WER乳化瀝青小粒徑碎石封層配比設計研究

袁 波，黃 峰，，杜 川，張 鵬

(1.重慶市智翔鋪道技術工程有限公司,重慶 401336; 2.重慶交通大學土木工程學院,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一定年限后,在荷載、光照、溫度、水等作用下導致使用性能衰減,并出現(xiàn)早期病害[1]。采用預養(yǎng)護技術來延長原路面的使用壽命符合雙碳政策。傳統(tǒng)的預防養(yǎng)護技術含括微表處、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)境以及橋隧標高、限重的要求,同步小粒徑碎石封層技術應用廣泛[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,最后形成強度開放交通。該技術的核心在于高性能乳化瀝青與原路面的黏結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、黏結性能優(yōu)異等特點成為路面養(yǎng)護材料關鍵材料之一[7-8]。本文結合霧封層和同步碎石封層的經(jīng)驗,基于正交試驗對水性環(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計提供參考。

1 原材料及試驗方案

抗滑碎石封層試驗采用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設計要求及規(guī)范標準。

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,其設計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到延長瀝青路面使用壽命。工藝參數(shù)的控制直接關系到其耐久性。

水性環(huán)氧樹脂乳化瀝青的噴灑量是一個關鍵參數(shù),第一層乳化瀝青噴灑量要求噴灑材料不會產(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,降低車輛的行駛風險。當撒布量過大,導致表面有浮石,危害行車周圍環(huán)境同時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造成直接影響。為此,本文通過分析相關文獻及實踐經(jīng)驗累積,確定以膠結料噴灑量、小粒徑碎石撒布量、不同粒徑碎石的混合比例作為關鍵參數(shù),以構造深度,擺式摩擦系數(shù)BPN,1 h荷載磨耗值作為評價指標進行3因素3水平的正交試驗,見表1,表2。

表1 正交設計因素及相關水平表

2 結果與分析

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,按照正交試驗設計方案分別測試構造深度、擺式摩擦系數(shù)試驗測定BPN以及1 h荷載磨耗值,試驗結果見表3。通過試驗獲得的一組試驗數(shù)據(jù),因為偶然因素的作用,會導致數(shù)據(jù)存在差異,說明試驗結果波動除試驗條件外還與誤差相關。分別采用極值和方差兩種數(shù)學分析方法確定各水平因素下對試驗結果的影響。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值與標準值比較,認為當某個因素的F值大于標準時,就說明大概有95%的把握說明該因素對試驗結果有顯著影響。

表2 正交試驗方案表

表3 正交試驗結果表

2.1 構造深度

構造深度主要為路面抗滑性能的表征指標之一,同時也相關路面的排水性能。構造深度的極差與方差計算結果見表4。

表4 構造深度極差與方差計算表

由表4可知,影響構造深度的顯著因素排序為：不同粒徑碎石混合比例>小粒徑碎石撒布量>膠結料噴灑量。分析各個水平的平均值可以得出,構造深度隨膠結料灑布量的增加而小幅度降低,原因在于膠結料噴灑量增加,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%;當混合碎石粒徑為2.36 mm～4.75 mm的比例減少,構造深度大幅降低,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這一水平是使試驗結果發(fā)生顯著變化的關鍵水平,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料裹覆無法形成有效嵌擠結構,結構表面未形成突出紋理。相比之下,比例為20∶80和30∶70同樣增加了表面構造深度,且20∶80這一比例貢獻要優(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主要用于評價路面抗滑性能,其極差與方差計算結果如表5所示。

表5 擺式摩擦系數(shù)BPN極差與方差計算表

由表5可知,影響擺式摩擦系數(shù)BPN的顯著因素排序為：不同粒徑碎石混合比例>小粒徑碎石撒布量>膠結料噴灑量。隨著膠結料灑布量的增加,BPN出現(xiàn)先增大后減小的趨勢,主要由于膠結料噴灑量較小時無法將松散碎石完全固結,當?shù)诙幽z結料噴灑僅為保護表面粒料,造成橡膠塊與碎石接觸力較小,而噴灑量增大時逐步將粒料穩(wěn)定,而繼續(xù)增大時,構造逐漸減小,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)選膠結料設計參數(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的時候對摩擦系數(shù)的改善最明顯,當比例降至20∶80和30∶70時,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,其極差與方差計算結果如表6所示。

表6 1 h荷載磨耗值極差與方差計算表

由表6可知,影響1 h荷載磨耗值的顯著因素排序為：不同粒徑碎石混合比例>膠結料噴灑量>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構,因此在外加荷載作用下容易脫落,相比其余兩個混合比例,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%,結合試驗結果,優(yōu)選0 mm～2.36 mm∶2.36 mm～4.75 mm為20∶80作為設計參數(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%,原因在于膠結料的增加使得小粒徑碎石表面錯開的縫隙得以填充,在第二次噴灑乳化瀝青之后,增強了嵌擠力,使得結構逐漸牢固,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 結論

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

1)膠結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,當粒徑為2.36 mm～4.75 mm的碎石含量越多,雖然會使構造深度和摩擦系數(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,綜合正交試驗優(yōu)選設計參數(shù)為：膠結料噴灑量為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。