開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發展中心,甘肅 臨夏 731100)

1 工程概況

G568線起點位于蘭州,終點位于碌曲,途徑蘭州、永靖、東鄉、臨夏、合作、碌曲,是我國一條由北向南的國道。該段落于2006年建成通車,目前已運營13年。期間在2013年對臨夏至合作段進行過維修改造。

2 參數確定

2.1 稀漿封層的配合比

采用稀瀝青漿作為上表面的開普封層,根據規范要求稀瀝青的厚度為60 mm,瀝青中礦物骨料的顆粒級配采用ES-2型。采用的瀝青類型為速凝陽離子乳化瀝青,標號為70,詳細參數見表1。

表1 瀝青指標參數

根據實驗室的預試驗結果,瀝青和礦物骨料最佳的油石比應采用8%;其中骨料∶瀝青∶水=100∶18∶11。根據特定比例制備的瀝青摻合料參數指標見表2。

表2 瀝青摻合料參數指標

2.2 SBS改性瀝青碎石封層

選擇兩種不同粒徑的單一級配碎石作為開普封層瀝青的碎石封層。碎石粒徑為4.75 mm和9.5 mm,SBS瀝青產自四川某新材料公司,型號為MC-1,基本技術參數見表3。

表3 SBS瀝青基本技術參數

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。由上述方法計算得出碎石直徑為4.75 mm時的碎石撒布量約為8.5 kg/m2。為了便于計算,設計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種碎石撒布量進行瀝青碎石符合材料的拉伸試驗。由上述方法計算得出的碎石直徑為9.5 mm時碎石撒布量約為11.5 kg/m2。為了便于計算,設計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種碎石撒布量進行瀝青碎石符合材料的拉伸試驗。在實際工程中使用聚合物對瀝青進行改性時,一般將撒布量定在1.4～2 kg/m2。本文結合工程實際與施工現場的地質水位環境,選擇了2 kg/m2、1.8 kg/m2、1.6 kg/m2、1.4 kg/m2等4個撒布量作為實際施工的撒布量試驗值。

3 試驗方案設計

考慮到本文的實際研究環境,采用SBS碎石改性瀝青試塊來替代SBS碎石改性瀝青開普封層來測試其抗拉強度,并通過這一參數來評價SBS碎石改性瀝青在低溫環境中抗裂性能。在進行養護和試驗時保持溫度為-10 ℃。為了更好的研究碎石溫度的變化對改性瀝青層抗裂性能的影響。選擇兩種粒徑的碎石,采用正交試驗法對研究目的進行四水平三因素的設計,具體試驗方案見表4。根據表4進行制樣,對達到養護齡期的樣品進行拉伸試驗,試驗結果見表5。

表4 試驗方案

表5 試驗數據

由表5中的數據可知,采取粒徑為9.5 mm碎石制備的改性瀝青其抗拉強度明顯高于粒徑為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境中的抗開裂性能超過粒徑為4.75 mm碎石制備的改性瀝青。

4 結果分析

對表5中的試驗數據進行極差分析,討論在碎石粒徑不同時其他的硬性因素對最終試驗結果的影響,見表6。

表6 極差分析數據

可知看出,當碎石的粒徑為4.75 mm時,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,得到的改性瀝青在低溫條件下抗開裂性能最優;當碎石的粒徑為9.5 mm時,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,得到的改性瀝青在低溫條件下抗開裂性能最優。將兩種不同粒徑碎石改性瀝青的最優組合作為制樣基礎,探究當粒徑不同時碎石的撒布量、瀝青的灑布量、碎石的加熱溫度對改性瀝青抗拉強度的影響。控制瀝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系,見圖1。

圖1 改性瀝青抗拉強度與碎石粒徑間的關系

由圖1可知,碎石撒布量與改性瀝青抗拉強度的發展呈負相關,即碎石撒布量越大,改性的瀝青的抗拉強度越低,并且這一發展趨勢不受碎石粒徑的影響。分析原因發現,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物質較少,導致骨料間的黏結力減小,SBS改性瀝青的整體密實度下降,在低溫環境作用后,抗拉輕度大幅下降,更易出現開裂現象。將兩種不同粒徑的碎石改性瀝青的最優組合作為制樣基礎,探究當粒徑不同時碎石的撒布量、瀝青的灑布量、碎石的加熱溫度對改性瀝青抗拉強度的影響。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系,見圖2。

圖2 改性瀝青抗拉強度與瀝青灑布量間關系曲線

由圖2知知,當瀝青的撒布量達到1.4 kg/m2時,粒徑為4.75 mm碎石制備的改性瀝青抗拉強度達到最大值,隨著瀝青撒布量的繼續增加,該粒徑碎石制備的改性瀝青抗拉強度逐漸下降,瀝青灑布量與抗拉強度呈負相關;當瀝青的撒布量達到1.6 kg/m2時,粒徑為9.5 mm的碎石制備的改性瀝青抗拉強度達到最大值,隨著瀝青撒布量的繼續增加,該粒徑碎石制備的改性瀝青抗拉強度先增大后減小,表現為非線性發展的趨勢。因為瀝青在開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,才能夠將碎石和瀝青較好的結合,形成高強的板塊狀混合物。但在瀝青的入滲過程中如果撒布量過大,就會在碎石的上表面形成稀漿層,導致整個開普封層的油量過大,在低溫作用后,更容易出現開裂的情況。將兩種不同粒徑的碎石改性瀝青的最優組合作為制樣基礎,探究當粒徑不同時碎石的撒布量、瀝青的灑布量、碎石的加熱溫度對改性瀝青抗拉強度的影響。控制碎石的灑布量和碎石的加熱溫度不變,討論改性瀝青抗拉強度與瀝青灑布量間的關系。

由此可以看出,碎石溫度的增加對不同粒徑改性瀝青抗拉強度的影響趨勢基本一致,骨料碎石的溫度越高,改性瀝青的抗拉強度越大,但增長幅度有限。這一現象說明,在進行改性瀝青制備時骨料的溫度變化對成品的低溫抗裂性能影響較小。為了進一步探究當粒徑不同時碎石的撒布量、瀝青的灑布量、碎石的加熱溫度對改性瀝青抗拉強度影響的波動性,引入變異系數來表示不同的變量對改性瀝青低溫抗裂性能影響的波動性。變異系數越大則數據的起伏波動越大,該因素對試驗結果的影響就越大,對圖1、圖2中的數據進行變異系數分析,分析結果見圖3。

圖3 不同影響因素變異系數

由圖3可知,不論碎石的粒徑是9.5 mm還是4.75 mm,碎石撒布量對改性瀝青開普封層抗拉強度發展的波動性最大,變異系數的最大值可以達到11%,且粒徑越大,變異系數越大,說明大粒徑對改性瀝青的低溫抗裂性能影響更為顯著。在文中涉及的三個影響因素中,瀝青的撒布量對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 論

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

(2)碎石溫度的增加對不同粒徑改性瀝青的抗拉強度的影響趨勢基本一致,骨料碎石的溫度越高,改性瀝青的抗拉強度越大,但增長幅度有限。這一現象說明,在進行改性瀝青制備時骨料的溫度變化對成品的低溫抗裂性能影響較小。

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