WER乳化瀝青小粒徑碎石封層配比設(shè)計(jì)研究

袁 波，黃 峰，，杜 川，張 鵬

(1.重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司,重慶 401336; 2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院,重慶 400074)

我國高速公路的發(fā)展迅猛,建成的瀝青路面在服務(wù)一定年限后,在荷載、光照、溫度、水等作用下導(dǎo)致使用性能衰減,并出現(xiàn)早期病害[1]。采用預(yù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)來延長原路面的使用壽命符合雙碳政策。傳統(tǒng)的預(yù)防養(yǎng)護(hù)技術(shù)含括微表處、霧封層、稀漿封層、同步碎石封層、超薄磨耗層等[2-4],但近年由于道路使用環(huán)境以及橋隧標(biāo)高、限重的要求,同步小粒徑碎石封層技術(shù)應(yīng)用廣泛[5-6],其主要工藝為同步噴灑一層高性能乳化瀝青和小粒徑碎石,經(jīng)碾壓固化后在噴灑一層乳液,最后形成強(qiáng)度開放交通。該技術(shù)的核心在于高性能乳化瀝青與原路面的黏結(jié)性能以及每平方用量。根據(jù)現(xiàn)階段乳化瀝青的研究成果,水性環(huán)氧樹脂(WER)乳化瀝青具備環(huán)保、黏結(jié)性能優(yōu)異等特點(diǎn)成為路面養(yǎng)護(hù)材料關(guān)鍵材料之一[7-8]。本文結(jié)合霧封層和同步碎石封層的經(jīng)驗(yàn),基于正交試驗(yàn)對水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青小粒徑碎石封層的配比展開研究,為路面表處抗滑封層的設(shè)計(jì)提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方案

抗滑碎石封層試驗(yàn)采用SBR改性乳化瀝青,水性環(huán)氧樹脂乳液及配套固化劑,0 mm～4.75 mm玄武巖碎石,基層承載采用瀝青混合料成型的車轍試件,所用原材料須滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青小粒徑碎石封層采用層鋪法成型,由兩層水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青和一層小粒徑玄武巖組成,如圖1所示,其設(shè)計(jì)理念是通過改善封層功能性中的抗滑性能和耐磨性能來達(dá)到延長瀝青路面使用壽命。工藝參數(shù)的控制直接關(guān)系到其耐久性。

水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的噴灑量是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),第一層乳化瀝青噴灑量要求噴灑材料不會(huì)產(chǎn)生流淌,且能完全覆蓋住橋面表層,還要求能黏附小粒徑碎石,第二層乳化瀝青噴灑量需要封住表層碎石因錯(cuò)開堆積而產(chǎn)生的裂縫。小粒徑碎石的撒布是為了提高路面的抗滑性能,降低車輛的行駛風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)撒布量過大,導(dǎo)致表面有浮石,危害行車周圍環(huán)境同時(shí)也對駕駛安全埋下隱患;撒布量過小,無法對路面抗滑性能起到改善作用;由于生產(chǎn)加工后的細(xì)集料的形狀外貌、粒徑大小并不統(tǒng)一,撒布之后對抗滑性能和平整度都會(huì)造成直接影響。為此,本文通過分析相關(guān)文獻(xiàn)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)累積,確定以膠結(jié)料噴灑量、小粒徑碎石撒布量、不同粒徑碎石的混合比例作為關(guān)鍵參數(shù),以構(gòu)造深度,擺式摩擦系數(shù)BPN,1 h荷載磨耗值作為評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行3因素3水平的正交試驗(yàn),見表1,表2。

表1 正交設(shè)計(jì)因素及相關(guān)水平表

2 結(jié)果與分析

水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青小粒徑碎石封層主要保障其優(yōu)異的抗滑性能和耐磨耗性能,按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案分別測試構(gòu)造深度、擺式摩擦系數(shù)試驗(yàn)測定BPN以及1 h荷載磨耗值,試驗(yàn)結(jié)果見表3。通過試驗(yàn)獲得的一組試驗(yàn)數(shù)據(jù),因?yàn)榕既灰蛩氐淖饔?會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)存在差異,說明試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)除試驗(yàn)條件外還與誤差相關(guān)。分別采用極值和方差兩種數(shù)學(xué)分析方法確定各水平因素下對試驗(yàn)結(jié)果的影響。對于方差分析,給定顯著性水平α=0.05,從F分布臨界值表中查出：F0.05(2,2)=19,求出各種因素的F值與標(biāo)準(zhǔn)值比較,認(rèn)為當(dāng)某個(gè)因素的F值大于標(biāo)準(zhǔn)時(shí),就說明大概有95%的把握說明該因素對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響。

表2 正交試驗(yàn)方案表

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果表

2.1 構(gòu)造深度

構(gòu)造深度主要為路面抗滑性能的表征指標(biāo)之一,同時(shí)也相關(guān)路面的排水性能。構(gòu)造深度的極差與方差計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 構(gòu)造深度極差與方差計(jì)算表

由表4可知,影響構(gòu)造深度的顯著因素排序?yàn)椋翰煌剿槭旌媳壤?小粒徑碎石撒布量>膠結(jié)料噴灑量。分析各個(gè)水平的平均值可以得出,構(gòu)造深度隨膠結(jié)料灑布量的增加而小幅度降低,原因在于膠結(jié)料噴灑量增加,造成部分微小孔隙封閉,但其影響效果不顯著;隨著碎石撒布量的增加構(gòu)造深度有一定的增加,撒布量從1.2 kg/m2～1.6 kg/m2分別增加了2.0%和13.7%;當(dāng)混合碎石粒徑為2.36 mm～4.75 mm的比例減少,構(gòu)造深度大幅降低,下降幅度分別為44.5%和55.8%,而粒徑0 mm～2.36 mm與2.36 mm～4.75 mm比例在10∶90這一水平是使試驗(yàn)結(jié)果發(fā)生顯著變化的關(guān)鍵水平,說明粒徑在0 mm～2.36 mm這一檔的含量越多對試板表面的構(gòu)造深度減小產(chǎn)生顯著的效果,使得抗滑性能具有一定的衰減,主要原因在于0 mm～2.36 mm的含量增多且被膠結(jié)料裹覆無法形成有效嵌擠結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)表面未形成突出紋理。相比之下,比例為20∶80和30∶70同樣增加了表面構(gòu)造深度,且20∶80這一比例貢獻(xiàn)要優(yōu)于比例為30∶70。

2.2 擺式摩擦系數(shù)BPN

擺式摩擦系數(shù)BPN主要用于評價(jià)路面抗滑性能,其極差與方差計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 擺式摩擦系數(shù)BPN極差與方差計(jì)算表

由表5可知,影響擺式摩擦系數(shù)BPN的顯著因素排序?yàn)椋翰煌剿槭旌媳壤?小粒徑碎石撒布量>膠結(jié)料噴灑量。隨著膠結(jié)料灑布量的增加,BPN出現(xiàn)先增大后減小的趨勢,主要由于膠結(jié)料噴灑量較小時(shí)無法將松散碎石完全固結(jié),當(dāng)?shù)诙幽z結(jié)料噴灑僅為保護(hù)表面粒料,造成橡膠塊與碎石接觸力較小,而噴灑量增大時(shí)逐步將粒料穩(wěn)定,而繼續(xù)增大時(shí),構(gòu)造逐漸減小,完全裹覆石料造成BPN數(shù)值降低,綜合成本和性能而言,優(yōu)選膠結(jié)料設(shè)計(jì)參數(shù)為0.6 kg/m2+0.2 kg/m2;而碎石撒布量的增加對BPN的變化不明顯;隨著粒徑范圍在2.36 mm～4.75 mm的含量增多,試件表面的摩擦系數(shù)逐漸增大,其中,0 mm～2.36 mm與2.36 mm～4.75 mm的比例為10∶90的時(shí)候?qū)δΣ料禂?shù)的改善最明顯,當(dāng)比例降至20∶80和30∶70時(shí),BPN的值分別減小了11.4%和22.1%,主要由于粗粒徑碎石含量增加使得石屑錯(cuò)綜堆積形成棱角分明造成摩擦系數(shù)BPN變大。

2.3 1 h荷載磨耗值

1 h荷載磨耗值主要表征水環(huán)氧小粒徑碎石封層在行車作用下質(zhì)量散失程度,其極差與方差計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 1 h荷載磨耗值極差與方差計(jì)算表

由表6可知,影響1 h荷載磨耗值的顯著因素排序?yàn)椋翰煌剿槭旌媳壤?膠結(jié)料噴灑量>小粒徑碎石撒布量。2.36 mm～4.75 mm與0 mm～2.36 mm的比例為10∶90時(shí)的試板磨耗值都比較高,引起此現(xiàn)象的主要原因是較粗的碎石與較細(xì)的混合后,撒布在試板表面,乳化瀝青未完全將縫隙封住,無法形成相嵌擠的結(jié)構(gòu),因此在外加荷載作用下容易脫落,相比其余兩個(gè)混合比例,隨著2.36 mm～4.75 mm的含量逐漸增多,磨耗值分別增大了43.4%和59.9%,結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果,優(yōu)選0 mm～2.36 mm∶2.36 mm～4.75 mm為20∶80作為設(shè)計(jì)參數(shù)。水環(huán)氧乳化瀝青的噴灑量對磨耗值的影響也十分顯著,隨著噴灑量的增加,磨耗值逐漸減小,相較于0.4 kg/m2的噴灑量而言分別減少了3.5%和13.6%,原因在于膠結(jié)料的增加使得小粒徑碎石表面錯(cuò)開的縫隙得以填充,在第二次噴灑乳化瀝青之后,增強(qiáng)了嵌擠力,使得結(jié)構(gòu)逐漸牢固,從而使得增加水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的噴灑量可以提高封層的耐磨性。

3 結(jié)論

本文通過正交試驗(yàn)對水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青小粒徑碎石封層的配比展開研究,得出以下結(jié)論：

1)膠結(jié)料噴灑量主要影響的是對封層材料的磨耗性能,隨著噴灑量的增加,水環(huán)氧乳化瀝青小粒徑碎石封層的磨耗性能得到改善;但噴灑量增加會(huì)小幅度降低抗滑性能。2)小粒徑碎石撒布量抗滑性能和磨耗性能的影響均較低,但需考慮較大撒布量造成的松散顆粒對行車安全的影響。3)不同粒徑碎石混合比例對抗滑性能和磨耗性能都有顯著地影響,當(dāng)粒徑為2.36 mm～4.75 mm的碎石含量越多,雖然會(huì)使構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)得到大幅度提升,顯著提高抗滑性能,但會(huì)降低磨耗性能。4)根據(jù)水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青小粒徑碎石封層的功能性要求,綜合正交試驗(yàn)優(yōu)選設(shè)計(jì)參數(shù)為：膠結(jié)料噴灑量為0.6 kg/m2+0.2 kg/m2,小粒徑碎石0 mm～2.36 mm與2.36 mm～4.75 mm的比例選擇為20∶80,撒布量選擇為1.4 kg/m2。