稀漿封層的耐久性研究

魏 宏 ,邊秀奇

(天津城建設(shè)計(jì)院有限公司,天津市 300121)

稀漿封層的耐久性研究

魏 宏 ,邊秀奇

(天津城建設(shè)計(jì)院有限公司,天津市 300121)

稀漿封層在路面的養(yǎng)護(hù)中起到防水、抗滑等作用,它的耐久性直接影響著路面的使用性能和使用壽命。為了研究稀漿封層的耐久性,進(jìn)行了水穩(wěn)定性和抗滑性能兩方面的試驗(yàn),分析水泥含量、油石比對水穩(wěn)定性的影響以及瀝青含量、溫度變化條件對抗滑穩(wěn)定性的影響。研究發(fā)現(xiàn),水泥含量和油石比對稀漿封層耐久性有很大的影響,油石比的選擇要根據(jù)混合料的級配進(jìn)行選擇,同時(shí)凍融循環(huán)的濕輪磨耗試驗(yàn)表明了稀漿封層能在劇烈的溫度條件變化下保持良好的耐久性。

稀漿封層;耐久性;試驗(yàn)研究;水穩(wěn)定性;抗滑性能

0 引言

隨著交通事業(yè)的迅猛發(fā)展,重載交通逐漸增多,公路使用中早期破壞的現(xiàn)象也日益顯著,這使得人們對預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)越來越重視。在我國,稀漿封層技術(shù)被廣泛應(yīng)用于公路養(yǎng)護(hù)中,形成了成熟的技術(shù)體系,但是與國外應(yīng)用情況相比,國內(nèi)在使用過程中呈現(xiàn)出易損、使用壽命短等現(xiàn)象。大量研究表明,耐久性不足是導(dǎo)致稀漿封層性能降低的重要因素之一［1］。本文從稀漿封層的水穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性兩方面對其穩(wěn)定性進(jìn)行研究,這對提高稀漿封層的穩(wěn)定性,增長使用壽命和改善使用性能有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 稀漿封層耐久性評價(jià)指標(biāo)

路面性能主要分為功能性能和結(jié)構(gòu)性能兩方面。從結(jié)構(gòu)性能方面講,耐久性主要是指路面結(jié)構(gòu)能夠具有足夠的強(qiáng)度和抗變形能力;從功能性能方面講,主要指路面具有良好的溫度穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗滑性能和耐疲勞性能［2］。稀漿封層在路面結(jié)構(gòu)中的作用本身不是受力層,所以結(jié)構(gòu)性能方面主要研究其作為養(yǎng)護(hù)方式的穩(wěn)定性和耐久性,功能性能只需研究抗滑性能。本文對稀漿封層的耐久性研究主要從水穩(wěn)定性和抗滑性能兩方面進(jìn)行。

(1)水穩(wěn)定性

目前還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法來評價(jià)稀漿封層的水穩(wěn)定性?！段⒈硖幒拖{封層的技術(shù)指南》中指出,稀漿封層混合料的水穩(wěn)定性可以通過浸水6 h的濕輪磨耗值進(jìn)行評價(jià),但是這種方法主要用來定性評價(jià)不同級配稀漿封層的水穩(wěn)定性,并未提出可以定量評價(jià)其水穩(wěn)定性的指標(biāo)［3］。本文在濕輪磨耗試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了濕輪磨耗值隨時(shí)間的變化率作為指標(biāo)來評價(jià)稀漿封層的水穩(wěn)定性,若變化率小,說明其水穩(wěn)定性較好。

(2)抗滑性能

路面的抗滑性是指輪胎在制動時(shí)在路表面滑移產(chǎn)生的摩阻力,抗滑性能的大小主要取決于路面的粗糙程度。瀝青混合料的抗滑性一般會采用摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度進(jìn)行評價(jià)［4］。稀漿混合料是一種細(xì)級配的混合料,在荷載的作用下構(gòu)造深度變化比較明顯,因此本文采用構(gòu)造深度作為抗滑性能的評價(jià)指標(biāo)。

2 稀漿封層的耐久性試驗(yàn)

2.1 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

本次試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)儀器為濕輪磨耗試驗(yàn)儀。試驗(yàn)用乳化瀝青為天津某工程用瀝青,該乳化瀝青滿足稀漿封層用乳化瀝青的技術(shù)規(guī)范要求。為了研究乳化瀝青的用量對稀漿封層耐久性的影響,本文選用4種乳化瀝青的用量的稀漿封層混合料,即6.5%、7.5%、8.5%、9.5%。級配類型根據(jù)拌合試驗(yàn)和破乳試驗(yàn)最終定為ES-3型級配上限。本試驗(yàn)選用水泥作為填料,稀漿封層技術(shù)指南中規(guī)定水泥用量必須控制在0～3%,所以本文為了研究不同水泥含量對稀漿封層耐久性的影響,將水泥的添加量定為0、1%、1.5%、2%、2.5%,試驗(yàn)所用水泥為硅酸鹽水泥。

試驗(yàn)試件根據(jù)《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》中制作試件的方法進(jìn)行制作。本試驗(yàn)是將試件分別浸水4 d、8 d、12 d、16 d,測定試件在不同水泥含量和不同油石比的情況下磨耗值的變化情況。

2.2 抗滑性能試驗(yàn)

本文的抗滑性能試驗(yàn)主要是在上述的水穩(wěn)定性試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。測定試件不同浸水時(shí)間前后的構(gòu)造深度,同時(shí)又添加一組凍融循環(huán)試驗(yàn),測定凍融循環(huán)前后的構(gòu)造深度變化。本文的構(gòu)造深度試驗(yàn)是通過傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法——鋪砂法進(jìn)行試驗(yàn),原理是在所要測試的路表上下攤鋪一定體積的砂,量取攤平覆蓋的面積的直徑［5］。公式如下:

式中:TD為構(gòu)造深度,mm;D為攤開砂的平均直徑,mm。

3 稀漿封層的水穩(wěn)定性分析

(1)水泥含量對稀漿封層水穩(wěn)定性的影響

本試驗(yàn)的水泥用量分別為0、1%、1.5%、2%、2.5%五個(gè)等級,相對應(yīng)的采用了4個(gè)油石比,分別是6.5%、7.5%、8.5%、9.5%。不同油石比的濕輪磨耗值隨浸水時(shí)間的變化結(jié)果如圖1～圖4所示。

圖1 6.5%油石比的濕輪磨耗值變化圖

圖2 7.5%油石比的濕輪磨耗值變化圖

圖3 8.5%油石比的濕輪磨耗值變化圖

圖4 9.5%油石比的濕輪磨耗值變化圖

從上面4個(gè)圖可以看出,在相同油石比的情況下不同水泥含量對濕輪磨耗值增長率產(chǎn)生的影響是不同的,不同的油石比都有相對應(yīng)的不同的最佳水泥含量。相比較而言,水泥含量在1%～2%范圍內(nèi)時(shí)磨耗值處于相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

同時(shí),還可以發(fā)現(xiàn)不加水泥時(shí)磨耗值的變化率大致都呈現(xiàn)相同的規(guī)律。不加水泥時(shí),濕輪磨耗值在前期的變化非常大,而隨著浸水時(shí)間的增長逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài),加入水泥的試件濕輪磨耗值在前期并沒有這么大的變化,這說明不加水泥致使稀漿混合料的強(qiáng)度形成的速度比較緩慢。實(shí)際施工過程中,稀漿封層開放交通的早期會因?yàn)閺?qiáng)度并未完全形成而產(chǎn)生較大的磨損,不利于稀漿封層保持較好的穩(wěn)定性。水泥含量在2.5%時(shí),濕輪磨耗值的變化也比較穩(wěn)定,這說明稀漿封層在此種水泥摻量的情況下能夠保持較好的水穩(wěn)定性。但是,從破乳時(shí)間方面來考慮并不利于施工,破乳時(shí)間的縮短容易導(dǎo)致稀漿拌合不均勻,從而產(chǎn)生局部損害。水泥含量在1%～2%時(shí),濕輪磨耗值的變化、強(qiáng)度的形成以及破乳時(shí)間與其它情況下綜合比較更為適中。

在實(shí)際的施工過程中,稀漿封層所用混合料不僅要考慮濕輪磨耗值單方面的因素,還要綜合考慮拌合時(shí)間、破乳時(shí)間等多方面的因素［6］。不同的油石比的稀漿封層混合料要選擇與之相對應(yīng)的最佳水泥含量。本試驗(yàn)的結(jié)果說明,水泥含量的不同會對稀漿封層的水穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響,適量的水泥含量有利于集料之間的粘結(jié),增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度,同時(shí)還能提升稀漿封層的水穩(wěn)定性,因此,水泥含量是影響稀漿封層水穩(wěn)定性的重要因素之一。

(2)油石比對稀漿封層水穩(wěn)定性的影響

從上述試驗(yàn)知道,水泥含量對水穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響,1%～2%時(shí)的水泥含量使稀漿封層具有較好的水穩(wěn)定性。下面研究不同油石比對稀漿封層水穩(wěn)定性的影響,將上一部分的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,相同水泥含量時(shí)不同油石比對濕輪磨耗值增長率的變化如圖5～圖8所示。

圖5 無水泥添加的濕輪磨耗值變化

圖6 1%水泥含量的濕輪磨耗值變化圖

圖7 1.5%水泥含量的濕輪磨耗值變化圖

圖8 2%水泥含量的濕輪磨耗值變化圖

由圖5可以看出,在不添加水泥的時(shí)候,濕輪磨耗值的變化率隨著油石比的增大反而減小。這是因?yàn)橛褪仍龃鬄r青膜的厚度就隨之增加,能夠增大集料與瀝青之間的接觸面積,也就直接提高了集料與瀝青之間的粘結(jié)力,使細(xì)集料更好地裹覆在瀝青中,使?jié)褫喣ズ闹翟鲩L率不斷減小,降低稀漿封層的損耗［7］。由圖6～圖8所示,加入水泥后,油石比對水穩(wěn)定性產(chǎn)生了較大的變化,9.5%油石比的混合料在不同水泥含量情況下都有較好的水穩(wěn)定性,這和本試驗(yàn)所選級配有關(guān),較多的細(xì)集料需要較多的瀝青裹覆。所以,根據(jù)級配選擇合適的油石比是提高稀漿封層水穩(wěn)定性的重要途徑之一。

4 稀漿封層的抗滑性能分析

(1)瀝青含量對抗滑耐久性的影響

為了研究瀝青含量對稀漿封層抗滑性能的影響,對進(jìn)行完的濕輪磨耗試驗(yàn)的試件進(jìn)行構(gòu)造深度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出,在前三次試驗(yàn)中不同油石比的試件構(gòu)造深度降低較快,隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加降低速度逐漸減慢,構(gòu)造深度也逐漸趨于穩(wěn)定。油石比為6.5%時(shí),構(gòu)造深度偏大,這是因?yàn)槿榛癁r青用量較少不能將集料完全裹覆,從而使得紋理深度較大而造成構(gòu)造深度偏大［8］。當(dāng)采用較大油石比時(shí),如本試驗(yàn)的8.5%～9.5%時(shí),混合料既包括粘結(jié)集料的結(jié)構(gòu)瀝青,還有一定含量的自由瀝青。自由瀝青既能夠填充在集料的空隙內(nèi),也能夠填充在集料表面的凹槽中,有效地降低了路面的構(gòu)造深度。經(jīng)過5次試驗(yàn)后,構(gòu)造深度都基本穩(wěn)定在0.8 mm左右,說明這種情況下稀漿封層具有較好的抗滑耐久性。

圖9 不同油石比的構(gòu)造深度隨試驗(yàn)次數(shù)的變化

(2)溫度條件對抗滑耐久性的影響

為了研究溫度變化對稀漿封層抗滑耐久性的影響,通過改變溫度條件進(jìn)行了兩組試驗(yàn)。首先在-10℃溫度條件下將試件統(tǒng)一冷凍16 h,隨后將試件分成兩組:一組是將冷凍過的試件在常溫條件下(大約25℃)的水中融解8 h后測定構(gòu)造深度;另外一組是在50℃水中融解8 h后測定構(gòu)造深度。構(gòu)造深度的測定結(jié)果如圖10、圖11所示。

圖10 常溫下融解的試件構(gòu)造深度隨凍融周期的變化

圖11 50℃下融解的試件構(gòu)造深度隨凍融周期的變化

圖9是在非凍融條件下進(jìn)行試驗(yàn)的構(gòu)造深度變化結(jié)果,將圖10和圖11與圖9進(jìn)行比較可以看出,這三組試驗(yàn)的構(gòu)造深度變化趨勢基本一致。這三組試驗(yàn)的試件的構(gòu)造深度都在第三次試驗(yàn)后趨于穩(wěn)定,而且穩(wěn)定后的構(gòu)造深度都基本在0.8 mm左右。稀漿封層在成型時(shí)不進(jìn)行碾壓,所以實(shí)驗(yàn)前的構(gòu)造深度都比較大,經(jīng)過兩到三次的凍融循環(huán)之后,試件表面石料在磨耗輪的作用下逐漸磨光,使試件的抗滑能力逐漸趨于穩(wěn)定［9］。由此可以得出結(jié)論,溫度條件的循環(huán)變化對稀漿封層抗滑性能和抗滑耐久性的影響不大。

5 結(jié)論

本文通過濕輪磨耗試驗(yàn)和構(gòu)造深度試驗(yàn),研究了不同水泥含量和油石比對稀漿封層水穩(wěn)定性的影響,并通過對比不同油石比和不同溫度變化條件下試件構(gòu)造深度的變化,分析了瀝青含量以及溫度變化對稀漿封層抗滑穩(wěn)定性的影響。

(1)水泥含量對稀漿封層的水穩(wěn)定性具有較大的影響,最佳水泥摻量要根據(jù)不同的油石比來確定,才能使稀漿封層具有較好的穩(wěn)定性。

(2)不同油石比對稀漿封層水穩(wěn)定性產(chǎn)生不同的影響,最佳油石比應(yīng)根據(jù)混合料的級配進(jìn)行確定。

(3)較大的油石比能夠在一定程度上提高稀漿封層的抗滑性能,而環(huán)境溫度的變化對抗滑性能和抗滑穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響不是很大。

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U416.2

A

1009-7716(2015)03-0163-04

2014-12-10

魏宏(1972-),女,河北武安人,高級工程師,從事道路設(shè)計(jì)工作。