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摘要:针对离心分离法测定沥青混合料试验操作误差对试验结果的影响问题、水筛法和干筛法对级配结果的影响问题,从滤纸、矿料、抽提液中矿粉含量的确定、筛分方法等方面对试验误差进行了分析,从而为确保沥青路面的施工质量控制提供准确试验数据。
关键词:离心分离法、集料筛分、沥青混合料、沥青含量、级配
沥青混合料的沥青含量和矿料级配是构成沥青混凝土路面质量的一个极其重要的指标,若不能及时准确地测出沥青混合料的油石比(沥青含量)和级配,对沥青混合料的质量做出鉴定,那么就不能及时有效地指导施工生产,就有可能造成大批不合格的混合料生产出厂,给沥青混凝土路面造成质量隐患,使沥青混凝土路面过早地出现病害,给施工单位和业主造成经济损失。在施工中快速、准确地测定沥青含量和级配,以监督、指导沥青路面的施工,是保证沥青路面质量的关键所在,而抽提试验(矿料级配、沥青用量)是最基本试验,笔者所在的埃塞AA高速路项目就是采用离心分离法来测定沥青含量和检验级配的,通过对离心分离法的使用情况做一分析,供大家参考。
一、对离心分离法的介绍。
此法是目前使用最多的一种方法,也是现行规范中规定的标准试验方法。原理是将1000~1500g(粗粒式沥青混合料用高限、中粒式沥青混合料用中限、细粒式用下限)沥青混合料置于抽提仪的料锅内,同时注入三氯乙烯,使溶剂浸没试样,将已称重的圆环形滤纸装在分离器的边缘上,加盖紧固,把溶剂回收瓶放置分离器出口,回收瓶上口应密封,防止溶剂散失。开动离心器使盛有试样的离心器转速逐渐增至3000r/min,在离心作用下,被溶解的沥青与溶剂一起透过滤纸被甩出,然后再加入溶剂,如此反复直到流出的溶液呈清澈的淡黄色为止,一般约需4~5次。用此法抽提的沥青溶液中,不可能不混入少量的细矿粉成分,为精确测定沥青含量,可再用压力过滤器回收沥青抽提液中的矿粉,无压力过滤器时可用燃烧法测定,详见《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)。由于条件限制笔者采用的是另一种方法来回收沥青溶液中的矿粉,即采用医用离心机对沥青溶液进行二次离心分离,原来和离心抽提仪相同,只是医用离心器分离的是沥青抽提液中矿粉的含量,而离心抽提仪分离的是沥青与矿粉。将注入回收瓶的沥青溶液,分别等量注入四个不同的离心分离仪的金属瓶中。注入回收液之前要称取四个金属瓶的总质量Mp0。将四个金属瓶放入离心分离仪中固定,盖上分离仪的上盖。开动离心分离仪直至离心分离仪自动停止。等离心分离仪彻底停止转动后,再打开上盖,取出四个金属瓶。取瓶过程要慢而稳,尽量避免瓶中液体的晃动,然后将瓶中上层液体缓缓倒出,此时,回收液中的矿粉已经被离心沉淀在金属瓶的底部,上层液体中是没有矿粉的。依次倒出四个金属瓶上层液体,瓶中留少量的液体残余。然后将四个金属瓶放入105±5℃的烘箱中烘干,然后放入干燥器中冷却至室温,称取四个金属瓶总质量为Mp1。
若分离液较多,无法一次分入四个金属瓶中,可以分两次进行。
其沥青含量计算公式为:P=[M-M3-(M2-M1)-(Mp1-Mp0)]/M×100%
式中:M为混合料质量;M1为干燥滤纸质量;M2为附着矿粉的滤纸质量;M3为容器中矿料的质量;Mp0为未盛回收液前,四个金属瓶的总质量;Mp1为离心后,四个金属瓶与离心出的矿粉总质量。
二、对离心分离法测定沥青含量的误差分析
(一)滤纸
试验所用圆形滤纸的作用是防止混合料中粗、细集料流失,使沥青从三氯乙烯混合液中过滤出来。而在测试中由于盖子的紧密程度及滤纸本身孔径的影响,必然有部分矿粉由于压力和离心作用流失在混合液中,粘附在滤纸上。因此需根据纸的增重确定矿粉的部分质量,而且放在空气中的滤纸会吸收空气中的水分,影响测试结果。针对此现象,试验前将滤纸烘干后,间隔不同时间称量如表1所示
表1测试结果表明,抽提试验前后滤纸是否烘干以及称重前放置的时间,均对准确确定矿粉的质量有较大影响,因此为减小试验误差,保证测试结果的再现性,有必要规定静置时间。由表1可见,烘干后室温下冷却45min后,滤纸吸潮基本稳定易于称量。
(二)矿料
对于有孔或多孔性石料如玄武岩,由于石料本身有孔隙,在抽提试验结束,被洗净的矿料烘干后冷却至室温的过程中会吸取空气中水分。石料吸水率越大吸潮越大,例如对吸水率为1.7%的玄武岩,在室温下的吸水重量如表2所示。
如表2所示,若沥青混合料总重1500g,油石比4.5%,抽提后矿料质量应为1435.5g,0.5h后称量,则质量为1437.7g,实算油石比为4.3%,减少了0.2%。由此可以看出,静置时间越长,矿料质量越大,计算油石比与实际油石比偏差越大。
(三)通过医用离心甩干器分多次分离抽提液应注意的问题
试验前准确称量离心甩干杯的质量。每次倒抽提液时应尽量保持四个杯子里的溶液均衡。离心机启动时转速提高不宜过快(以3000r/min为宜)。以免溶液倾出,经过分离的离心杯应在烘箱中烘干使三氯乙烯完全挥发。最后准确称量离心杯的重量。通过计算两次称量差值得到抽提液中矿粉质量。
三、矿料级配检验方法的误差分析
当前在生产沥青混合料时在其中添加了外加剂(如:模量剂、抗车辙剂等)以提高沥青混合料的路用性能,这些外加剂通常对沥青混合料都具有加筋作用,其原理是:添加剂中聚合物形成的微结晶区具有相当的劲度,它在拌和过程中部分拉丝成塑料纤维,在集料骨架内搭桥交联而形成纤维加筋作用,由于聚合物纤维的存在,它在胶结料中形成网状,加强了沥青矿粉胶结料体系相互作用和整体性。正是因为外加剂的加筋作用,从而在使用三氯乙烯、苯、汽油等溶剂将矿料从沥青混合料中分离出来进行筛分以检验级配时产生了误差。现通过试验具体说明,即在室内按照目标配合比的各档通过率配制合成矿料后,分别添加外加剂和不添加外加剂拌合成沥青混合料做抽提筛分试验(表3)。
筛分结果表明添加了外加剂的沥青混合料级配和实际级配相比有较大的差别,而不添加外加剂的沥青混合料级配和实际级配相差很少。通过观察后发现,添加外加剂的沥青混合料在用三氯乙烯洗净烘干后的矿料中存在细小的颗粒(主要粒径在2.36mm到0.3之间),而且在粗颗粒的表面粘结着许多矿粉,从筛分结果中也可以看出,含有外加剂的沥青混合料其2.36mm及其以下各档的通过率明显要比不含外加剂的沥青混合料小不少,同时相对于实际级配其级配要粗很多,不含外加剂的级配和实际级配相差很少。正是这些颗粒的存在,从而对筛分结果产生了较大的误差,另外,由于对施工质量检验而言,希望尽快得出试验结果,而且多大施工单位认为水洗筛分与干筛的实际差别相对较小,所以不管是有没有添加外加剂都采用干筛法,然而粘附在粗集料表面的矿粉实际上是干筛法无法分离的,这样一来,必然造成其筛分结果影响。对此,笔者对这两种混合料参照《公路工程集料试验规程》(JTJ058)的筛分方法,采用水筛法和直接干筛法,对添加外加剂的混合料和不添加外加剂的混合料进行筛分试验,筛分结果见下表(表4)。
从上表可以看出,添加外加剂的混合料经过水洗筛分后,粘附在粗颗粒表面的矿粉被洗了下来(4.75mm的通过率明显提高),由矿粉抱团形成的细小颗粒也由于水洗分散开来(2.36mm的通过率明显下降、0.075mm的通过率明显提高),其级配和干筛相比,和实际级配非常接近。由此能看出在添加有外加剂的混合料直接用干筛法对级配结果影响较大,尤其是对于施工质量控制的关键性筛孔(4.75mm、2.36mm、0.075mm)的影响。而没有添加外加剂的混合料,水筛和干筛结果也有所差别,但是其级配和实际级配相差相对较小(误差在可接受范围之内)。
四、结语
在使用离心分离法测定沥青含量时以及在检验矿料级配时提出以下几点建议,以便为沥青路面的质量控制提供更加准确的试验数据。
(一)建议滤纸的增重应统一确定在烘干后,室温下冷却45min称量,减小称量误差。
(二)建议对于有孔或多孔性矿料应在烘干后,立即称取质量以减小偏差。
(三)建议对于含有外加剂的沥青混合料在做筛分试验检验级配时,采用水筛法。
参考文献:
[1]公路工程试验工程师手册第三版人民交通出版社2009年孙忠义,王建华,申爱琴
[2]JTGF40-2004.公路沥青路面施工技术规范
[3]燃烧法与离心法测定沥青混合料中沥青含量实验研究福州建设科技2005年苏忠高.