MS-7型超粗微表處組成設計與路用性能研究

古洋, 朱瑞峰, 吳旭陽

(中冶賽迪工程技術股份有限公司, 重慶 400013)

在行車荷載及自然環境等因素綜合作用下,瀝青路面產生車轍病害。部分車轍在達到破壞臨界深度12.5 mm時會持續發展[1-2],到處理修復時深度已達到25～30 mm。微表處修復車轍是目前常用的技術方案[3-6],但MS-3、MS-4型(最大粒徑13.2 mm)[7]和MS-6型(最大粒徑20.0 mm)微表處[8]用于修補深度25～30 mm車轍時需要多層攤鋪。根據JTG F40—2004《路瀝青路面施工技術規范》,微表處分層攤鋪時,第一層攤鋪后至少應開放交通24 h后方可進行第二層攤鋪[9]。多層微表處修復車轍一方面會使封閉交通時間延長,另一方面多層微表處交界面處強度較低,內部粗集料較少,沒有形成骨架結構,易產生新的車轍。采用單層微表處修復車轍,修復后即可開放交通,還可避免二次車轍的產生。因此,亟待開發更大粒徑微表處,用單層微表處修復深度25～30 mm的車轍病害。本文研究最大粒徑31.2 mm的MS-7型超粗微表處組成設計,對比超粗微表處與多層微表處的抗車轍性能,為超粗微表處設計及25～30 mm車轍修復提供參考。

1 基于最大密度級配曲線理論的MS-7型超粗微表處級配范圍

目前混合料級配設計理論主要有最大密度級配曲線理論和粒子干涉理論?？紤]到采用粒子干涉理論設計的間斷級配內摩阻力大,稀漿混合料不易拌和、攤鋪[10],采用最大密度級配曲線理論初步設計MS-7型超粗微表處級配,計算公式見式(1)。由于式(1)為無窮級數,沒有最小粒徑限制,會造成礦粉含量過高,對于傳統熱拌瀝青混合料,易造成高溫穩定性不足。但對于稀漿混合料,礦粉含量偏高是有利的,甚至是必須的。

P=100(d/D)n

(1)

式中:P為不同等級集料的通過率(%);d為分級集料的粒徑(mm);D為集料的最大粒徑(mm);n為試驗指數。

將按照最大密度理論計算的級配與目前普遍采用的MS-3型級配進行比較,結果見表1。由表1可知:MS-3型級配中值中2.36 mm及以上粒徑的通過率分布在最大密度線(n=0.45)以上,1.18 mm及以下粒徑的通過率與最大密度線基本一致,即MS-3型級配與最大密度線大致吻合,集料略偏細,有利于減小集料內摩阻力,改善和易性。n=0.3～0.7時按最大密度公式計算的級配范圍與MS-3型級配范圍有較大部分重合。因此,初步確定MS-7型超粗微表處級配設計中n值為0.3～0.7。

表1 MS-3型級配和按最大理論密度計算的級配對比

2 基于和易性的MS-7型超粗微表處級配范圍

2.1 級配類型及最大密度曲線n值對內摩擦角的影響

集料的內摩阻力對稀漿混合料的拌和性及和易性影響較大。由于集料本身并無黏聚力,不同規格集料混合后內摩阻力大小主要取決于內摩擦角,采用直剪儀測試不同級配類型微表處的內摩擦角。不同級配類型微表處的抗剪強度及內摩擦角見圖1,其中ES-1、MS-2和MS-3型級配均為《微表處和稀漿封層技術指南》[11]推薦的級配范圍中值,MS-7型超粗微表處級配為最大密度曲線n取0.45時的級配。最大密度曲線不同n值時MS-7型超粗微表處的抗剪強度及內摩擦角見圖2。

圖1 不同級配類型微表處的抗剪強度及內摩擦角測試結果

圖2 最大密度曲線不同n值時MS-7型超粗微表處的抗剪強度及內摩擦角測試結果

由圖1可知:不同級配類型微表處的抗剪強度及內摩擦角隨著最大粒徑的增加而增大,級配類型由ES-1型變化為MS-7型時,抗剪強度及內摩擦角分別增大60%、30%。MS-7型超粗微表處的內摩阻力相對常規微表處明顯增加,導致施工和易性降低,施工較困難。

由圖2可知:隨著最大密度曲線n值的增大,MS-7型超粗微表處的抗剪強度和內摩擦角整體呈增大趨勢。n值從0.3增大到0.6時,抗剪強度和內摩擦角分別增大38%、17%;但n值從0.4增大到0.5時,抗剪強度和內摩擦角變化不明顯。為獲得較好的施工和易性,MS-7型超粗微表處級配中最大密度曲線n值不宜過大。

2.2 基于和易性的級配范圍優化

由于MS-7型超粗微表處的內摩阻力較大,且最大密度曲線中不同n值會影響內摩阻力,進而影響施工性能,進行不同n值及不同用水量下施工和易性測試,試驗中固定油石比為7%,施工和易性以砂漿稠度儀測定的稠度值表征。試驗結果見表2。

表2 最大密度曲線不同n值時MS-7型超粗微表處的施工和易性測試結果

由表2可知:相同用水量下,不同n值時MS-7型超粗微表處的施工和易性差別較大。整體趨勢為n值增大,內摩阻力增加,和易性降低。結合工程經驗,稠度為2～3 cm時施工和易性最佳。同時MS-7型超粗微表處施工厚度大,水分不易揮發,成型較慢,用水量不宜超過10%。綜上,滿足施工和易性要求的最大密度曲線n值為0.3～0.6。

根據最大密度曲線級配理論及施工和易性要求,確定MS-7型超粗微表處的級配范圍為最大密度曲線n為0.3～0.6對應的級配范圍(見表3)。

表3 MS-7型超粗微表處的級配范圍

3 MS-7型超粗微表處的油石比

參考《微表處和稀漿封層技術指南》,取表3中級配中值,通過濕輪磨耗試驗和負荷車輪黏砂試驗確定MS-7型超粗微表處的油石比范圍。根據試驗結果(見表4)及試驗段狀況,滿足規范要求的MS-7型超粗微表處的油石比為5.0%～7.0%。

表4 不同油石比下MS-7型超粗微表處的濕輪磨耗試驗和負荷車輪黏砂試驗結果

4 MS-7型超粗微表處的開放交通時間

MS-7型超粗微表處的最大粒徑為31.5 mm,攤鋪厚度達3 cm,水分耗散慢。為加快MS-7型微表處的成型,盡快開放交通,在微表處混合料中摻入少量水泥和速凝劑。此外,微表處成型速度與外界溫度有關。為分析不同因素對MS-7型微表處成型速度的影響,以水泥摻量、速凝劑摻量和溫度為試驗因素,每個因素選擇3個水平,以L9(34)正交表分析不同因素及水平組合下MS-7型超粗微表處的開放交通時間。水泥采用P.O42.5,集料采用玄武巖,乳化瀝青采用中裂快凝型SBR改性乳化瀝青,速凝劑采用自制復配型試劑。正交試驗表及試驗結果見表5,試驗結果的極差和方差分析見表6。

表5 不同因素及水平組合下MS-7型超粗微表處的開放交通時間

表6 不同因素及水平組合下MS-7型超粗微表處開放交通時間的極差和方差分析

由表6可知:3種因素對開放交通時間的影響程度從大到小依次為溫度、速凝劑摻量和水泥摻量,溫度的影響最明顯,水泥摻量的影響不顯著。水泥摻量為3%、速凝劑摻量為0.9%時MS-7型超粗微表處的開放交通時間最小,故確定水泥摻量為3%、速凝劑摻量為0.9%。宜在氣溫較高時進行MS-7型超粗微表處施工。在較高溫度條件下,水泥摻量為3%、速凝劑摻量為0.9%時,開放交通時間可控制在3 h以內。

5 MS-7型超粗微表處的路用性能

通過輪轍變形試驗分析3層MS-3型微表處、MS-3型+MS-5型微表處、MS-5型+MS-3型微表處、單層30 mm厚MS-7型微表處的抗車轍性能。其中:MS-3型級配為《微表處與稀漿封層技術指南》中級配范圍中值,瀝青用量為7%,單層攤鋪厚度為10 mm;MS-5型級配為n=0.45最大密度線級配,最大粒徑為20 mm,瀝青用量為7%,單層攤鋪厚度為20 mm;單層30 mm厚MS-7型微表處級配為n=0.45最大密度線級配,瀝青用量為7%。3層MS-3型微表處、MS-3型+MS-5型微表處、MS-5型+MS-3型微表處的總攤鋪厚度均為30 mm。每種微表處類型進行5組平行試驗,試驗結果見圖3。

圖3 不同微表處組合及MS-7型微表處的輪轍試驗結果

由圖3可知:MS-7型微表處的車轍深度率最大值為2.2%,平均值為1.6%;寬度變形率最大值為2.4%,平均值為1.4%。其他微表處組合的車轍深度率最大值均大于3%,平均值均大于2%;寬度變形率最大值均大于4%,平均值均大于3%,且3層MS-3型組合的輪轍變形大于其他兩種雙層組合。表明MS-7型微表處的抗車轍性能遠優于多層微表處,雙層微表處的抗車轍性能優于3層微表處。這主要是由于單層微表處受力時 “頂天立地”的最大粒徑碎石直接將荷載傳遞給地面,最大粒徑碎石不發生位移和改變,因而厚度變化較小,抗車轍性能較強;雙層或多層微表處受力時,最大粒徑碎石沿接觸面滑動,微表處厚度變薄,經車輛反復碾壓產生車轍。

6 結論

(1) 不同級配類型微表處的抗剪強度及內摩擦角隨著級配最大粒徑的增大而增大,級配由ES-1型變化為MS-7型時,抗剪強度及內摩擦角分別增大60%、30%。

(2) 隨著最大密度曲線n值的增大,MS-7型超粗微表處的抗剪強度和內摩擦角整體呈增大趨勢,n值從0.3增大到0.6時,抗剪強度和內摩擦角分別增大38%、17%。

(3) MS-7型超粗微表處的級配范圍為最大密度曲線n為0.3～0.6對應的級配范圍,油石比為5.0%～7.0%。

(4) 不同因素對MS-7型微表處開放交通時間的影響程度從大到小依次為溫度、速凝劑摻量和水泥摻量,在較高溫度條件下,水泥摻量為3%、速凝劑摻量為0.9%時可在3 h內開放交通。

(5) MS-7型微表處的抗車轍性能遠優于多層微表處,雙層微表處的抗車轍性能優于3層微表處。