瀝青砂漿的力學性能研究

劉大彬，高笑語，陳 博

(1. 咸陽市規(guī)劃設(shè)計研究院，陜西 咸陽 712000； 2. 長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061)

0 引 言

膠漿理論的出現(xiàn)使越來越多學者開始對細觀的瀝青砂漿進行研究。瀝青砂漿不僅為瀝青混合料提供了黏結(jié)力，而且其抗壓強度、抗拉強度對瀝青混合料的路用性能具有重要影響。如何獲得抗壓強度和抗拉強度均較優(yōu)的瀝青砂漿是值得研究的。

長安大學牛冬瑜等人[1-2]研究外加劑對砂漿的力學性能的影響，結(jié)果表明：選取合適的配合比能夠提高砂漿的內(nèi)聚力，摻入添加劑的基質(zhì)瀝青與橡膠瀝青能夠提高瀝青砂漿的耐久性能。王海朋等人[3]的研究表明，瀝青用量和瀝青種類對瀝青砂漿的黏彈性參數(shù)和松弛模量影響顯著。長沙理工大學吳婷[4]研究了細集料最大公稱粒徑對瀝青砂漿高溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)0.15～0.30 mm集料的含量是影響瀝青砂漿高溫性能的主要因素。

雖然關(guān)于瀝青砂漿的研究較多，但是主要集中在瀝青砂漿的力學性能、高低溫性能、耐久性能、黏彈性能等方面[5-6]，關(guān)于如何利用現(xiàn)有的試驗條件和材料獲得力學性能較優(yōu)的瀝青砂漿[7]，瀝青砂漿的力學強度與試驗條件、材料用量之間的量化關(guān)系研究較少[8]。本文通過均勻設(shè)計研究拌合溫度、油石比、機制砂總比表面對瀝青砂漿抗壓強度、抗拉強度的影響，并通過全回歸分析得到力學強度與拌合溫度、油石比、機制砂總比表面的回歸方程，提出獲得力學性能優(yōu)良的瀝青砂漿的方法。

1 原材料技術(shù)指標與試驗方案

1.1 瀝青

試驗采用90#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)指標見表1。

表1 瀝青的技術(shù)指標

1.2 機制砂

試驗中的細集料[9]采用石灰?guī)r質(zhì)機制砂，其技術(shù)指標見表2，級配見表3。

表2 機制砂的技術(shù)指標

1.3 瀝青砂漿的制備方法

計算瀝青砂漿的最佳油石比；將機制砂放在烘箱中加熱4～6 h，加熱溫度為170 ℃；將瀝青加熱融化，基質(zhì)瀝青加熱溫度為150 ℃。

基質(zhì)瀝青砂漿拌合溫度為155 ℃，向拌鍋內(nèi)加入瀝青，根據(jù)最佳油石比，將烘干的機制砂由小到大依次倒入拌鍋內(nèi)，攪拌180 s。然后將瀝青砂漿裝入試模中，對成型試件進行力學試驗。

1.4 試驗方案

1.4.1 單因素對瀝青砂漿力學性能的影響

采用控制變量法，通過單軸壓縮試驗和劈裂試驗研究單因素對瀝青砂漿抗壓強度、劈裂抗拉強度的影響[10]，試驗方案如下。

(1)為研究拌合溫度對瀝青砂漿力學性能的影響，瀝青砂漿的油石比為10.0%，采用90#基質(zhì)瀝青，機制砂級配為3#級配，拌合溫度分別為140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃。

表3 機制砂的級配

(2)為研究油石比對瀝青砂漿力學性能的影響，采用90#基質(zhì)瀝青，機制砂級配為3#級配，拌合溫度為160℃，油石比為9.0%、9.5%、10.0%、10.5%、11.0%。

(3)為研究機制砂級配對瀝青砂漿力學性能的影響，采用90#基質(zhì)瀝青，油石比為10.0%，拌合溫度為160 ℃，機制砂級配為1#、2#、3#、4#、5#級配，并計算每種級配的總比表面，研究瀝青砂漿力學性能與總比表面的關(guān)系。

1.4.2 多因素對瀝青砂漿力學性能的影響

由于瀝青的種類不能量化，機制砂級配采用總比表面表示，因此采用90#基質(zhì)瀝青進行試驗，以均勻設(shè)計方法研究拌合溫度、油石比、總比表面3個因素對瀝青砂漿力學性能的影響[11-12]。均勻設(shè)計的指標為瀝青砂漿的抗壓強度、劈裂抗拉強度，影響因素為拌合溫度(X1)、油石比(X2)、總比表面(X3)，各因素的取值范圍：140 ℃≤X1≤180 ℃， 9.0%≤X2≤11.0%， 5.5 m2·kg-1≤X3≤18.8 m2·kg-1。采用等水平均勻設(shè)計，將3個因素分為5個水平，見表4。

表4 三因素等水平均勻設(shè)計

選用三因素五水平均勻設(shè)計表，將影響因素X1、X2、X3作為表的1、2、3列，均勻設(shè)計試驗方案見表5。

表5 均勻設(shè)計試驗方案

2 單因素對瀝青砂漿力學性能的影響

單因素試驗結(jié)果如表6所示。

表6 單因素試驗結(jié)果

2.1 拌合溫度對瀝青砂漿力學性能的影響

試件成型時，拌合溫度[13]對瀝青砂漿抗壓強度、抗拉強度的影響如圖1所示。

圖1 拌合溫度對瀝青砂漿力學性能的影響

由表6和圖1可知：隨著拌合溫度的升高，抗壓強度先增大再減小，總體變化幅度不大。在機制砂巖性與級配一致的條件下，不同拌合溫度的瀝青砂漿抗壓強度變化幅度不大；當拌合溫度為140 ℃～160 ℃時，隨著溫度的升高，機制砂與瀝青充分拌合，兩者之間的黏結(jié)力好，但是機制砂本身的溫度較高(185 ℃)，瀝青與它混合時溫度隨之升高，因此拌合溫度在140 ℃～160 ℃時對其影響不明顯，抗壓強度增幅較??；當拌合溫度為160 ℃～180 ℃時，瀝青發(fā)生老化，機制砂與瀝青的黏結(jié)力下降，由于機制砂巖性與級配是影響抗壓強度的主要因素，因此抗壓強度降幅較小。

隨著拌合溫度的升高，抗拉強度先增大再減小。當拌合溫度為140 ℃～160 ℃時，抗拉強度變化不大；當拌合溫度為160 ℃～180 ℃時，瀝青發(fā)生老化，機制砂與瀝青的黏結(jié)力下降，抗拉強度的降幅較大。

2.2 油石比對瀝青砂漿力學性能的影響

油石比對瀝青砂漿抗壓強度、抗拉強度的影響如圖2所示。

圖2 油石比對瀝青砂漿力學性能的影響

由表6和圖2可知：隨著油石比的增加，抗壓強度、抗拉強度先增大再減小。當油石比為9.0%～10.0%時，隨著油石比的增加，機制砂表面與瀝青的接觸更充分，黏結(jié)力更強，抗壓強度、抗拉強度逐漸增大[14]；當油石比為10.0%～11.0%時，隨著油石比的增加，機制砂相對含量減小，瀝青相對含量增大，由于機制砂的剛度遠大于瀝青，因此抗壓強度逐漸減?。划斢褪却笥谧罴延褪葧r，瀝青砂漿中的自由瀝青增多，使抗拉強度逐漸減小。

2.3 機制砂級配對瀝青砂漿力學性能的影響

機制砂級配類型對瀝青砂漿抗壓強度、抗拉強度的影響[15]如圖3所示。

圖3 機制砂級配對瀝青砂漿力學性能的影響

由表6和圖3可知：隨著總比表面的增加，抗壓強度逐漸減小。這是因為總比表面越大，機制砂顆粒越細，抗壓強度越小。

隨著總比表面的增加，抗拉強度逐漸減小。這是因為在油石比一定的條件下，隨著總比表面的增加，瀝青相對含量降低，與集料的黏結(jié)力下降，抗拉強度變小。

3 多因素組合對瀝青砂漿力學性能的影響

均勻設(shè)計試驗結(jié)果如表7所示。

表7 均勻設(shè)計試驗結(jié)果

3.1 抗壓強度與影響因素的關(guān)系

3.1.1 回歸分析

將瀝青砂漿的抗壓強度設(shè)為因變量Y1，拌合溫度、油石比、總比表面[16]設(shè)為自變量X1、X2、X3，顯著水平為0.05，對試驗結(jié)果進行全回歸分析，回歸方程為

(1)

該方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.999 4。

由式(1)可得：X1、X2、X3的系數(shù)均為負，且X1、X2均為二次方，表明試驗指標Y1隨著X1、X2的增大先增大后減小，隨著X3的增大而減小，即抗壓強度隨著拌合溫度、油石比的增大先增大后減小，隨著總比表面的增大而減小，與單因素試驗結(jié)果一致。

由標準回歸系數(shù)可知，總比表面(機制砂級配)對瀝青砂漿抗壓強度的影響最大，拌合溫度次之，油石比的影響最小。

3.1.2 回歸方程及回歸系數(shù)顯著性檢驗

回歸方程及回歸系數(shù)顯著性檢驗如表8所示。

表8 抗壓強度影響因素顯著性檢驗

經(jīng)顯著性檢驗，F(xiàn)t=267.7>F(0.05，3，1)=215.7，因此回歸方程式(1)顯著。

3.1.3 差值分析

根據(jù)回歸方程式(1)，對每組試驗的結(jié)果與回歸值進行差值分析，結(jié)果見表9。

根據(jù)差值分析結(jié)果，回歸方程式(1)得到的回歸值與試驗結(jié)果的最大差值為0.021，差值率為1.105%，表明式(1)能夠準確預測試驗結(jié)果。

表9 抗壓強度影響因素差值分析結(jié)果

3.2 抗拉強度與影響因素的關(guān)系

3.2.1 回歸分析

將抗拉強度設(shè)為因變量Y2，拌合溫度、油石比、總比表面設(shè)為自變量X1、X2、X3，顯著水平為0.05，對試驗結(jié)果進行全回歸分析，回歸方程為

(2)

該方程的相關(guān)系數(shù)R2=0.999 9。

由式(1)可得：X1、X2、X3的系數(shù)均為負，且X1、X2均為二次方，表明試驗指標Y2隨著X1、X2的增大先增大后減小，隨著X3的增大而減小，即抗拉強度隨著拌合溫度、油石比的增大先增大后減小，隨著總比表面的增大而減小，與單因素試驗結(jié)果一致。由標準回歸系數(shù)可知，總比表面(級配)對瀝青砂漿抗拉強度的影響最大，油石比次之，拌合溫度的影響最小。

3.2.2 回歸方程及回歸系數(shù)顯著性檢驗

回歸方程及回歸系數(shù)顯著性檢驗如表10所示。

表10 抗拉強度影響因素顯著性檢驗

經(jīng)顯著性檢驗，F(xiàn)t=1 793>F(0.05，3，1)=215.7，回歸方程式(2)顯著。

3.2.3 殘差分析

根據(jù)回歸方程式(2)，對回歸值與試驗結(jié)果進行差值分析，見表11。

表11 抗拉強度影響因素差值分析結(jié)果

根據(jù)差值分析結(jié)果，由回歸方程式(2)得到的回歸值與試驗結(jié)果的最大差值為0.021，差值率為2.230%，表明式(2)能夠準確預測試驗結(jié)果。

3.3 獲得力學性能優(yōu)良的瀝青砂漿的方法

根據(jù)均勻設(shè)計，細集料級配對瀝青砂漿的抗壓強度和抗拉強度的影響最大[17]。因此在選擇細集料時，優(yōu)先選擇級配優(yōu)良的細集料；在滿足規(guī)范要求的條件下，盡量選擇比表面較小的級配類型，即較粗的級配組成。

油石比對瀝青砂漿力學性能的影響大。在選擇油石比時，首先初步計算瀝青砂漿的最佳油石比[18]，然后根據(jù)油石比與力學性能的變化曲線[19]確定最終的最佳油石比，根據(jù)油石比計算瀝青用量。

拌合溫度對瀝青砂漿力學性能的影響較大。根據(jù)研究結(jié)果，將瀝青砂漿的拌合溫度控制在150 ℃～170 ℃。

4 結(jié) 語

(1)瀝青砂漿的抗壓強度、抗拉強度隨著拌合溫度、油石比的增大先增大后減小，隨著機制砂總比表面的增大而減小。機制砂的級配越粗，對瀝青砂漿的力學性能越有利。

(2)級配對瀝青砂漿抗壓強度的影響最大，拌合溫度次之，油石比的影響最小；級配對瀝青砂漿抗拉強度的影響最大，油石比次之，拌合溫度的影響最小。

(3)根據(jù)試驗結(jié)果，瀝青砂漿的拌合溫度應(yīng)控制在150 ℃～170 ℃；應(yīng)根據(jù)油石比與力學性能的變化曲線確定最佳油石比；在有條件時，從瀝青砂漿的細觀力學性能考慮，細集料應(yīng)采用較粗的級配組成。