添加改性水库淤泥的沥青混凝土路用性能

张华，陈金山，张斌



添加改性水库淤泥的沥青混凝土路用性能

张华1，陈金山2，张斌3

(1.福州市规划设计研究院，福建 福州 350003； 2.福州农林大学 交通与土木工程学院，福建 福州 350003； 3.福州市规划设计研究院交通所，福建 福州 350003)

采用密级配沥青混凝土，先调制出0%、5%、10%、20%、N10%(本段的比例为改性淤泥添加量在拌合沥青浆体中的重量百分比，N10%为添加未改性水库淤泥者)五种拌合沥青浆体，再以这五种沥青浆体制作马歇尔试件，进行各项沥青混凝土工程性质试验，评估改性水库淤泥添加于沥青路面的可行性，并比较添加量不同的影响，以及改性水库淤泥及未改性水库淤泥在等量添加条件下，观察两者在试验性能的差异.综合试验结果，先将改性水库淤泥与沥青拌合，添加量越多使沥青浆体工作性降低，浆体包裹骨材不易且不均匀，粒料间黏结力下降，进而影响到各项试验结果表现.添加改性水库淤泥后，马歇尔稳定度略微提升，流值则随着添加量增加而下降，回弹模量则是随着添加量增加而上升，Cantabro磨耗率也因添加量增加而上升.在不同水侵害天数残余强度试验中，可看出改性水库淤泥添加后提升抗水侵害能力.改性水库淤泥添加量控制在5%～10%则会收到较佳的抗水侵害效果，又不至于使各项试验性能下降.改性水库淤泥确实比未改性者更能在沥青路面中提升抗水侵害能力.

密级配沥青混凝土; 改性水库淤泥; 抗水侵害; 道路工程

0 引言

近年来，为提升沥青路面的性能，主要有沥青结合料改性及探讨路面骨材粒料性质等研究方向[1].在气候环境不利于沥青路面的情况下，公路排水设计若不完善，水分残留在沥青混凝土孔隙中，浸泡时间拉长会造成剥脱现象产生，引起结构性的破坏.因此要改善水侵害，在道路设计时要考虑路面坡度及排水设计，或是采用排水级配沥青混凝土，亦可添加抗剥落剂使沥青包裹粒料不易受水侵害而剥落.黏土矿物容易吸水，工程上也视其为麻烦，特别是具有膨胀性质的黏土，吸水后可膨胀数倍，破坏原先所凝聚的型态，进而影响工程性质，所以工程上不以黏土当细粒料使用.改性水库淤泥在应用上，膨胀性黏土可烧制成轻质骨材，然而每年产量有限，对水库淤泥的应用与减量效果不明显；若能将膨胀性黏土易于吸水的表面，经由改性剂改变为厌水表面，同时除去对混凝土有害的阳离子，黏土将成为内部不吸水且稳定的颗粒，成为减少水库淤泥淤积的应用方法之一.尽管国内外对水库淤泥用于轻质骨材进行了大量的研究[2- 7]，但将水库淤泥应用于沥青混合料中来改善其水稳定性的研究报道较少.

1 试验材料及研究方法

本研究首先对试验材料进行基本物理特性试验，检验所用的粗、细骨材及沥青黏结料是否合乎规范.骨材级配采用ASTM D3515密级配规范中最大公称粒径为19 mm的级配，沥青黏结料则以AC- 20(沥青黏度分级)作为原始沥青结合料，与不同添加量的改性水库淤泥进行拌合，制成0%(原始AC- 20沥青)、5%、10%、20%、N10%(为添加未改性水库淤泥)等五种沥青浆体，经过马歇尔配合比设计制成试件后，再进行胶浆黏度试验、马歇尔稳定度与流值试验、间接抗拉强度试验、不同天数残余强度试验、Cantabro磨耗试验、回弹模量试验评估添加改性水库淤泥对沥青混凝土的性能影响.

1.1 改性水库淤泥

本研究试验所采用的水库淤泥，主要采三峡水库.由三峡水库淤泥砂的特性分析得知，其平均含水量约在35%～100%之间，孔隙比则介于0.9%～2.5%间.其物理特性及土壤成分组成如表1.

表1 水库淤泥的物理特性

经由国内外学者研究[5- 8]，将原始水库淤泥进行改性后，成为具有防水透气功能的改性水库淤泥，并制成防水建材在市面贩售.改性与未改性水库淤泥，两者外观上有色差，改性水库淤泥偏土黄色，未改性水库淤泥则偏灰色；气味方面，改性水库淤泥有水泥粉的气味，未改性则无明显气味.

1.2 拌合机制建立

由于改性水库淤泥与沥青拌合并无详细规范可依循，故本研究计划依参考文献中所提及的添加料与沥青拌合方式建议，添加料与沥青拌合适当的拌合条件为：高温、高速、长时间，以期添加物均匀散布於沥青黏结料之中.除上述条件外，于拌合前先将改性水库淤泥进行筛分析，取出通过0.075 mm筛网的改性水库淤泥进行拌合工作，采用极细的粒料是为达到均匀散布的目的，故本研究计划将拌合条件控制在下列四点，进行改性水库淤泥与沥青拌合.

(1)拌合过程温度控制在(150±5)℃；

(2)沥青浆体每次拌合时间3 h；

(3)搅拌器转速维持在2 000～3 000 r/min；

(4)拌合用的改性水库淤泥都为通过0.075 mm筛网的极细粒料.

改性水库淤泥与沥青的拌合方法：首先以式(1)计算出欲拌合比例所需的沥青黏结料及改性淤泥重量；再将烧瓶、沥青结合料、改性淤泥三者置入烘箱(150℃)加热1 h；再将沥青黏结料与改性淤泥倒入烧瓶内，烧瓶置于温控加热组合中，温度控制在(150±5)℃；再将搅拌器放于烧杯中以转速2 000～3 000 r/min，持续搅拌，如此进行3 h后完成新沥青浆体拌合工作.拌合的比例计算则是采用沥青的重量百分比，公式如下：

(1)

式中:W为新拌沥青结合料所含添加物比例，Asphalt为沥青，本研究采用AC- 20.Additives为添加物，本研究添加物为改性水库淤泥.

2 试验结果与分析

2.1 马歇尔配合比设计的结果

本次研究采用马歇尔配合比设计，根据NAPA TAS- 14决定最佳沥青含量.其要求项目包含VMA、VFA、孔隙率、马歇尔稳定度，试验结果如表2所示.

表2 密级配马歇尔配合比设计要求与结果

2.2 马歇尔稳定度及流值试验结果

本研究马歇尔稳定度试验结果如图1，五种拌合沥青浆体制成的试件都符合规范需求，图中可看出在添加改性水库淤泥后，稳定度略微提升.5%稳定度仅比未添加淤泥的微幅提升，但添加量增加到10%时，提升了约2 kN，应是拌合后的沥青浆体中含有改性淤泥成分，增加了试件中填充料比例，使稳定度提升；而添加量增加到20%时，稳定度并没有再继续明显的增加，大致与10%的结果相似，原因是改性淤泥添加量增多时，相对的沥青浆体中原始沥青成分越来越低，使拌合后沥青浆体工作性下降，沥青浆体和骨材越来越难以拌合，造成包裹粒料不均匀，试件稳定度下降.因此，若添加量再增加，会使稳定度的趋势渐走下坡.改性水库淤泥与未改性水库淤泥两者於同添加量条件下，以改性水库淤泥的成效较佳，应是未改性淤泥无法有效散布在拌合后沥青浆体裡，使得试验结果并不显著，接近未添加淤泥的试件的结果；而改性水库淤泥在经过改性后，分子结构上呈亲油性，故在拌合过程中较能有效散布在沥青浆体里，相较之下试验结果会有影响.

图1 马歇尔稳定度试验结果

本研究流值试验结果如图2，改性淤泥添加量20%的沥青浆体制成的试件流值最低，仅高于规范值下限，若再将添加量提升，将会使流值过低导致试件易龟裂或崩离.

图2 马歇尔流度值试验结果

2.3 间接抗拉强度试验结果

图3为间接抗拉强度试验结果，未添加淤泥浆体的沥青混凝土其间接抗拉强度值最大，其余四者张力值明显下降，下降程度并无一定规律.主因应是在拌合过后沥青浆体的工作性下降，造成骨材无法有效被沥青浆体包裹，粒料间的黏结力比原始AC- 20沥青差，进而影响了间接抗拉强度的表现.

图3 间接抗拉强度试验结果

2.4 不同天数的残余强度比值(TSR)试验结果

2.4.1 添加不同比例改性淤泥沥青混凝土的TSR值比较

本节探讨添加改性淤泥的沥青浆体对沥青混凝土抗水侵害能力的影响，与未添加淤泥沥青浆体的沥青混凝土作比较，试验结果如图4所示.四种沥青混凝土在水侵害1 d后的残余强度值仍都在70%之上，但在浸泡天数拉长后，可看出含有改性淤泥的沥青浆体的沥青混凝土试件，在TSR值表现上优于0%沥青混凝土.未添加淤泥沥青混凝土在浸泡1 d后TSR值为88%，浸泡1～3 d，TSR值下降至68.74%，出现明显落差，而浸泡3～7 d后趋于平缓，下降至59.92%；5%及10%沥青混凝土两者曲线相近，在浸泡1 d后TSR值分别为92.37%、91.63%，浸泡1～3 d，TSR值分别下降至80.88%、84.34%，而浸泡3～7 d分别下降至70.08%、72.87%，随着浸泡天数增加，两者TSR下降程度平缓且稳定，而10%沥青混凝土在浸泡时间拉长后性能比5%好；20%沥青混凝土在浸泡1 d后出现了较大落差，TSR值降至78.19%，浸泡1～3 d，TSR值下降至73.89%，而浸泡3～7 d后下降至69.15%，虽然在浸泡1 d后，TSR值表现差于其他三者，但时间拉长后，明显下降趋势相当平缓，推测应是添加改性水库淤泥量过多，沥青混凝土内骨材黏结力差，但随着时间拉长，试件中丧失黏结效果粒料已大部分破坏、剥落，剩下粒料受到沥青浆体包裹较完整，再辅以改性水库淤泥特性，故下降幅度才于於平缓.整体而言，改性水库淤泥添加确实可以帮助抵抗水侵害，但并不会完全随着比例提高而增加性能，添加量过高会使沥青浆体工作性下降，沥青混凝土内部黏结力变差，故添加量须控制在10%之下，才能够兼顾提升抗水侵害能力及沥青浆体黏结力.

图4 不同浸泡天数残余强度

2.4.2 未改性淤泥与改性淤泥沥青混凝土的TSR值比较

探讨添加未改性水库淤泥与改性水库淤泥对沥青混凝土在抗水侵害能力上是否有差异，图5为试验结果.0%为 AC- 20沥青混凝土，10%为添加改性水库淤泥10%的沥青混凝土，N10%为添加未改性水库淤泥10%的沥青混凝土，三者在於浸泡1 d后的残余强度值都在70%之上，但在浸泡天数拉长后，可看出添加改性水库淤泥的沥青混凝土TSR值表现明显优于其他两者.0%沥青混凝土在浸泡1 d后TSR值为88%，浸泡1～3 d，TSR值下降至68.74%，出现较大落差，而浸泡3～7 d后趋於平缓，仅下降至59.92%；10%沥青混凝土在浸泡1 d后TSR值为91.63%，浸泡1～3 d后，TSR值为84.34%，而浸泡3～7 d后降至72.87%；N10%沥青混凝土在浸泡1 d后TSR值剧降至75%，

图5 不同浸泡天数残余强度

2.4.3 不同浸泡天数间接抗拉强度值比较

TSR仅以百分比来呈现，不足以代表沥青混凝土抗水侵害的强度数值，故此节比较所有间接抗拉强度值，分析抗水侵害能力.图6为5种沥青浆体的沥青混凝土试件在水侵害后的间接抗拉强度.

图6 不同浸泡天数的间接抗拉强度

随着浸泡天数增加，原样沥青混凝土张力数值下降显著，至第7 d仅剩9.24；5%沥青混凝土间接抗拉强度值下降平缓，至第3 d过后间接抗拉强度值下降趋势与未添加淤泥试件相近；10%沥青混凝土间接抗拉强度值下降趋势平缓，浸泡第3 d及第7 d间接抗拉强度值已比原样沥青混凝土高；20%沥青混凝土於浸泡1 d后，间接抗拉强度值已降至10.72，比起 5%及10%的沥青混凝土成效来得差，但随着浸泡时间拉长，间接抗拉强度值并未加剧下降，反而逐渐平缓，浸泡第7 d时，间接抗拉强度值高于原样沥青混凝土；由于未改性水库淤泥并无抗水侵害效果，N10%沥青混凝土间接抗拉强度数值在浸泡7 d后下降至8.11，为抗水侵害性能最差者.

综合以上分析，沥青混凝土添加改性水库淤泥后，TSR值确实有明显改善，但若以间接抗拉强度值的角度分析，必须经过长时间的水侵害后，间接抗拉强度值仅略高于原始沥青混凝土，成效不明显，推测应于试验设计上做改善，使沥青浆体黏结力不下降，亦能发挥改性淤泥特性.而添加未改性水库淤泥的沥青混凝土在本节各项性能都为最差，可见改性水库淤泥比未改性水库淤泥在抗水侵害能力上更具影响.

2.5 Cantabro磨耗试验结果

Cantabro磨耗试验主要用来评估路面抵抗轮胎磨损的能力，试验结果如图7所示，含有改性水库淤泥的沥青浆体所制的试件，抗磨耗能力明显较原样沥青混凝土差，未改性水库淤泥的沥青混凝土则是和原样沥青混凝土结果相近.

图7 Cantabro磨耗试验结果

2.6 回弹模量试验结果

随着改性水库淤泥添加量增加，回弹模量上升趋势显著，如图8推测原因为改性水库淤泥与AC- 20沥青拌合后对沥青混凝土具加劲效果，因此添加量增加即反应在回弹模量的数值上.而未改性水库淤泥无法均匀散布在沥青浆体中，其试件回弹模量仅比原样沥青混凝土略为提升.

图8 回弹模量试验结果

3 结论

本研究为比较不同改性水库淤泥添加量的沥青浆体用于密级配沥青混凝土中，进行各项性能试验，探讨改性水库淤泥是否能提升沥青混凝土抗水侵害能力；另外再以改性水库淤泥与未改性水库淤泥添加於沥青混凝土中，比较其性能，观察改性前后材料差异.试验分析结论如下：

(1)马歇尔稳定度试验结果显示，添加改性水库淤泥后，稳定度略微提升，推测是填充料成分增加所带来的效果.但由10%与20%两者稳定度结果来看，添加量提升而稳定度却未见提升，推测应是拌合后的沥青浆体工作性下降，沥青浆体中原始沥青的成分相对降低，使沥青浆体和骨材越来越难以拌合，造成包裹粒料不均匀，使得试件稳定度下降.而改性淤泥与未改性淤泥效果，在同比例的情况下，其稳定度并未出现显著差异性;

(2)马歇尔流值试验结果可见，随着改性水库淤泥添加比例增高，流值下降越多，应是沥青浆体中原始沥青比例变低所致.其中改性水库淤泥添加量20%的沥青浆体制成的试件流值最低，若再将添加量提升，将会使流值过低导致试件龟裂或崩离;

(3)从间接抗拉强度值试验结果来看，未添加淤泥的沥青混凝土其间接抗拉强度值最大，间接抗拉强度值高达1.54 MPa，其余四者间接抗拉强度值明显下降，在1.3～1.4 MPa之间，但下降程度并无一定规律.推测应是沥青浆体工作性下降，造成包裹粒料不均，进而影响了张力值的表现;

(4)由不同天数残余强度结果可推断，添加改性水库淤泥后，具防止水侵害的效用.经长期水侵害后，5%、10%、20%三种添加改性淤泥的试件，在残余强度表现上优于未添加的试件，说明添加改性水库淤泥后，可防止试件产生剥脱行为.而改性与未改性水库淤泥在添加等量的条件下，其残余强度表现上由添加改性水库淤泥者较好，可见改性后成效;

(5)从Cantabro磨耗试验结果看出，随着改性淤泥添加量增加，越易受到磨耗破坏.由于改性淤泥增加，使拌合后沥青浆体工作性较差，浆体包裹粒料不均，骨材黏结力变低，在受到外力作用时易剥离;

(6)回弹模量随着改性水库淤泥添加量增加，其上升趋势显著.改性淤泥添加使沥青浆体具加劲效果，故添加量多少即反应在回弹模量的数值.未改性水库淤泥无法均匀散布在沥青浆体中，试件的回弹模量仅略微提升;

(7)改性水库淤泥与沥青拌合后的浆体会使工作性下降，使得各项试验性能表现较差，仅在不同天数抗水侵害符合预期效果.因此，若欲先将改性淤泥与沥青作拌合工作，建议将添加量控制在5%～10%，其试件可获得较佳的抗水侵害效果，同时又不至于因沥青浆体工作性下降过多影响其他试验性能.

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ZHANG Hua1,CHEN Jinshan2,ZHANG Bin3

(1.Fuzhou City Planning Design and Research Institute,Fuzhou 350003,China; 2.Schol of Transport and Civil Engineering, Fuzhou Agriculture and Forestry University,Fuzhou 350003,China; 3.Transit in Fuzhou City Planning Design and Research Institute,Fuzhou 350003,China)

Using dense gradation asphalt concrete with diffrent additions of unmodified reservoir silt,five kinds of asphalt slurry system are used for making Marshall specimens,the engineering properties of the asphalt concrete are tested to assess the feasibility of the modified reservoir silt add in asphalt,and compare the influence of different addition,silt and unmodified and modified reservoir reservoir silt under the condition of equal amounts add.Comprehensive test results show that the slurry aggregate is not easy and uneven.After adding modified reservoir silt,Marshall stability is slightly ascended,and the flow value is decreased with the increase of adding amount.The modulus of resilience is increased with increasing the adding quantity,and cantabro abrasion rate also increased with increasing the adding amount.The modified reservoir silt content in 5%～10% can receive better anti water damage effect,and it is better than the unmodified one to resist water damage in asphalt pavement.

dense gradation asphalt concrete;modified reservoir silt;resistance to water;road engineering

1673- 9590(2016)02- 0077- 06

2015- 01- 19

重庆交通大学国家山区公路工程开放基金资助项目(20131416)

张华(1985-)，男，硕士研究生，从事路基路面工程、道路材料的研究E-mail:beidacaizi@yeah.net.

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