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透水性彩色沥青混合料设计及性能研究

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透水性彩色沥青混合料设计及性能研究

发布日期:2018-06-20 作者: 点击:

摘要:通过室内试验,对TPS和SBS改性彩色沥青性能,透水性彩色沥青混合料配合比设计以及混合料性能等内容进行了研究。研究结果表明TPS及SBS改性剂能够显著提高彩色沥青的高低温稳定性以及耐久性能,设计的透水性彩色沥青混合料有着较强的透水性能、良好的色彩耐久性能及高温性能。

关键词:道路工程,透水性;彩色沥青;配合比

 

 

彩色路面作为一种新的铺面技术,逐渐引起人们的兴趣和重视。为了满足强度和耐久性的要求,彩色路面一般都直接借鉴传统的路面结构即密实性结构[1]。近年来,随着彩色沥青及彩色沥青混合料的逐步改进,彩色路面形式不断发展,国内外逐步开展透水性彩色沥青混合料的研究。

要推广应用透水性彩色沥青混合料,则其一定较高的强度、较好的色彩耐久性及稳定性。依据以往研究[2],普通的彩色沥青结合料的部分指标性质尚不能满足透水性沥青混凝土路面的需求,需对普通的彩色沥青结合料作进一步的改性,较为简单、可靠、快捷的透水性彩色沥青混合料组成设计方法。

 

高黏度彩色沥青设计及性能分析

彩色沥青是由基础油、石油树脂、颜料及SBS性剂配制而成,其性质能满足一般道路使用但其黏度等一些特性远远不能满足透水性路面设计的要求。 本文参考普通黑色沥青的改性方法来尝试对彩色沥青进行改性,鉴于前人所做研究选用TPS与SBS。

1.1试验原材料

彩色沥青:采用重庆广为绿道交通科技有限公司产彩色沥青,其技术指标测试结果见表1。 

TPS:由日本大有建筑株式会社为透水性沥青混凝土路面专门生产的沥青改良添加剂。

TPS改性剂为淡黄色颗粒状固体,长度大约为2~3 mm

               

图片1.png 

 

 

 

 

改性剂SBS:试验采用岳阳石化合成橡胶厂生产的SBS改性剂,外观均呈白色立柱状。

 

颜料:颜料采用使用重庆广为绿道交通科技有限公司产氧化铁红,铁红是铁的氧化物中Z稳定的化

合物。铁红对光的作用很稳定,而且能强烈吸收紫外线部分,对水和大气的作用稳定。

 

1.2高黏度彩色沥青设计

本文首先结合TPS在普通沥青中的Z佳用量及其改性效果,选定了TPS在彩色基质沥青中的5个掺量:8

%、12%、14%、16%及18%进行试验,采用25℃针人度、15℃延度、软化点、60℃黏度以及薄等改膜加

热试验质量损失等5个指标对彩色沥青进行评求试验结果见表2。  

 

图片2.png 

 

从表2可以看出,随着TPS用量增大,25℃下的彩色沥青的针入度显著降低,软化点得到不断改性剂提高,沥青延度逐渐变大,薄膜加热后沥青质量损失逐渐减少,这表明彩色沥青的高温稳定性及抗老彩色沥性能在稳步提高。虽然随着TPS改性剂用量的加,彩色沥青的60℃黏度稳步增长,但是TPS用改性剂达到18%时,仍然没有达到高黏度沥青标准要求20 000 Pa·s。考虑到再增加TPS用量,彩色沥青态下的成本将会大幅地增长,因此本文未对更多TPS掺量下彩色沥青性能的改善进行研究。

参考不同TPS改性剂用量对彩色沥青性能的影响,本文尝试利用TPS+SBS复合改性制备的方式设计高黏度彩色沥青,其中TPS改性剂用量选14%。

单独添加SBS改性剂对沥青进行改性时,普遍认为剂量在3%---5%范围之间可以明显提高高稳定性。我国一般认为SBS剂量以4%"-6%比合适。试验选定了SBS在彩色沥青中的3个掺量即4%、5%及6%进行试验,试验结果见表3。

图片3.png 

 

从表3中可以看出,随着SBS用量增大,25℃下的彩色沥青的针人度显著降低,15℃下的沥青延度逐渐变大,沥青的软化点得到不断地提高,Z重要的是彩色沥青的60℃黏度快速增长SBS用量达到%时,60℃黏度为26 412 Pa·s,达到预定目标及黏度沥青标准要求的20 000 Pa·s。随着SBS用量增大,薄膜加热后沥青质量损失未出现明显递变律,但质量损失均未超过0.6%。试验结果表明SBS改性剂与TPS改性剂交互作用,能够有效改善彩色沥青的高温稳定性、延伸性以及抗老化性能。结合上述试验结果以及试验预定目标,本文高黏度彩色沥青设计选定TPS和SBS改性剂的Z佳用量分别为14%和5%。

 

1.3彩色沥青色彩耐久性研究

彩色沥青褪色是随着沥青及颜料的老化而逐渐发生的。由于发生物理和化学变化,老化在彩色沥青使用阶段必然发生。本文首先采用TFOT试验模 拟掺加颜料的高黏度浅色沥青在施工期的老化,然后对TFOT试验后的残留物利用紫外线辐射来模拟使用期内彩色沥青的褪色情况。TFOT按照规范规定的试验方法完成,紫外线辐射采用紫外线灯来进行模拟,紫外线灯的功率为20 W,试验时间定为2周。采用数码相机对沥青原样、TFOT后及经紫外线照射后的沥青拍照。利用Adobe Photoshop对数码图片的RGB值进行采集,根据试件RGB值的高变化评价掺加颜料后沥青色彩的耐久性能[6]。采集掺加颜料的高黏度浅色沥青老化过程图片颜色的RGB结果如表4所示。通过RGB数值的变化来评价色彩的变化,考虑到所用色彩为红色,结合RGB颜色体系原理,本文从直观便捷的角度出发,提出红色鲜艳度的概念,计算见式(1)

图片4.png 

式中:R、G、B分别代表RGB色彩模式中的R值、G值以及B值。利用红色鲜艳度来评价彩色沥青胶浆的色彩性能,可避免因亮度问题引起的RGB值波动。采集彩色沥青胶浆老化过程图片颜色的RGB值结果如表4所示。

图片5.png 

 

由表4可以看出以下几点。

(1) 两种彩色沥青均有着良好的着色能力,粉胶比为0.3:1时,两种彩色沥青胶浆均有了良好的色彩效果,R值较为突出,GB值较低,红色鲜艳度均达到0.60以上,而且较为接近,进一步增加粉胶比对彩色沥青胶浆的色彩效果影响不是很大。

(2) 经过TFOT试验后,两种彩色沥青胶浆红色鲜艳度有升有降,经目眼观测,试样的色彩效果未出现明显的变化。由于TFOT试验模拟的是彩色沥青在施工期的老化,这表明在施工期过程中,4种彩色沥青胶浆的色彩效果均不会因施工老化而出现明显的下降。

(3) 经过紫外线照射后,4种彩色沥青胶浆红色鲜艳度均有一定程度的减少,这说明彩色沥青胶浆在路面使用过程中受太阳辐射的影响颜色会逐渐变暗,但红色效果依然明显。相同粉胶比的两种彩色沥青胶浆相比较,高黏度彩色沥青胶浆红色鲜艳度下降程度要低于普通彩色沥青胶浆,说明在路面使用过程中,高黏度彩色沥青胶浆有着更好的色彩保持能力。

 

2透水性彩色沥青混合料级配设计

2.1级配选择

1)初选级配。

集料级配对透水性彩色沥青混合料的强度和路用性能有着很大的影响。在级配组成设计方法方面,国内外许多研究人员进行了深入的研究,许多研究成果已经得到了应用。研究表明,2.36 mm关键筛孔通过率是影响PA一13这款级配空隙率的主要因素口-8],本文通过改变2.36 mm筛孔通过率初步选出3种级配设计方案,设计结果见表5

2)估算沥青用量。

借鉴文献中推荐的经验公式估算各级配沥青用量:

图片15..6.png 

图片6.png

 

图片7.png 

式中:A为集料的总表面积;h为沥青膜厚,研究表明,矿料表面的沥青膜厚度在10~14弘m时,可保持不出现析漏,本研究取值为14mm;a、6、c、d、e、f、g为矿料分别在4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm筛孔的通过率。

通过计算,3个初选级配理论沥青用量见表6。

图片8.png 

 

(3)级配确定。

以混合料达到石一石接触作为主要的控制标准。沥青混合料中粗集料骨架间隙率Ⅵ1A耐,小于粗集料骨架的捣实间隙率VCADRC (VCAminVCADRC)时,沥青混合料达到石一石接触。颜料的用量选定为25%(占矿粉的质量百分比)。级配选择试验结果见表7。

 

 

图片9.png 

 

由表7可以看出,1号级配和2号级配空隙率均大于20%,并且混合料能够达到石一石接触,而3号级配混合料未能达到石一石接触。1号级配的马歇尔稳定度只有3.8 kN,略大于技术要求,为避免耐久性及稳定性可能会存在的不足,本文选择2 级配作为设计级配。

 

2.2Z佳沥青用量的确定

本文采用析漏、飞散试验综合确定透水性彩色沥青混合料的Z佳沥青用量。选定级配的计算初试沥青用量为4.8%,估算沥青Z佳用量在4.0%至5.0%之间,以0.5%为间隔,选定4.0%、4.5%、5.0%、5.5%及6.0%等5个沥青用量对混合料进行析漏试验,制备试件测定其空隙率并进行飞散试验。试验结果见图1及图2。

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图片11.png 

 

由图1及图2可以看出,随着沥青用量的增加,混合料空隙率飞散损失逐渐减小,析漏损失逐渐变大。沥青用量与析漏损失关系曲线的突变点在5.0%处,沥青用量与飞散损失关系曲线的突变点在歇4.7%处,即析漏飞散试验确定的沥青用量范围4.7%~5.0%。由于沥青Z佳用量要尽量接近沥号允许用量范围的上限,这样能够尽Z大可能增加沥青膜厚,从而增强沥青与集料之间的黏附力,因此研究确定试验级配的Z佳沥青用量为5.0%。

 

3透水性彩色沥青混合料性能研究

3.1透水性能试验

透水性能是透水性彩色沥青混合料的一个重要特性,本文采用空隙率、透水量和透水系数3个技指标衡量其透水性能,试验结果见表8。

图片12.png 

 

由透水性能试验可以看出,透水性彩色沥青混合料有着较强的透水性能,透水系数远大于排水性沥青混合料要求的大于0.01 cm/s要求。

 

3.2色彩耐久性能试验

铺筑透水性彩色沥青混凝土路面一个重要的目的就是要取得良好的色彩效果,利用不同的鲜艳的色彩来美化道路空间环境,组织交通并给道路使用者舒适的心里感受,因而彩色沥青混合料的色彩耐久性是其一个非常重要的指标。本研究分别考察了紫外线辐射以及水对透水性彩色沥青混合料的影响。本文用紫外光模拟太阳光照射试件,紫外线灯的功率为20W,用此强度紫外线灯连续照射15d大约相当于太阳光照射1年。不同辐射时间下色彩RGB值变化见表9。

图片13.png 

 

由表9中的RGB值可以看出,未经紫外线照射混合料试件里鲜艳的红色,尺值远高于GB值,红鲜艳度达到0.72,这代表着新铺筑的排水性彩色青路面可以达到优良的色彩效果。随着紫外线照射天数的增加,混合料试件红色鲜艳度逐渐的降低,这说明排水性彩色沥青混合料在路面使用过程中受太阳辐射的影响颜色会逐渐变暗。经30d照射后的试件呈现暗红色,虽然色彩已不比试件原样,但用沥作彩色路面仍能起到良好的视觉效果,这说明在太阳光辐射下,排水性彩色沥青混合料有着良好的色彩保持能力。

为了考察彩色沥青混合料在水侵蚀下的色彩耐久能力,将试件放在60℃热水中浸泡,3 d后试件色彩保持较好,这说明彩色沥青混合料在水的作用下具有较好的色彩保持能力。

 

3.3高温性能试验

马歇尔稳定度评价高温稳定性时,试验设备简单,易于操作。车辙试验较能真实地反映沥青混合料高温性能,其结果与实际路面的永久变形有良好的相关关系[9]。本文分别采用马歇尔稳定度即车辙试验来评价透水性彩色沥青混合料的高温性能,试验结果见表10。

 

 

图片14.png 

 

 

从高温性能试验结果可以看出,虽然透水性彩色沥青混合料的马歇尔稳定度不是很高,但也能满足要求。而其动稳定度超过排水性沥青混合料的大于3000次/ram的要求。可见,透水性彩色沥青混合料有着良好的高温稳定性能

 

 

4结论

(1)通过TPS+SBS复合改性制备出的高黏度彩色沥青较基质沥青在各项指标上都有很大提高。TPS+SBS复合改性彩色沥青要比TPS或SBS单一改性剂改性沥青性能优良很多。

(2)通过TFOT试验以及紫外线辐射的模拟试验,发现高黏度彩色沥青有着良好的着色能力,添加适量的色粉后即可达到所需的色彩效果。在紫外线辐射的作用下,彩色沥青胶浆有着良好的色彩保能力。

(3)在进行透水性彩色沥青混合料设计时,通过改变2.36 mm筛孔通过率初步选出3种级配设方案,并以使混合料达到石一石接触作为主要的控制标准确定Z终级配方案。采用析漏、飞散试验合确定透水性彩色沥青混合料的Z佳沥青用量。

(4)性能试验研究表明透水性彩色沥青混合有着较强的透水性能、良好的色彩耐久性能及高性能。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

参考文献:

[1]陈丙秋.彩色沥青路面的应用与发展前景[J].交通与运输,2006,(1):35—37.

[2]张彩红.新型路面材料彩色沥青的性能及应用可行性[J],市政技术,2006,24(3);171—174

[3]倪富健,覃勉,等.TPS改性剂在排水性沥青混合料中的应用研究CJ].公路交通科技,2004,21(10):17—21.

[4]赵晶,王抒音,彭永恒,张肖宁.SBS改性沥青技术与效果评价[J].中国公路学报.1997,(4):18--24.

[5] 日本道路协会.排水性铺装技术指针(案)[M].东京:丸善株式会社.1996.

[6]Lin Deng-fong。Luo Huan-lin.Fading and color ehan-ges in colored asphalt quantified by the image analysismethod[J].Construction and Building Materials,2004,18(4):255—261.

[7] 冷真.排水性沥青混合料级配组成设计及性能研究[D].东南大学硕士学位论文,2003.

[8]徐皓,倪富健,陈荣生.排水性沥青混合料耐久性[J].交通运输工程学报,2005,5(2):27—31.

[9]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.

 


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