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利用多孔玄武岩集料生产沥青混合料的探究

     多孔集料,都具有吸水率大的特点。集料的吸水率过大,对沥青混合料的配合比设计、生产和使用,都带来不利的影响。因此,世界各国在有关沥青混合料的标准、规范中对粗集料的吸水率都作了规定。如日本规定≯3%;美国加州规定≤1%、宾州规定≤3%;澳大利亚规定≤2%,4%也可以用,但要延长烘干时间。我国现行公路沥青路面施工技术规范(JTJO32-94)中,对于高速公路和一级公路沥青面层用粗集料的吸水率规定≯2%,对多孔率武岩可放宽至3%,但必须要得到主管部门的批准才能使用。

     沪宁高速公路江苏段沥青上面层需用玄武岩集料62万t,考虑到个别段的加厚以及损耗,需备料74万t。但据1995年年底统计尚有27万t的缺口。若仅依靠金坛市花山等处致密玄武岩的加工,无论如何也不能保证1996年5月份沥青上面层铺筑的需要。而我省盱眙县各采石场有大量多孔玄武岩碎石的生产,严峻的现实迫使建设者不得不考虑多孔玄武岩是否能解燃眉之急的问题。于是,省高速公路建设指挥部邀请国内有关专家,于1996年1月15日在苏州召开了专门研讨会,讨论多孔玄武岩集料能否使用的问题。到会专家各抒已见,会议最后决定有条件在苏州段使用。从通车二年多来的使用情况看,以多孔玄武岩为集料的沥青路面与以致密玄武岩为集料的相比,前者不逊于后者,甚至优于后者。

     1、对多孔玄武岩集料路用特性的一般看法

     强度高、坚硬、耐压是玄武岩的一般性质,而多孔玄武岩因其构造上的特点,用它作为路面材料中的集料,还具有另一些特殊的路面性质。

     1.1多孔玄武岩集料沥青混合料的高温稳定性较好
     因多孔玄武岩集料表面粗糙,集料间的摩阻力大,因而用多孔玄武岩集料生产的沥青混合料,在配合比设计正确的前提下,其高温稳定性应该优于用致密集料生产的沥青混合料。如沪宁高速公路沥青上面层AC-16B型沥青混合料的马氏稳定度一般为10~11kN,而用多孔玄武岩集料做的相同类型沥青混合料的马氏稳定度在13~14kN之间。

     1.2路面的抗滑性能好
     众所周知,沥青路面的抗滑性能,既取决于路面表层集料颗料之间的宏观纹理,又取决于集料颗粒本身的微观纹理。多孔玄武岩集料表面的微观纹理丰富,构成了粗糙表面,故用多孔玄武岩集料沥青混合料铺筑的沥青路面,其抗滑性能肯定比用致密集料的为好。

     1.3水泥混凝土的强度高
     用多孔玄武岩集料配制的水泥混凝土,其抗压、抗折强度应高于一般致密集料配制的混凝土。因为混凝土强度的形成主要靠水泥浆与集料表面的粘结力。因此,集料表面越粗糙,混凝土的强度就越高。碎石水泥混凝土强度高于砾石混凝土的强度就是一个有力的证据。而多孔集料不但表面粗糙,而且因水泥浆能进入集料的表面孔中,硬化后像无数个双向楔子,将集料颗粒连接起来,共同承担外力,因而混凝土表现出具有更高的强度。

     1.4石屑易被压碎
     因有孔隙,故多孔玄武岩石屑易被压碎。因此在沥青混合料中,当用这种石屑时,掺量不宜过大。

     1.5集料的吸水率大
     因表面有孔隙,故多孔玄武岩集料的吸水率一般都较大。如对本省盱眙县通宇、打石山和古桑三个采石场所生产的多孔玄武岩试验结果,其吸水率分别为4.11%、3.6%、3.23%,都超过了公路沥青路面施工技术规范中的限定值。

     集料的吸水率大,将给沥青混合料的配合以及设计、生产和使用带来一系列问题。例如,在进行沥青混合料配合比设计时,要求用设计的配合比所拌制的沥青混合料在规定压实功下应具有规定的空隙率,此空隙率一般是通过压实试件的实测密度和沥青混合料的理论密度(空隙率为零的密度)计算得来的。而在确定理论密度时,却未考虑沥青被集料吸收的问题,因此用它计算得来的空隙率与压实混合料实有的空隙率相差很大。如用美国沥青协会的方法计算,考虑沥青被集料吸附后计算的空隙率要比不考虑结果大1.5%~2.0%。对于多孔集料,这种空隙率计算结果的差异可能更大。
  
     再如,因集料有较多开口孔隙,拌制混合料时,加热的沥青肯定要浸入到孔隙中去从而要多消耗沥青;因集料孔隙中有水,烘干加热时要多消耗燃料。
  
     有人还认为,集料孔隙中的水,在烘干加热时不可能完全驱尽,留下的水份不但影响混合料的耐久性,施工时还因水的存在加大了混合料的流动性,从而难以压实,如果过多的增加碾压遍数,则细集料要上浮,且越压越流动,使路面平整度恶化。

     2、集料孔隙中水对沥青混合料影响的进一步讨论

     在我国用多孔性集料铺筑沥青混凝土路面还是近几年的事,多孔性集料究竟会给沥青路面带来什么危害,一时还难以找到有力的佐证,现仅就集料孔隙中的水对沥青混合料的影响作进一步讨论。

     2.1关于集料的吸水率
     集料的吸水率是指将烘干集料浸水,让集料充分吸水至恒重,所吸入水的质量占烘干集料质量的百分数。试验时,为求得吸入水的质量,要求吸水后的集料试样呈饱和面干状态,即试样孔隙中充满水,而集料表面却是干燥的。这种状态在试验时很难实现,实际上都呈饱和面湿状态。就是说,所求得的吸水率实际上包括了试样表面上的一层水膜,因此求得的吸水率总是比实际的吸水率要大。
 
     另外,吸水率试验的复观性较差。主要原因是,即使是饱和面湿状态,一般也不容易掌握好。如某单位对盱眙通宇采石场多孔玄武岩集料所做两次吸水率试验结果分别为4.06%和3.52%,相差0.54%。而另一单位对同种集料所做吸水率结果又为4.11%。可见,欲得到准确、可信的吸水率亦不容易。

     2.2、关于水的流出
     多孔性集料经加热(生产时一般加热至170℃~180℃),孔隙中的水将由液态变为气态,因体积膨胀,大部分水汽将从孔隙中排出,少量水汽仍留在孔隙深处,且孔隙开口附近的孔壁被烘干。将加热的沥青(一般150℃~170℃)倒入已加热的集料后,由于热沥青表面张力很小,与干燥的集料润湿性能特好,故热沥青将很容易地进入集料的孔隙中去。但一般不会充满,即整个孔隙通道内部一段为水汽,外部一段为沥青。随着沥青混合料温度逐渐降低,残存在孔隙深处的水汽将逐渐由气态转变为液态,且体积减小。由于体积减小,而堵在孔隙浅处的沥青又阻碍大气进入,于是在孔隙内部产生了一个负压。在此负压作用下,已进入隙内的沥青不但不会外流,相反还会向内流动。随着混合料温度的继续下降,沥青逐渐变稠,最后凝固,将孔隙堵死。

     由此看来,由多孔性集料生产的沥青混合料,集料孔隙中的沥青一般不会轻易流出,残存在内部的水也不易出来。

     水对石料的润湿能力大于沥青对石料的润湿能力。因此,表面涂有沥青的石料在水的长期浸泡下,石料表面的沥青膜能被水剥离下来。

     加热集料的孔隙吸收沥青待冷却后,孔隙深处的水汽将冷凝成为液态水,时间长久,理所当然地要剥离粘附在孔壁周围的沥青;但因水量很少,未及孔隙口时,液态水可能已全部变为附着于孔壁的薄膜水,再无力继续向外浸润。此时,剥离沥青的过程也就停止。所以残留的孔隙水一般不会殃及孔隙外粘附在集料表面的沥青膜,亦即沥青混合料的粘聚力不会因之降低。因此,沥青混合料的强度也不会受到什么影响。所做多孔玄武岩集料的沥青混凝土的马氏稳定度达13~14kN,即有力地说明了这一问题。

     2.3、孔隙内残留水冰冻的影响
     孔隙内残留水如果仍为液态时,在负温下要结冰。结冰时因发生体积膨胀,故包围着冰块的集料孔壁及吸入孔隙内部的沥青要承受这一膨胀压力。但因为沥青比石料软,随着沥青的受压变形,大部分膨胀力可能被沥青所吸收,集料受力情况将有所缓和,因而集料可免遭破坏。

     基于以上分析,可以认为,沥青混合料使用多孔玄武岩集料,不致于会产生灾难性的后果。

     3、几点建议

     多孔玄武岩集料毕竟不同于一般的致密玄武岩集料,由于经验不足,使用时有必要采取一些稳妥的技术措施。为此,提出如下几点建议:

     (1)堵住水源。多孔玄武岩集料对沥青混合料的不利影响,主要来自孔隙中的水。因此,只要能将水源截住,不准水进入孔隙中去,主要问题就解决了。为此,应在开采、堆积、运输、储存时用搭棚或覆盖的办法尽量防止水的侵入。

     (2)在进行沥青混合料配合比设计时,应考虑被集料吸收的那部分沥青量。可参考美国MS-2设计方法进行各指标的计算。

     (3)在沥青中应掺加抗剥离剂。

     (4)生产时适当延长烘干时间,尽量驱尽孔隙中的水分。