稀漿封層的耐久性研究

魏 宏 ,邊秀奇

(天津城建設計院有限公司,天津市 300121)

稀漿封層的耐久性研究

魏 宏 ,邊秀奇

(天津城建設計院有限公司,天津市 300121)

稀漿封層在路面的養護中起到防水、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,進行了水穩定性和抗滑性能兩方面的試驗,分析水泥含量、油石比對水穩定性的影響以及瀝青含量、溫度變化條件對抗滑穩定性的影響。研究發現,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混合料的級配進行選擇,同時凍融循環的濕輪磨耗試驗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;試驗研究;水穩定性;抗滑性能

0 引言

隨著交通事業的迅猛發展,重載交通逐漸增多,公路使用中早期破壞的現象也日益顯著,這使得人們對預防性養護技術越來越重視。在我國,稀漿封層技術被廣泛應用于公路養護中,形成了成熟的技術體系,但是與國外應用情況相比,國內在使用過程中呈現出易損、使用壽命短等現象。大量研究表明,耐久性不足是導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定性和抗滑穩定性兩方面對其穩定性進行研究,這對提高稀漿封層的穩定性,增長使用壽命和改善使用性能有著重要的現實意義。

1 稀漿封層耐久性評價指標

路面性能主要分為功能性能和結構性能兩方面。從結構性能方面講,耐久性主要是指路面結構能夠具有足夠的強度和抗變形能力;從功能性能方面講,主要指路面具有良好的溫度穩定性、水穩定性、抗滑性能和耐疲勞性能［2］。稀漿封層在路面結構中的作用本身不是受力層,所以結構性能方面主要研究其作為養護方式的穩定性和耐久性,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定性和抗滑性能兩方面進行。

(1)水穩定性

目前還沒有統一的標準試驗方法來評價稀漿封層的水穩定性?！段⒈硖幒拖{封層的技術指南》中指出,稀漿封層混合料的水穩定性可以通過浸水6 h的濕輪磨耗值進行評價,但是這種方法主要用來定性評價不同級配稀漿封層的水穩定性,并未提出可以定量評價其水穩定性的指標［3］。本文在濕輪磨耗試驗的基礎上提出了濕輪磨耗值隨時間的變化率作為指標來評價稀漿封層的水穩定性,若變化率小,說明其水穩定性較好。

(2)抗滑性能

路面的抗滑性是指輪胎在制動時在路表面滑移產生的摩阻力,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和構造深度進行評價［4］。稀漿混合料是一種細級配的混合料,在荷載的作用下構造深度變化比較明顯,因此本文采用構造深度作為抗滑性能的評價指標。

2 稀漿封層的耐久性試驗

2.1 水穩定性試驗

本次試驗所采用的試驗儀器為濕輪磨耗試驗儀。試驗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規范要求。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%。級配類型根據拌合試驗和破乳試驗最終定為ES-3型級配上限。本試驗選用水泥作為填料,稀漿封層技術指南中規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%,試驗所用水泥為硅酸鹽水泥。

試驗試件根據《微表處和稀漿封層技術指南》中制作試件的方法進行制作。本試驗是將試件分別浸水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

本文的抗滑性能試驗主要是在上述的水穩定性試驗基礎上進行的。測定試件不同浸水時間前后的構造深度,同時又添加一組凍融循環試驗,測定凍融循環前后的構造深度變化。本文的構造深度試驗是通過傳統的試驗方法——鋪砂法進行試驗,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為構造深度,mm;D為攤開砂的平均直徑,mm。

3 稀漿封層的水穩定性分析

(1)水泥含量對稀漿封層水穩定性的影響

本試驗的水泥用量分別為0、1%、1.5%、2%、2.5%五個等級,相對應的采用了4個油石比,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間的變化結果如圖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生的影響是不同的,不同的油石比都有相對應的不同的最佳水泥含量。相比較而言,水泥含量在1%～2%范圍內時磨耗值處于相對比較穩定的狀態。

同時,還可以發現不加水泥時磨耗值的變化率大致都呈現相同的規律。不加水泥時,濕輪磨耗值在前期的變化非常大,而隨著浸水時間的增長逐漸趨于穩定狀態,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度形成的速度比較緩慢。實際施工過程中,稀漿封層開放交通的早期會因為強度并未完全形成而產生較大的磨損,不利于稀漿封層保持較好的穩定性。水泥含量在2.5%時,濕輪磨耗值的變化也比較穩定,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定性。但是,從破乳時間方面來考慮并不利于施工,破乳時間的縮短容易導致稀漿拌合不均勻,從而產生局部損害。水泥含量在1%～2%時,濕輪磨耗值的變化、強度的形成以及破乳時間與其它情況下綜合比較更為適中。

在實際的施工過程中,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間、破乳時間等多方面的因素［6］。不同的油石比的稀漿封層混合料要選擇與之相對應的最佳水泥含量。本試驗的結果說明,水泥含量的不同會對稀漿封層的水穩定性產生較大的影響,適量的水泥含量有利于集料之間的粘結,增強混合料的強度,同時還能提升稀漿封層的水穩定性,因此,水泥含量是影響稀漿封層水穩定性的重要因素之一。

(2)油石比對稀漿封層水穩定性的影響

從上述試驗知道,水泥含量對水穩定性產生較大的影響,1%～2%時的水泥含量使稀漿封層具有較好的水穩定性。下面研究不同油石比對稀漿封層水穩定性的影響,將上一部分的數據進行整理,相同水泥含量時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。這是因為油石比增大瀝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力,使細集料更好地裹覆在瀝青中,使濕輪磨耗值增長率不斷減小,降低稀漿封層的損耗［7］。由圖6～圖8所示,加入水泥后,油石比對水穩定性產生了較大的變化,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定性,這和本試驗所選級配有關,較多的細集料需要較多的瀝青裹覆。所以,根據級配選擇合適的油石比是提高稀漿封層水穩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,對進行完的濕輪磨耗試驗的試件進行構造深度試驗,試驗結果如圖9所示。從圖9可以看出,在前三次試驗中不同油石比的試件構造深度降低較快,隨著試驗次數的增加降低速度逐漸減慢,構造深度也逐漸趨于穩定。油石比為6.5%時,構造深度偏大,這是因為乳化瀝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造深度偏大［8］。當采用較大油石比時,如本試驗的8.5%～9.5%時,混合料既包括粘結集料的結構瀝青,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,也能夠填充在集料表面的凹槽中,有效地降低了路面的構造深度。經過5次試驗后,構造深度都基本穩定在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 不同油石比的構造深度隨試驗次數的變化

(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行了兩組試驗。首先在-10℃溫度條件下將試件統一冷凍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后測定構造深度;另外一組是在50℃水中融解8 h后測定構造深度。構造深度的測定結果如圖10、圖11所示。

圖10 常溫下融解的試件構造深度隨凍融周期的變化

圖11 50℃下融解的試件構造深度隨凍融周期的變化

圖9是在非凍融條件下進行試驗的構造深度變化結果,將圖10和圖11與圖9進行比較可以看出,這三組試驗的構造深度變化趨勢基本一致。這三組試驗的試件的構造深度都在第三次試驗后趨于穩定,而且穩定后的構造深度都基本在0.8 mm左右。稀漿封層在成型時不進行碾壓,所以實驗前的構造深度都比較大,經過兩到三次的凍融循環之后,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定［9］。由此可以得出結論,溫度條件的循環變化對稀漿封層抗滑性能和抗滑耐久性的影響不大。

5 結論

本文通過濕輪磨耗試驗和構造深度試驗,研究了不同水泥含量和油石比對稀漿封層水穩定性的影響,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定性的影響。

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

(2)不同油石比對稀漿封層水穩定性產生不同的影響,最佳油石比應根據混合料的級配進行確定。

(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,而環境溫度的變化對抗滑性能和抗滑穩定性產生的影響不是很大。

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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,從事道路設計工作。