考慮多種力學及路用性能的碎石封層材料用量優化分析

陸利豐,危 笛

(廣西北投交通養護科技集團有限公司,廣西 南寧 530201)

0 引言

碎石封層作為一種高效、經濟、便捷的施工技術,廣泛應用于瀝青路面新建及養護工程中,不僅可作為低等級瀝青路面的磨耗層,提升路面服務水平,同時在瀝青路面新建工程、大中修工程可作為粘結層,有效粘結上下兩層材料,起到防水及提升路面整體強度的作用[1]。因此封層的施工質量直接影響路面整體質量,而碎石封層施工質量受封層材料因素影響顯著,因此大量研究人員對封層施工材料進行研究,并由此確定了最佳材料用量。李晶[2]研究發現瀝青種類、用量對封層抗剪強度影響顯著。曾蔚[3]基于封層抗剪強度、抗拉強度,確定了瀝青、碎石最佳撒布量為1.4 kg/m2、8.0 kg/m2,此時的碎石覆蓋率為60%～70%。王瑞[4]探究了瀝青用量、纖維用量和纖維長度對封層剪切強度的影響,并以剪切強度為響應值對比分析了響應曲面法、單因素試驗法、正交試驗法的優化效果,發現響應曲面法得出的最優解最佳。

目前大量研究針對封層施工質量的材料影響因素展開,但其中大部分僅以封層粘結性能為表征來確定封層材料的最佳用量,忽略了封層施工對瀝青路面整體路用性能的影響。因此,為保障碎石封層的施工質量,本文基于封層粘結性能及瀝青路面路用性能,探究封層碎石撒布率、瀝青用量對其的影響程度,以雙因素方差法分析確定主要影響對象,再據此以響應曲面法確定各封層材料最佳用量,為瀝青路面碎石封層設計提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 瀝青

選取SBS改性瀝青,其相關性能參數滿足《公路瀝青施工技術規范》(JTG F40-2004)(以下簡稱《技術規范》)的要求,相關技術指標如表1所示。

表1 SBS改性瀝青檢測結果表

1.1.2 碎石

選用4.75～9.5 mm的石灰巖集料,其滿足《技術規范》的要求,相關技術指標如表2所示。

表2 碎石檢測結果表

1.2 試驗方法

1.2.1 粘結性能試驗

在某高速公路路面中修銑刨重鋪工程中,調整同步碎石封層碎石撒布率(80%、50%、20%)及瀝青撒布量(1.2 kg/m2、1.5 kg/m2、1.8 kg/m2),完成封層施工后鋪筑瀝青面層,在面層施工后對相應路段進行鉆芯取樣,獲取不同材料用量的5 cm基層+封層+5 cm面層復合試件,在60 ℃環境下保溫2 h后進行拉拔、斜剪試驗。

1.2.1.1 拉拔試驗

采用電子萬能試驗機進行拉拔試驗,利用環氧樹脂膠粘結試件與夾具,試件固定后以0.8 kN/s速率進行加載,以最大拉拔強度作為評價指標。

1.2.1.2 斜剪試驗

采用電子萬能試驗機進行斜剪試驗,將試件固定于斜剪夾具,加載速率為50 mm/min,以剪切強度作為評價指標。

1.2.2 路用性能試驗

面層施工后依據《公路路基路面現場測試規程》(JTG 3450-2019)中T0971-2019、T0964-2008、T0932-2008方法對不同封層材料用量路段面層進行滲水、抗滑、平整度檢測。

2 封層粘結性能

對不同碎石撒布率及瀝青撒布量的路段鉆芯取樣獲取復合試件進行拉拔及斜剪試驗,結果如圖1、圖2所示。

圖1 拉拔強度曲線圖

圖2 抗剪強度曲線圖

同時,為分析不同封層材料用量對封層粘結性能的影響,采用雙因素方差進行分析,結果如表3所示。

表3 影響拉拔強度、抗剪強度的雙因素方差分析結果表

對上述結果進行分析可知:

(1)碎石撒布率對拉拔強度、抗剪強度影響顯著。由表3可知,碎石灑布率與拉拔強度、抗剪強度的概率P值均<0.05,說明不同碎石灑布率對拉拔強度、抗剪強度呈現出顯著性。

(2)不同瀝青用量下,隨碎石撒布率的增加,拉拔強度、抗剪強度均先增大后減小。由圖1可知,1.5 kg/m2瀝青用量下,當碎石撒布率從20%增至80%,拉拔強度由5.8 kPa增至12.8 kPa,再降至6.6 kPa,說明碎石用量過多、過少封層粘結性能均不佳,會嚴重影響碎石封層施工質量,因此在實際施工中必須嚴格控制碎石撒布率。

(3)瀝青用量對封層粘結性能存在一定影響,由表3可知,瀝青用量與拉拔強度、抗剪強度的概率P值均<0.05,但略大于碎石撒布率與其的P值,說明不同瀝青用量對拉拔強度、抗剪強度呈現出顯著性,但影響程度略小于碎石撒布率。

(4)50%碎石撒布率及以下,粘結性能隨瀝青用量先增強后減弱,80%碎石撒布率下,粘結性能隨瀝青用量增大而增強。由圖2可知,瀝青用量從1.2 kg/m2增至1.8 kg/m2,20%碎石撒布率下,抗剪強度由18.6 kPa增至23.1 kPa再減小至21.3 kPa,而80%撒布率下抗剪強度由21.5 kPa增至27.1 kPa。這是由于一定碎石撒布率以下,瀝青用量過少則碎石間瀝青爬升高度不足,無法有效粘結碎石,瀝青用量過多會造成部分瀝青無法有效地和碎石結合,自由瀝青過多,使抗剪強度減弱;在一定碎石撒布率以上,隨著瀝青用量增大,與碎石裹附接觸的結構瀝青增多,可有效增強其抗剪強度[5]。

3 施工后路面路用性能

對不同碎石撒布率及瀝青用量的路段施工后的瀝青路面進行滲水、抗滑、平整度檢測,結果如表4所示。

表4 不同封層材料用量下瀝青路面路用性能試驗結果表

為分析不同封層材料用量對瀝青路面施工后路用性能的影響,采用雙因素方差進行分析,結果如表5所示。

表5 影響瀝青路面路用性能的雙因素方差分析結果表

其中滲水系數與碎石撒布率、瀝青用量的關系如圖3所示。

圖3 滲水系數曲線圖

對上述結果進行分析可知:

(1)碎石撒布率、瀝青用量對施工后瀝青路面滲水性能存在一定影響,對抗滑性能、平整度基本無影響。由表5可知,碎石撒布率、瀝青用量與摩擦系數、平整度的概率P值均>0.05,與滲水系數的P值分別為0.001、0.02,說明封層材料用量對瀝青路面施工后的抗滑性能、平整度基本無影響,但對滲水性能影響顯著,因此封層材料設計時還需考慮對瀝青路面滲水性能的影響。

(2)封層材料用量對施工后瀝青路面滲水性能的影響規律與對封層粘結性能一致。由圖3可知,不同瀝青用量下,瀝青路面滲水性能均隨碎石撒布率的增加而先增強后減弱;碎石撒布率≤50%時滲水性能隨瀝青用量先增強后減弱,碎石撒布率≤80%時滲水性能隨瀝青用量增大而增強。

4 封層材料用量優選

為進一步優化封層材料用量,采用響應曲面法進行分析,設計2因素3水平響應面,以拉拔強度、抗剪強度、滲水系數作為響應值。通過擬合回歸,建立碎石撒布率(A)、瀝青用量(B)對封層拉拔強度、抗剪強度、瀝青路面滲水系數的二次多項回歸模型,其數學表達式如下:

拉拔強度=12.53+0.42A+0.85B+0.43AB-5.67A2-1.87B2(P<0.000 1,R2=0.982 9)

(1)

抗剪強度=47.11+2.00A+2.03B+0.73AB-20.62A2-5.22B2(P<0.000 1,R2=0.990 1)

(2)

滲水系數=19.60-3.45A-3.43B-1.05AB+19.85A2+4.90B2(P<0.0001,R2=0.990 7)

(3)

由此可得到拉拔強度、抗剪強度、滲水系數的響應曲面,并以其進行響應優化,相應結果如圖4所示。

(a)拉拔強度

(1)3個曲面響應回歸模型均擬合度較好,P值均<0.0001,R2分別為0.982 9、0.990 1、0.990 7,說明可以據此有效預測兩項影響因素下拉拔強度、抗剪強度響應變化,其中拉拔強度、抗剪強度、滲水系數交互項AB的P值分別為0.203 0、0.393 5、0.211 0,說明碎石撒布率、瀝青用量對封層粘結性能、瀝青路面滲水性能交互影響不顯著。

(2)以獲取拉拔強度、抗剪強度最大值,滲水系數最小值為目標,進行響應曲面優化,結果顯示:碎石撒布率、瀝青用量應分別選取51.5%、1.57 kg/m2,所得拉拔強度、剪切強度、滲水系數最佳,分別為:12.54 kPa、47.34 kPa、19.0 mL/min。

5 結語

(1)碎石撒布率對封層粘結性能影響顯著,不同瀝青用量下,粘結強度均隨碎石撒布率的增加先增強后減弱。同時瀝青用量對封層粘結性能存在一定影響,碎石撒布率≤50%時粘結性能隨瀝青用量先增強后減弱,碎石撒布率≤80%時粘結性能隨瀝青用量增大而增強。因此在實際施工中必須嚴格控制碎石撒布率,合理選用瀝青用量,防止出現碎石脫粒、泛油等病害,確保封層施工質量。

(2)碎石撒布率、瀝青用量對施工后瀝青路面滲水性能影響顯著,對抗滑性能、平整度基本無影響,說明在封層材料用量設計時,還需考慮其對瀝青路面滲水性能的影響。

(3)考慮封層粘結性能、瀝青路面滲水性能,以拉拔強度、抗剪強度、滲水系數作為響應值進行響應曲面優化,確定碎石撒布率、瀝青用量最佳為51.5%、1.57 kg/m2,所獲拉拔強度、剪切強度、滲水系數分別為12.54 kPa、47.34 kPa、19.0 ml/min。