沥青砂浆的力学性能研究

2021-01-06刘大彬高笑语

筑路机械与施工机械化 2020年11期

刘大彬，高笑语，陈博

(1. 咸阳市规划设计研究院，陕西咸阳 712000； 2. 长安大学材料科学与工程学院，陕西西安 710061)

0 引言

胶浆理论的出现使越来越多学者开始对细观的沥青砂浆进行研究。沥青砂浆不仅为沥青混合料提供了黏结力，而且其抗压强度、抗拉强度对沥青混合料的路用性能具有重要影响。如何获得抗压强度和抗拉强度均较优的沥青砂浆是值得研究的。

长安大学牛冬瑜等人[1-2]研究外加剂对砂浆的力学性能的影响，结果表明：选取合适的配合比能够提高砂浆的内聚力，掺入添加剂的基质沥青与橡胶沥青能够提高沥青砂浆的耐久性能。王海朋等人[3]的研究表明，沥青用量和沥青种类对沥青砂浆的黏弹性参数和松弛模量影响显著。长沙理工大学吴婷[4]研究了细集料最大公称粒径对沥青砂浆高温性能的影响，发现0.15～0.30 mm集料的含量是影响沥青砂浆高温性能的主要因素。

虽然关于沥青砂浆的研究较多，但是主要集中在沥青砂浆的力学性能、高低温性能、耐久性能、黏弹性能等方面[5-6]，关于如何利用现有的试验条件和材料获得力学性能较优的沥青砂浆[7]，沥青砂浆的力学强度与试验条件、材料用量之间的量化关系研究较少[8]。本文通过均匀设计研究拌合温度、油石比、机制砂总比表面对沥青砂浆抗压强度、抗拉强度的影响，并通过全回归分析得到力学强度与拌合温度、油石比、机制砂总比表面的回归方程，提出获得力学性能优良的沥青砂浆的方法。

1 原材料技术指标与试验方案

1.1 沥青

试验采用90#基质沥青，其技术指标见表1。

表1 沥青的技术指标

1.2 机制砂

试验中的细集料[9]采用石灰岩质机制砂，其技术指标见表2，级配见表3。

表2 机制砂的技术指标

1.3 沥青砂浆的制备方法

计算沥青砂浆的最佳油石比；将机制砂放在烘箱中加热4～6 h，加热温度为170 ℃；将沥青加热融化，基质沥青加热温度为150 ℃。

基质沥青砂浆拌合温度为155 ℃，向拌锅内加入沥青，根据最佳油石比，将烘干的机制砂由小到大依次倒入拌锅内，搅拌180 s。然后将沥青砂浆装入试模中，对成型试件进行力学试验。

1.4 试验方案

1.4.1 单因素对沥青砂浆力学性能的影响

采用控制变量法，通过单轴压缩试验和劈裂试验研究单因素对沥青砂浆抗压强度、劈裂抗拉强度的影响[10]，试验方案如下。

(1)为研究拌合温度对沥青砂浆力学性能的影响，沥青砂浆的油石比为10.0%，采用90#基质沥青，机制砂级配为3#级配，拌合温度分别为140 ℃、150 ℃、160 ℃、170 ℃、180 ℃。

表3 机制砂的级配

(2)为研究油石比对沥青砂浆力学性能的影响，采用90#基质沥青，机制砂级配为3#级配，拌合温度为160℃，油石比为9.0%、9.5%、10.0%、10.5%、11.0%。

(3)为研究机制砂级配对沥青砂浆力学性能的影响，采用90#基质沥青，油石比为10.0%，拌合温度为160 ℃，机制砂级配为1#、2#、3#、4#、5#级配，并计算每种级配的总比表面，研究沥青砂浆力学性能与总比表面的关系。

1.4.2 多因素对沥青砂浆力学性能的影响

由于沥青的种类不能量化，机制砂级配采用总比表面表示，因此采用90#基质沥青进行试验，以均匀设计方法研究拌合温度、油石比、总比表面3个因素对沥青砂浆力学性能的影响[11-12]。均匀设计的指标为沥青砂浆的抗压强度、劈裂抗拉强度，影响因素为拌合温度(X1)、油石比(X2)、总比表面(X3)，各因素的取值范围：140 ℃≤X1≤180 ℃， 9.0%≤X2≤11.0%， 5.5 m2·kg-1≤X3≤18.8 m2·kg-1。采用等水平均匀设计，将3个因素分为5个水平，见表4。

表4 三因素等水平均匀设计

选用三因素五水平均匀设计表，将影响因素X1、X2、X3作为表的1、2、3列，均匀设计试验方案见表5。

表5 均匀设计试验方案

2 单因素对沥青砂浆力学性能的影响

单因素试验结果如表6所示。

表6 单因素试验结果

2.1 拌合温度对沥青砂浆力学性能的影响

试件成型时，拌合温度[13]对沥青砂浆抗压强度、抗拉强度的影响如图1所示。

图1 拌合温度对沥青砂浆力学性能的影响

由表6和图1可知：随着拌合温度的升高，抗压强度先增大再减小，总体变化幅度不大。在机制砂岩性与级配一致的条件下，不同拌合温度的沥青砂浆抗压强度变化幅度不大；当拌合温度为140 ℃～160 ℃时，随着温度的升高，机制砂与沥青充分拌合，两者之间的黏结力好，但是机制砂本身的温度较高(185 ℃)，沥青与它混合时温度随之升高，因此拌合温度在140 ℃～160 ℃时对其影响不明显，抗压强度增幅较小；当拌合温度为160 ℃～180 ℃时，沥青发生老化，机制砂与沥青的黏结力下降，由于机制砂岩性与级配是影响抗压强度的主要因素，因此抗压强度降幅较小。

随着拌合温度的升高，抗拉强度先增大再减小。当拌合温度为140 ℃～160 ℃时，抗拉强度变化不大；当拌合温度为160 ℃～180 ℃时，沥青发生老化，机制砂与沥青的黏结力下降，抗拉强度的降幅较大。

2.2 油石比对沥青砂浆力学性能的影响

油石比对沥青砂浆抗压强度、抗拉强度的影响如图2所示。

图2 油石比对沥青砂浆力学性能的影响

由表6和图2可知：随着油石比的增加，抗压强度、抗拉强度先增大再减小。当油石比为9.0%～10.0%时，随着油石比的增加，机制砂表面与沥青的接触更充分，黏结力更强，抗压强度、抗拉强度逐渐增大[14]；当油石比为10.0%～11.0%时，随着油石比的增加，机制砂相对含量减小，沥青相对含量增大，由于机制砂的刚度远大于沥青，因此抗压强度逐渐减小；当油石比大于最佳油石比时，沥青砂浆中的自由沥青增多，使抗拉强度逐渐减小。

2.3 机制砂级配对沥青砂浆力学性能的影响

机制砂级配类型对沥青砂浆抗压强度、抗拉强度的影响[15]如图3所示。

图3 机制砂级配对沥青砂浆力学性能的影响

由表6和图3可知：随着总比表面的增加，抗压强度逐渐减小。这是因为总比表面越大，机制砂颗粒越细，抗压强度越小。

随着总比表面的增加，抗拉强度逐渐减小。这是因为在油石比一定的条件下，随着总比表面的增加，沥青相对含量降低，与集料的黏结力下降，抗拉强度变小。

3 多因素组合对沥青砂浆力学性能的影响

均匀设计试验结果如表7所示。

表7 均匀设计试验结果

3.1 抗压强度与影响因素的关系

3.1.1 回归分析

将沥青砂浆的抗压强度设为因变量Y1，拌合温度、油石比、总比表面[16]设为自变量X1、X2、X3，显著水平为0.05，对试验结果进行全回归分析，回归方程为

(1)

该方程的相关系数R2=0.999 4。

由式(1)可得：X1、X2、X3的系数均为负，且X1、X2均为二次方，表明试验指标Y1随着X1、X2的增大先增大后减小，随着X3的增大而减小，即抗压强度随着拌合温度、油石比的增大先增大后减小，随着总比表面的增大而减小，与单因素试验结果一致。

由标准回归系数可知，总比表面(机制砂级配)对沥青砂浆抗压强度的影响最大，拌合温度次之，油石比的影响最小。

3.1.2 回归方程及回归系数显著性检验

回归方程及回归系数显著性检验如表8所示。

表8 抗压强度影响因素显著性检验

经显著性检验，Ft=267.7>F(0.05，3，1)=215.7，因此回归方程式(1)显著。

3.1.3 差值分析

根据回归方程式(1)，对每组试验的结果与回归值进行差值分析，结果见表9。

根据差值分析结果，回归方程式(1)得到的回归值与试验结果的最大差值为0.021，差值率为1.105%，表明式(1)能够准确预测试验结果。

表9 抗压强度影响因素差值分析结果

3.2 抗拉强度与影响因素的关系

3.2.1 回归分析

将抗拉强度设为因变量Y2，拌合温度、油石比、总比表面设为自变量X1、X2、X3，显著水平为0.05，对试验结果进行全回归分析，回归方程为

(2)

该方程的相关系数R2=0.999 9。

由式(1)可得：X1、X2、X3的系数均为负，且X1、X2均为二次方，表明试验指标Y2随着X1、X2的增大先增大后减小，随着X3的增大而减小，即抗拉强度随着拌合温度、油石比的增大先增大后减小，随着总比表面的增大而减小，与单因素试验结果一致。由标准回归系数可知，总比表面(级配)对沥青砂浆抗拉强度的影响最大，油石比次之，拌合温度的影响最小。

3.2.2 回归方程及回归系数显著性检验

回归方程及回归系数显著性检验如表10所示。