17]学者的研究结论较为一致。另外,本试验结果表明,在同样光质的情况下,高强度的光照与低强度光照相比,明显有利于组培苗的增殖。其原因可能是‘黄皱叶’玉簪属于黄绿色叶系,而黄色、绿色叶片的玉簪对光照敏感,在光照50%以上的条件下生物量积累较多[18]。由此可知,‘黄皱叶’玉簪的增殖适宜生长在光照充足的条件下,适当的强光条件能促使组培苗增殖分化。

3 试验结果分析与讨论

水泥拌和工艺与消石灰拌和工艺基本相同,一种是用水泥浆处理,第二种是用水泥代替部分矿粉进行处理.结合试验和兰州市施工拌和经验,这里推荐第二种拌和工艺,拌和时应当注意水泥的掺量.

从表4可以看出：与未掺抗剥落剂的沥青混合料相比,掺加消石灰、水泥后沥青混合料的动稳定度都明显提高,相对变形也都减小.掺加消石灰后混合料相对变形减小5.1%;掺加水泥后混合料相对变形减小3.2%.掺加消石灰、水泥可以提高沥青混合料的高温稳定性，且掺加1%消石灰的沥青混合料高温稳定性优于掺加2%水泥的沥青混合料.

 

表1 AC-16沥青混合料级配组成

 

Tab.1 Gradation composition of AC-16 asphalt mixture

  

AC⁃16级配通过以下筛孔尺寸物料的质量分数/%19mm16mm13．2mm9．5mm4．75mm2．36mm1．18mm0．6mm0．3mm0．15mm0．075mm级配上限10010092806248362618148级配下限1009076603420189754合成级配10095857054．436．227．718．111．48．86．8

 

表2 不同剂量消石灰、水泥的情况下混合料的物理性能指标

 

Tab.2 Physical performance index of mixture with different dosage of hydrated lime and cement %

  

抗剥落剂掺量最佳油石比VVVMAVFA无外加剂4．55．315．866．5w(消石灰)=1%4．65．017．471．1w(消石灰)=2%5．04．915．267．7w(水泥)=2%4．85．116．869．6w(水泥)=4%5．15．015．968．6

4 沥青混合料的路用性能及机理分析

4.1 冻融劈裂试验

采用消石灰对集料进行处理,常用的方法有干掺法和石灰水法.干掺法是将消石灰直接和集料进行拌和,让消石灰覆盖在集料表面,然后再加入沥青进行拌和.间歇式拌和机比较容易实现,操作简单易行,节约路面施工成本.施工现场拌和多采用干掺法.这种掺加工艺缺点是,在拌和时消石灰因密度小而随热气逸出,从而造成消石灰与实际掺量产生偏差.石灰水法是用20%的石灰水对集料进行预处理.这种处理既可以对粗集料进行处理,也可以掺加到石料中一起进入拌和机.该方法处理集料要比干掺法效果好,但处理工艺比较复杂；其缺点一是增加设备投入,二是集料湿润后会增加拌和楼拌和压力.对比两种拌和工艺并结合兰州市施工现场,这里推荐第一种拌和工艺.

 

表3 掺加消石灰、水泥的混合料冻融劈裂强度

 

Tab.3 Freeze-thaw splitting strength of mixture withaddition of hydrated lime and cement

  

抗剥落剂掺量最佳油石比/%未冻融循环劈裂强度/MPa冻融循环劈裂强度/MPa冻融劈裂抗拉强度比/%无外加剂4．50．6680．49273．6w(消石灰)=1%4．60．7360．61183．1w(消石灰)=2%5．00．7240．59781．2w(水泥)=2%4．80．7050．57781．9w(水泥)=4%5．10．6930．54979．3

4.2 浸水马歇尔试验

当搜索进行到叶节点时，UCT算法执行扩展操作（扩展）：使用此节点作为根节点，可以找到所有允许的和合法的子节点，并将这些子节点作为新叶节点添加到当前搜索树。对其V值和T值进行正确的初始化。应当注意，UCT算法使用默认模拟策略进行搜索直到结束，并且不使用其他评估函数来获得新叶节点的评估值。

在最佳油石比的情况下,成型φ101.6 mm×63.5 mm的马歇尔试件.在60 ℃的恒温条件下分别进行马歇尔稳定度试验和浸水马歇尔稳定度试验,试验结果见图2.

（60）腐木合叶苔 Scapania massalongii K.Muller. 李粉霞等（2011）

  

图2 不同外加剂掺量下沥青混合料的浸水残留稳定度Fig.2 Water soaking remnant stability of asphalt mixture with different dosage of additives

从图2可以看出,掺加不同剂量的消石灰、水泥能明显提高沥青混合料浸水残留稳定度.掺加1%消石灰,沥青混合料残留稳定度比未掺加外加剂提高9.6%;掺加2%水泥后,沥青混合料残留稳定度比未掺加外加剂提高7.1%.掺加1%消石灰的沥青混合料水稳定性优于掺加2%水泥的沥青混合料水稳定性,两者都能明显提高沥青混合料水稳定性.

4.3 高温稳定性试验

采用车辙试验方法,分别进行沥青混合料AC-16型、掺量1%消石灰沥青混合料和掺量2%水泥沥青混合料的车辙试验,试验结果见表4.

 

表4 掺加抗剥落剂的沥青混合料的高温稳定性

 

Tab.4 High-temperature stability of asphalt mixture withantistripping additive

  

抗剥落剂掺量动稳定度(60℃，1h，次/mm)相对变形/%无外加剂852．123．7w(消石灰)=1%2105．318．6w(水泥)=2%1984．420．5

沥青混合料马歇尔试验结果见表2.随着外加剂的增加,沥青混合料最佳油石比也有所增大.随着消石灰、水泥掺量的增加,VV减小,VMA和VFA增大,这是因为消石灰、水泥的密度都小于矿粉密度,导致沥青与集料的空隙率减小,饱和度增大.由于增加消石灰、水泥的掺量会增大拌和难度,并且考虑到沥青混合料拌和难度和施工难易性等因素,因此掺加消石灰和水泥时对应的沥青混合料最佳油石比分别选为4.6%和4.8%.

该层的主要设备是室内核心处理单元，它主要负责将感知控制层的各种传感器数据进行搜集，将终端发送来的数据转发给服务器或者向终端转发服务器的远程控制命令。

4.4 低温稳定性试验

按照JTG E20—2011 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中方法T0729-2000沥青混合料试验规程,分别进行AC-16型沥青混合料、最佳掺量1%消石灰沥青混合料和最佳掺量2%水泥沥青混合料的低温弯曲试验.最大弯拉应变试验结果见表5.

 

表5 掺加抗剥落剂的沥青混合料的低温稳定性能

 

Tab.5 Low-temperature stability of asphalt mixture withantistripping additive

  

抗剥落剂掺量抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/(×10-3)弯曲劲度模量/MPa无外加剂7．172．30053116．7w(消石灰)=1%7．832．77372822．9w(水泥)=2%8．022．69352977．5

从表5可以看出,掺加1%消石灰、2%水泥沥青混合料的弯拉应变增大,劲度模量减小，表明消石灰、水泥可以提高沥青混合料的低温抗裂性能.

4.5 改性机理分析

通过以上掺加消石灰、水泥、沥青混合料路用性能试验，可以得知采用消石灰和水泥替代部分矿粉能提高沥青混合料的水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性能.当消石灰掺量为1%时,沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度提高9.6%,动稳定度提高1 253.2次/mm,最大弯拉应变提高0.473×10-3;当水泥掺量为2%时,沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度提高7.1%,动稳定度提高1 132.3次/mm,最大弯拉应变提高0.393×10-3.

掺加消石灰和水泥能够改善沥青混合料水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性的原因是,沥青中含有一定量的亚枫(sulfoxide)与羧酸(carboxylic),沥青呈现弱酸性.亚枫与羧酸易黏附在集料的表面,当遇到水时,由于水分子是极性物质,更易与集料的极性分子结合,使沥青从集料表面脱落.消石灰和水泥都是碱性材料,消石灰的主要成分是氢氧化钙,氢氧化钙是强碱物质,pH>12,而矿粉的pH只有9.当沥青中的羧酸与氢氧化钙接触发生反应时,生成具有较强吸附性的产物,这些产物能黏附在集料表面而不易被剥落.水泥中的硫化物与水发生消解反应后,其pH≈12.当沥青中的羟酸与水泥中的碱性成分发生反应,生成的产物具有更强的吸附能力,这些产物能牢固的黏附在集料表面而不剥落.此外消石灰和水泥的比表面积比矿粉的大,使得沥青的凝胶结构特征更为显著.此时沥青颗粒大量聚集,稠度也有所增加,这就进一步提高了沥青混凝土的水稳定性、高温稳定性和低温抗裂性.综上所述,消石灰和水泥能够显著改善沥青路面路用性能.

5 结论

对连续密级配沥青混合料AC-16型的体积性能指标、水稳定性、高温稳定性、低温稳定性进行试验,探讨采用不同剂量消石灰与水泥分别替代矿粉对沥青混合料路用性能的影响，得出以下结论:1) 掺加消石灰、水泥可以提高沥青混合料的高温稳定性能、低温抗开裂能力,提高沥青混合料的水稳定性.2) 消石灰拌和工艺采用干掺法,水泥拌和工艺采用水泥替代矿粉法.掺加消石灰的沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性优于掺加水泥的沥青混合料.3) 推荐掺加消石灰的沥青混合料对应的最佳油石比为4.6%,此时最佳掺量为1%;掺加水泥的沥青混合料对应的最佳油石比为4.8%,此时最佳掺量为2%.

参考文献：

[1] 沙庆林.高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施 [J].国外公路,2000,20(3):1-4.

[2] NIAN T F,LI P,MAO Y,et al. Connections between chemical composition and rheology of aged base asphalt binders during repeated freeze-thaw cycles [J]. Construction & Building Materials，2018,159:338-350.

[3] 郑 茂,黄卫东.橡胶沥青混合料的水稳定性能研究 [J].公路交通科技(应用技术版),2008,25(增刊1):53-56.

[4] KENNEDY T W,ROBERTS F L,LEE K W.Evaluation of moisture effects on asphalt concrete mixtures [R].Washington DC:Transportation Research Board,1983.

[5] 李 萍,郭 瑞,李辉山.间断密级配沥青混合料高温稳定性影响因素的试验分析 [J].兰州理工大学学报,2010,36(1):113-116.

[6] 张 苛,张争奇.抗剥落剂对沥青混合料水稳定性影响的试验方法与指标研究 [J].合肥工业大学学报(自然科学版),2015,38(7):955-961.

[7] NEJAD F M,ARABANI M,HAMEDI G H.Influence of using polymeric aggregate treatment on moisture damage in hot mix asphalt [J].Construction & Building Materials,2013,47(5):1523-1527.

[8] 王旭东,戴为民.水泥、消石灰在沥青混合料中的应用 [J].公路交通科技,2001,18(4):20-24.

[9] 李丽慧,樊 凯.冷拌冷铺沥青混合料超薄磨耗层配合比设计 [J].兰州理工大学学报,2016,42(4):1-4.

[10] 许 云.沥青混合料中掺入不同抗剥落剂性能的研究 [J].中外公路,2009,29(5):246-249.

[11] 谢海超,张 辉,李彦兵,等.水泥作为填料在沥青混合料中的应用 [J].公路交通科技,2002,19(5):62-64.

[12] 王 民,朱梦良,王英俊,等.水泥代替矿粉对沥青混合料性能的影响分析 [J].重庆建筑大学学报,2007,29(6):121-125.