開(kāi)普封層低溫抗裂性能影響因素研究

王漢成

(甘肅省臨夏公路事業(yè)發(fā)展中心,甘肅 臨夏 731100)

1 工程概況

G568線(xiàn)起點(diǎn)位于蘭州,終點(diǎn)位于碌曲,途徑蘭州、永靖、東鄉(xiāng)、臨夏、合作、碌曲,是我國(guó)一條由北向南的國(guó)道。該段落于2006年建成通車(chē),目前已運(yùn)營(yíng)13年。期間在2013年對(duì)臨夏至合作段進(jìn)行過(guò)維修改造。

2 參數(shù)確定

2.1 稀漿封層的配合比

采用稀瀝青漿作為上表面的開(kāi)普封層,根據(jù)規(guī)范要求稀瀝青的厚度為60 mm,瀝青中礦物骨料的顆粒級(jí)配采用ES-2型。采用的瀝青類(lèi)型為速凝陽(yáng)離子乳化瀝青,標(biāo)號(hào)為70,詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 瀝青指標(biāo)參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的預(yù)試驗(yàn)結(jié)果,瀝青和礦物骨料最佳的油石比應(yīng)采用8%;其中骨料∶瀝青∶水=100∶18∶11。根據(jù)特定比例制備的瀝青摻合料參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 瀝青摻合料參數(shù)指標(biāo)

2.2 SBS改性瀝青碎石封層

選擇兩種不同粒徑的單一級(jí)配碎石作為開(kāi)普封層瀝青的碎石封層。碎石粒徑為4.75 mm和9.5 mm,SBS瀝青產(chǎn)自四川某新材料公司,型號(hào)為MC-1,基本技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 SBS瀝青基本技術(shù)參數(shù)

采用平鋪的方式將等粒徑的碎石平鋪在尺寸為0.3 m×0.3 m×0.05 m的模具中,計(jì)算出碎石與模具底面的接觸面積,以比例的方式記錄接觸面積與模具底面積的比值,將此比例定義為碎石撒布量。由上述方法計(jì)算得出碎石直徑為4.75 mm時(shí)的碎石撒布量約為8.5 kg/m2。為了便于計(jì)算,設(shè)計(jì)碎石撒布量的取值從大到小依次是8.5 kg/m2、8 kg/m2、7.5 kg/m2、7 kg/m2,采用上述4種碎石撒布量進(jìn)行瀝青碎石符合材料的拉伸試驗(yàn)。由上述方法計(jì)算得出的碎石直徑為9.5 mm時(shí)碎石撒布量約為11.5 kg/m2。為了便于計(jì)算,設(shè)計(jì)碎石撒布量的取值從大到小依次是11.5 kg/m2、11 kg/m2、10.5 kg/m2、10 kg/m2,采用上述4種碎石撒布量進(jìn)行瀝青碎石符合材料的拉伸試驗(yàn)。在實(shí)際工程中使用聚合物對(duì)瀝青進(jìn)行改性時(shí),一般將撒布量定在1.4～2 kg/m2。本文結(jié)合工程實(shí)際與施工現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)水位環(huán)境,選擇了2 kg/m2、1.8 kg/m2、1.6 kg/m2、1.4 kg/m2等4個(gè)撒布量作為實(shí)際施工的撒布量試驗(yàn)值。

3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

考慮到本文的實(shí)際研究環(huán)境,采用SBS碎石改性瀝青試塊來(lái)替代SBS碎石改性瀝青開(kāi)普封層來(lái)測(cè)試其抗拉強(qiáng)度,并通過(guò)這一參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)SBS碎石改性瀝青在低溫環(huán)境中抗裂性能。在進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和試驗(yàn)時(shí)保持溫度為-10 ℃。為了更好的研究碎石溫度的變化對(duì)改性瀝青層抗裂性能的影響。選擇兩種粒徑的碎石,采用正交試驗(yàn)法對(duì)研究目的進(jìn)行四水平三因素的設(shè)計(jì),具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。根據(jù)表4進(jìn)行制樣,對(duì)達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 試驗(yàn)方案

表5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表5中的數(shù)據(jù)可知,采取粒徑為9.5 mm碎石制備的改性瀝青其抗拉強(qiáng)度明顯高于粒徑為4.75 mm碎石制備的改性瀝青。因此,粒徑為9.5 mm碎石制備的改性瀝青在低溫環(huán)境中的抗開(kāi)裂性能超過(guò)粒徑為4.75 mm碎石制備的改性瀝青。

4 結(jié)果分析

對(duì)表5中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,討論在碎石粒徑不同時(shí)其他的硬性因素對(duì)最終試驗(yàn)結(jié)果的影響,見(jiàn)表6。

表6 極差分析數(shù)據(jù)

可知看出,當(dāng)碎石的粒徑為4.75 mm時(shí),碎石撒布量采用水平1、瀝青灑布量采用水平1、碎石加熱溫度采用水平4,得到的改性瀝青抗拉強(qiáng)度最大,即在7 kg/m2的碎石撒布量、1.4 kg/m2瀝青灑布量、碎石加熱到150 ℃時(shí),得到的改性瀝青在低溫條件下抗開(kāi)裂性能最優(yōu);當(dāng)碎石的粒徑為9.5 mm時(shí),碎石撒布量采用水平1、瀝青灑布量采用水平2、碎石加熱溫度采用水平4,得到的改性瀝青抗拉強(qiáng)度最大,即在10 kg/m2的碎石撒布量、1.6 kg/m2瀝青灑布量、碎石加熱到150 ℃時(shí),得到的改性瀝青在低溫條件下抗開(kāi)裂性能最優(yōu)。將兩種不同粒徑碎石改性瀝青的最優(yōu)組合作為制樣基礎(chǔ),探究當(dāng)粒徑不同時(shí)碎石的撒布量、瀝青的灑布量、碎石的加熱溫度對(duì)改性瀝青抗拉強(qiáng)度的影響?？刂茷r青的灑布量和碎石的加熱溫度不變,討論改性瀝青與碎石粒徑間的關(guān)系,見(jiàn)圖1。

圖1 改性瀝青抗拉強(qiáng)度與碎石粒徑間的關(guān)系

由圖1可知,碎石撒布量與改性瀝青抗拉強(qiáng)度的發(fā)展呈負(fù)相關(guān),即碎石撒布量越大,改性的瀝青的抗拉強(qiáng)度越低,并且這一發(fā)展趨勢(shì)不受碎石粒徑的影響。分析原因發(fā)現(xiàn),碎石的撒布量越大,碎石與地面的接觸面積就越大,改性瀝青混合料中瀝青的含量就越低。而瀝青最主要的膠結(jié)物質(zhì)較少,導(dǎo)致骨料間的黏結(jié)力減小,SBS改性瀝青的整體密實(shí)度下降,在低溫環(huán)境作用后,抗拉輕度大幅下降,更易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。將兩種不同粒徑的碎石改性瀝青的最優(yōu)組合作為制樣基礎(chǔ),探究當(dāng)粒徑不同時(shí)碎石的撒布量、瀝青的灑布量、碎石的加熱溫度對(duì)改性瀝青抗拉強(qiáng)度的影響。控制碎石的灑布量和碎石的加熱溫度不變,討論改性瀝青與瀝青灑布量間的關(guān)系,見(jiàn)圖2。

圖2 改性瀝青抗拉強(qiáng)度與瀝青灑布量間關(guān)系曲線(xiàn)

由圖2知知,當(dāng)瀝青的撒布量達(dá)到1.4 kg/m2時(shí),粒徑為4.75 mm碎石制備的改性瀝青抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值,隨著瀝青撒布量的繼續(xù)增加,該粒徑碎石制備的改性瀝青抗拉強(qiáng)度逐漸下降,瀝青灑布量與抗拉強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān);當(dāng)瀝青的撒布量達(dá)到1.6 kg/m2時(shí),粒徑為9.5 mm的碎石制備的改性瀝青抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值,隨著瀝青撒布量的繼續(xù)增加,該粒徑碎石制備的改性瀝青抗拉強(qiáng)度先增大后減小,表現(xiàn)為非線(xiàn)性發(fā)展的趨勢(shì)。因?yàn)闉r青在開(kāi)普封層中需要自上而下沉降入滲到碎石高度60%以上的位置,才能夠?qū)⑺槭蜑r青較好的結(jié)合,形成高強(qiáng)的板塊狀混合物。但在瀝青的入滲過(guò)程中如果撒布量過(guò)大,就會(huì)在碎石的上表面形成稀漿層,導(dǎo)致整個(gè)開(kāi)普封層的油量過(guò)大,在低溫作用后,更容易出現(xiàn)開(kāi)裂的情況。將兩種不同粒徑的碎石改性瀝青的最優(yōu)組合作為制樣基礎(chǔ),探究當(dāng)粒徑不同時(shí)碎石的撒布量、瀝青的灑布量、碎石的加熱溫度對(duì)改性瀝青抗拉強(qiáng)度的影響?？刂扑槭臑⒉剂亢退槭募訜釡囟炔蛔?討論改性瀝青抗拉強(qiáng)度與瀝青灑布量間的關(guān)系。

由此可以看出,碎石溫度的增加對(duì)不同粒徑改性瀝青抗拉強(qiáng)度的影響趨勢(shì)基本一致,骨料碎石的溫度越高,改性瀝青的抗拉強(qiáng)度越大,但增長(zhǎng)幅度有限。這一現(xiàn)象說(shuō)明,在進(jìn)行改性瀝青制備時(shí)骨料的溫度變化對(duì)成品的低溫抗裂性能影響較小。為了進(jìn)一步探究當(dāng)粒徑不同時(shí)碎石的撒布量、瀝青的灑布量、碎石的加熱溫度對(duì)改性瀝青抗拉強(qiáng)度影響的波動(dòng)性,引入變異系數(shù)來(lái)表示不同的變量對(duì)改性瀝青低溫抗裂性能影響的波動(dòng)性。變異系數(shù)越大則數(shù)據(jù)的起伏波動(dòng)越大,該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響就越大,對(duì)圖1、圖2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行變異系數(shù)分析,分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 不同影響因素變異系數(shù)

由圖3可知,不論碎石的粒徑是9.5 mm還是4.75 mm,碎石撒布量對(duì)改性瀝青開(kāi)普封層抗拉強(qiáng)度發(fā)展的波動(dòng)性最大,變異系數(shù)的最大值可以達(dá)到11%,且粒徑越大,變異系數(shù)越大,說(shuō)明大粒徑對(duì)改性瀝青的低溫抗裂性能影響更為顯著。在文中涉及的三個(gè)影響因素中,瀝青的撒布量對(duì)改性瀝青的低溫抗裂性能影響排第二,撒布碎石溫度影響最弱。

5 結(jié) 論

(1)碎石撒布量與改性瀝青抗拉強(qiáng)度的發(fā)展呈負(fù)相關(guān),即碎石撒布量越大,改性瀝青的抗拉強(qiáng)度越低,并且這一發(fā)展趨勢(shì)不受碎石粒徑的影響。

(2)碎石溫度的增加對(duì)不同粒徑改性瀝青的抗拉強(qiáng)度的影響趨勢(shì)基本一致,骨料碎石的溫度越高,改性瀝青的抗拉強(qiáng)度越大,但增長(zhǎng)幅度有限。這一現(xiàn)象說(shuō)明,在進(jìn)行改性瀝青制備時(shí)骨料的溫度變化對(duì)成品的低溫抗裂性能影響較小。

(3)碎石撒布量對(duì)改性瀝青開(kāi)普封層抗拉強(qiáng)度發(fā)展的波動(dòng)性最大,瀝青的撒布量對(duì)改性瀝青低溫抗裂性能影響排第二,撒布碎石溫度對(duì)改性瀝青的低溫抗裂性能影響最弱。