聚苯硫醚颗粒在柔性基层LSPM中的作用研究_黄岩.pdf

石材2 0 2 3 年2 期 123 石 材S H I C A I人造石 聚苯硫醚颗粒在柔性基层L S P M中的作用研究黄岩1，王运强2，赵忠会2，曹 颖2，曹亮亮2（1 济南交通运输事业发展中心，山东 济南 2 50 0 0 0；2中电建路桥集团有限公司，山东 济南 2 50 0 0 0）摘 要：本文研究了聚苯硫醚颗粒对大颗粒透水性沥青混合料柔性基层的性能影响，通过性能检测选择出矿料最佳级配，然后通过在最佳配比的矿料级配中用聚苯硫醚颗粒替代部分石料的方法，制备LSPM沥青混合料马歇尔试件，进行LSPM 技术指标检测，结果表明，聚苯硫醚颗粒可以提高大颗粒透水性沥青混合料柔性基层的性能。关键词：LSPM；聚苯硫醚；沥青混合料；柔性基层引言随着我国经济的不断发展，路面运输事业的进步，车流量的增多以及车辆超载现象的频繁出现，致使沥青路面病害加重、使用寿命缩短，常见的病害形式有高温车辙、低温开裂、水损害等。为了解决沥青路面出现的问题，需要对沥青路面建筑特性进行改善以提高其使用性能，LSPM 是一种新型沥青混合料，它是由较大比例的粗集料和较小比例的细集料加改性沥青拌和组成的骨架嵌挤型混合料，其最大颗粒大于24.5m m，空隙率一般处于1318%之间，沥青用量不大于3.5%，节约经济成本。较半柔性路面，LSPM 具有以下优点：由于LSPM粗集料形成了完整的骨架嵌挤结构，因此具有较强的抵抗车辙变形能力，与之混合的沥青由于采用了较高粘度的改性沥青，沥青膜厚度较大，具有较高的水稳定性；LSPM 粗集料的空隙率较大，渗水系数能够满足结构排水要求，能够将渗入路面的水分迅速排水结构以外；而且，由于其模量不是非常高，而且存在大量的连通空隙，具有很高的抵抗反射裂缝能力；但LSPM也具有一定的缺点，那就是其疲劳性能较密级配混合料较低，因此有必要进行混合料设计与结构设计来改善抗疲劳性能。根据国内外的使用经验，柔性基层沥青路面的主要病害有疲劳开裂、车辙和低温开裂，其中车辙和低温开裂均可以通过选择合适的沥青结合料和合理的混合料设计加以解决，疲劳开裂是唯一可以通过路面结果设计进行设计控制的破坏模式。1 概述级配碎石是将一定的级配的碎石搭配而成的一种材料，由于不使用胶结料。因此，不具有抗拉能力，级配良好的LS PM 可以有效提高沥青路面的抗疲劳性能，承受重载交通的作用，提高路面的使用性能和寿命。聚苯硫醚（PPS）是一种强度高、韧性好的结晶性热塑性特种工程塑料。聚苯硫醚的特性包括，综合性能较好，冲击强度较高，化学稳定性，电性能良好；有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、耐蠕变等特点，理化性质较稳定，能够适应路面复杂的使用情况。本文通过将聚苯硫醚颗粒应用于大颗粒透水性沥青混合料柔性基层中以期望改善各种路用性能尤其是疲劳寿命。2 材料1）石料选择6种型号的碎石料，碎石料采用采石场加工作者简介：黄岩（19 8 3-），男，山东济南人，工程师。从事土木工程相关研究工作DOI:10.14030/ki.scaa.2023.0047 124 STONE 2 0 2 3 No.2人造石生产的玄武岩碎石，一次颚式破碎后进行二次反击式或锤式破碎加工成具有良好颗粒形状，表面具有良好微观构造的集料。各成品料出口安装回收粉尘的除尘设备，不造成集料的二次污染，保证集料的粉尘含量满足要求。2）机制砂某水洗石料厂水洗机制砂，经测试细集料砂当量大于90，棱角性大于42，表观相对密度2.758 t/m3，坚固性10.0%，含泥量1.5%，亚甲蓝值15g/k g，棱角性流动时间42s。3）生石灰含水量应不大于1，实测为0.74，外观为粉状，无团粒结块，表观相对密度为2.751t/m3，亲水系数0.8 4,塑性指数3.0%，达到二级灰标准。4）沥青为保证LSPM 的耐久性，混合料需要比较厚的沥青膜，但同时必须防止混合料的析漏，因此应当采用粘度较高的沥青胶结料，因此本文采用M A C-70#改性沥青，要求在存储罐或贮油池中的贮存温度处于130-170范围，25，100g，5s（0.1m m）的针入度为50，TR&B最小软化点为76。5）聚苯硫醚颗粒密度约为1.041.06g/c m3。3 级配设计本文首先根据030m m 范围内的6种碎石型号，见表1，机制砂和矿粉等单粒级矿料的筛分结果，拟定了按照山东省LSPM-30标准研究成果推荐的范围内的三种类型的矿料级配，分别为级配1，级配2，级配3，采用3.2%的最佳沥青用量分别成型制备三种矿料级配类型的LSPM 沥青混合料马歇尔试件，进行马歇尔试验，测定马歇尔试验指标中的飞散损失%、析漏量%以及马歇尔稳定度K N，以确定最佳性能的LSPM-30的配合比。各粒径级别的原料筛分结果以及采用1-6号碎石。马 歇 尔 试 件 制 备 方 法：马 歇 尔 试 件 尺 寸：152.4m m 95.3m m，锤重10.2k g，落锤高度457m m，双面击实次数为112，有研究表明：击实次数与LSPM马歇尔试件的毛体积密度、空隙率并非是单调性的增减关系。对于毛体积密度而言，随着击实次数的增多，LSPM 试件毛体积密度随着击实次数的增大而先增大后减小，在击实次数为112次时，毛体积密度达到峰值。对于空隙率而言，随着击实次数的增大，LSPM 试件空隙率则随着击实次数增大而先减小后增大，当击实次数为112次时，空隙率达到极值。随着击实次数的增加，粗集料破碎现象加大，当击实次数达到127次时，粗集料破碎现象已经十分严重。经过试验研究与数据分析，本实验也采用112次击实次数是合理的马歇尔试验方法所需的击实次数。由以上三种级配与沥青制备三种矿料级配类型的LSPM 马歇尔试件，测得各级配类型LSPM 技术指标试验结果见表2。由表2结果可见，矿料级配类型对LSPM 技术性质的影响十分明显，2号级配的飞散损失最低，马歇尔稳定度最佳，析漏量最少。因此，经与其他两种级配类型马歇尔试件试验结果对比，选择2号级配作为最佳级配。表 1 6 种碎石料的型号料号1号石料2号石料3号石料4号石料5号石料6号石料性能粒径（m m）0447711111616222230表观相对密度2.8 282.8 362.8 322.8 442.8 542.8 57毛体积相对密度2.7282.7472.7642.78 32.8 142.8 21吸水率（%）0.941.341.162.78 30.780.62石材2 0 2 3 年2 期 125 石 材S H I C A I人造石表 2 各级配类型L S PM 技术指标试验结果类型 飞散损失析漏量马歇尔稳定度不同级配 1号级配24.3%0.17%17.9k N2号级配16.7%0.09%21.2k N3号级配17.3%0.15%19.4k N4 聚苯硫醚颗粒对大颗粒透水性沥青混合料柔性基层的性能影响以上研究表明，2号级配作为最佳级配。因此，将2号级配作为本文的基础级配，调整碎石和聚苯硫醚颗粒的使用量，重新组成级配类型。由表1可见，聚苯硫醚颗粒粒径大小集中在2.364.75之间。因此，可以用其代替部分2号石料为粒径在47m m 范围的碎石，1号石料为粒径在04m m 范围的碎石。因为聚苯硫醚颗粒质量较轻。因此，采用其体积替代法。本文设定分别采用体积分数为1号和2号石料总体积的2%、4%、6%的聚苯硫醚颗粒替代同体积的1号和2号石料，保证其依然为2号级配类型不变。分别成型制备三种矿料级配类型的LSPM 沥青混合料马歇尔试件，进行马歇尔试验，测定所有马歇尔试验指标，以确定聚苯硫醚颗粒在季冻区的大颗粒透水性沥青柔性基层中的作用。马 歇 尔 试 件 制 备 方 法：马 歇 尔 试 件 尺 寸：152.4m m 95.3m m，锤重10.2k g，落锤高度457m m，双面击实次数为112。由试验结果可见，当聚苯硫醚颗粒添加量为4%的时候，试件飞散损失为15.8%，析漏量为0.06%，马歇尔稳定度22.8 k N，为三种添加量中的最佳值，也说明聚苯硫醚颗粒替代石料可以明显提高大粒径透水性沥青混合料的性能。5 聚苯硫醚颗粒对大颗粒透水性沥青混合料的抗疲劳性能影响沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生的不可逆的强度衰减积累所引起的一种现象，在汽车轮载作用下，路面在使用过程中长期存在的压应力和拉应力，且处于两种应力交复变化状态，当荷载重复作用的次数增加，强度的损伤就越加明显，在现象学中，把材料出现疲劳破坏的重复应力值称作疲劳强度，相应的应力重复作用次数成为疲劳寿命。按照上一步的采用添加量为4%聚苯硫醚颗粒替代部分石料的级配设计结果进行疲劳试验，并与未添加时进行对比，由试验结果可见，纯矿料级配的弯拉强度为3.158 高于添加4%聚苯硫醚颗粒替代部分石料的级配，随着应力的增加，疲劳寿命迅速降低，但在相同的应力比条件下，纯矿料级配的疲劳寿命均低于添加4%聚苯硫醚颗粒替代部分石料的级配，说明添加聚苯硫醚颗粒可以提高沥青混合料的疲劳寿命，即提高大颗粒沥青混合料柔性基层的路用性能。6 结论综合以上研究，在大颗粒透水性沥青混合料柔性基层中添加聚苯硫醚颗粒后，可以起到总体正向的效果，分析原因可能是由于聚苯硫醚颗粒具有低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度，更是具有独特的抗冲击能力和韧性，其在压应力下产生形变并可以迅速复原，而矿料在多次的压应力作用下会破碎，从而改变柔性基层的结构，使其原有的抗压性能降低。可见，聚苯硫醚颗粒可以提高柔性基层的结构抗力，阻止路面出现裂纹，产生疲劳断裂破坏，且其理化性质较稳定，能够适应路面复杂的使用情况，可以用于路面材料。参 考 文 献 1 李正道（导师王建强）.大粒径透水性沥青混合料组成设计及适用性研究C.郑州大学硕士论文.2 0 15-0 5-0 12 朱洪洲（导师黄晓明）.柔性基层沥青路面疲劳性能及设计方法研究C.东南大学博士论文.2 0 0 4-11-0 23 张玉宏（导师黄晓明、王松根）.水泥混凝土路面碎石化综合技术研究C.东南大学博士论文.2 0 0 5-12-2 64 张世强（导师韩森）.水泥混凝土路面碎石化技术研究C.长安大学硕士论文.2 0 0 8-10-2 05 李靖.大粒径透水性沥青混合料路用性能测试方法J.交通世界（建养机械）.2 0 12（13）：2 2 8 0-0 26 刘铁山、张洋、栾海、纪青山、卢志超.湖沥青与橡胶改性沥青复合改性沥青混合料施工工艺控制研究J.交通标准化.2 0 12（10）：0 0 47-0 3