高寒山区沥青路面常温灌缝材料的制备及性能研究

晏 超 陈辉强

(重庆交通大学土木工程学院 重庆 400074)

0 引 言

我国西部山区气候寒冷、昼夜温差大以及紫外辐射强,沥青路面更易出现开裂病害问题[1-4].在行车荷载、水,以及恶劣的环境因素作用下,沥青路面裂缝极可能演变成为龟裂、网裂和坑槽等严重病害[5].

采用灌缝材料灌缝的方法是沥青路面裂缝处治中性价比最优的方式[6-8],而高寒山区特殊气候环境与重载交通环境对灌缝材料要求更高[9-10]:①极端气温低,要求灌缝材料具有良好的低温性能;②昼夜温差大,裂缝在升温-降温循环过程中热胀冷缩,要求灌缝材料具有优良的变形能力与耐疲劳性能;③重载交通环境要求灌缝材料具有优异的黏结性能.热灌类材料使用较早且应用较为普遍,但其在高寒山区自身易出现低温开裂和疲劳开裂等病害,在灌缝施工中也会因温度下降过快而导致其黏度迅速增大在裂缝表面凝固,无法充分渗入裂缝深处,影响灌缝材料与裂缝壁的黏结强度[11].常温灌缝材料施工简便,在低温条件下也具有良好的流动性和渗透性,能够渗入裂缝深处,但大多数常温灌缝材料黏结性能与变形能力稍显不足,不适用于高寒山区.因此,文中将综合高寒山区气候对灌缝材料性能及施工方面的要求,研制一种低温性能优良、施工性能优良及与裂缝壁有良好黏结性能的常温型灌缝材料(简称CW-GHG,下同).

1 试验部分

1.1 试验材料

基质沥青选用与改性剂有良好相容性的GS90#,性能指标见表1.改性剂选用岳阳某公司生产的星型SBS(YH-801).增黏剂选用广州某公司生产的古马隆树脂,性能指标见表2.溶剂选用济南铭威化工有限公司生产的工业异构级二甲苯.

表2 古马隆树脂质检报告单

1.2 制备工艺

工艺制备流程对灌缝材料性能有明显影响,经室内试验参考对比,确定常温型灌缝材料制备流程如下.

步骤1以基质沥青为基准,称取一定掺量的二甲苯与SBS改性剂,室温下控制搅拌装置转速在(100±20) r/min范围内搅拌3 min,停止搅拌,静置至溶液呈无颗粒透明状态,得到溶液A.

步骤2再将一定量的古马隆树脂加入溶液A中,继续以相同转速搅拌3 min,静置溶液至无颗粒状态,得到溶液B.

步骤3将GS90#沥青在100℃烘箱中保温至熔融,取定量沥青加入至溶液B中,继续以(50±10) r/min的转速搅拌5 min,即制得常温型灌缝材料CW-GHG .

1.3 性能测试

三大指标、弹性恢复率及常温黏度试验参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的方法.低温柔韧度参考GB/T 16777—2008《建筑防水涂料试验方法》的方法进行测试.测力延度参考NB/SH/T 0814—2010《沥青材料测力延度试验法》的方法进行测试,采用SYD-4508G-1型沥青延度试验器.拉伸试验参考GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》中的拉伸试验方法,分析灌缝材料的拉伸强度与断裂伸长率.拉拔试验采用MTS万能试验机进行测试,参考试验规范ASTM C1583-04的方法进行测试.抗剪强度采用万能试验机进行测试,参考JTG/T3364—02-2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》的方法进行测试.

2 试验与结果讨论

2.1 常温型灌缝材料的制备

2.1.1二甲苯用量范围

考虑到SBS、古马隆树脂及沥青均属热塑性树脂,低掺量的SBS与古马隆树脂对常温型灌缝材料黏度影响与基质沥青对常温型灌缝材料黏度影响差异较小,故文中通过研究二甲苯用量对基质沥青黏度影响来确定二甲苯用量的大致范围.试验设计见表3,试验结果见图1.

表3 二甲苯掺量变化试验表

图1 25℃条件下二甲苯用量对基质沥青黏度的影响

参考文献[12]中改性沥青在135℃时黏度不超过3 Pa·s和常温沥青在60℃时黏度不超过3 Pa·s的要求,结合室内相关流动度试验,建议常温灌缝材料在25℃黏度要求也不大于3 Pa·s,兼顾二甲苯的挥发速度,因此初步确定二甲苯用量范围不低于25%(以基质沥青100份为基准).

2.1.2正交试验设计

采用正交试验设计方法,通过三大指标、5℃弹性恢复率及25℃布氏黏度确定常温型灌缝材料各组成材料的合理掺量.以SBS、古马隆树脂及二甲苯为3因素,分别为A,B,C,其掺量(质量百分比)变量确定三个水平,按L9(33)正交表安排试验,得到正交试验方案设计表见表4.

表4 常温灌缝材料的正交试验方案设计 单位:%

制得九种配比的常温型灌缝材料,因常温型灌缝材料在常温下呈液态,除黏度外都无法直接进行试验,需将其恒温蒸发至重量不发生变化,再测试蒸发残留物的三大指标与弹性恢复率.测试结果见表5.

表5 常温灌缝材料的正交试验结果

2.1.3正交试验数据处理及分析

对表5进行极差分析,结果见表6.其中Kn为某一因素下第n个水平所对应的试验指标和,kn为对应Kn的平均值.

表6 正交试验直观分析结果

在正交试验数据处理中,极差R越大,则对应的影响因素越重要.由表6中通过正交试验处理后的数据,分析各因素对各指标影响的主次关系,见表7.

表7 各因素的影响顺序与最优水平

针对于高寒山区所使用的常温灌缝材料,以5℃延度和5℃弹性恢复率作为选择掺量的关键指标.结合表6～7,因素A对5℃延度及5℃弹性恢复率指标影响最大,最优水平都为2;因素B对5℃延度指标影响排在第二位,对5℃弹性恢复率的影响排在第三位,最优水平分别为1、2,综合考虑因素B选择水平1;因素C直接影响常温灌缝材料的施工和易性,以25℃黏度指标确定最优水平为2.常温灌缝材料确定各因素最优水平为A2B1C2,即SBS掺量为5%,古马隆树脂掺量为7%,二甲苯掺量为30%.

2.2 常温灌缝材料的性能评价

2.2.1低温性能

1) 低温柔韧度 称取(80.0±0.1)g的灌缝材料,倒在规格为10 mm×10 mm的牛皮纸上,用抹刀抹平,冷却后将其切取出8 mm×2 mm的试片,将试片与直径1 cm的圆棒放入已调好温度的冰箱中,保温2 h,打开冰箱后在3～4 s内将试片绕圆棒半周,出现裂纹时的温度即为低温柔韧度.试验结果见图2.

图2 低温柔韧度

低温柔韧度越低,灌缝材料的低温柔性越优良.由图2可知:三种灌缝材料低温柔韧度的大小依次为:CW-GHG>SRH>RB.CW-GHG的低温柔韧度是SRH的1.31倍,是RB的2.13倍,可见CW-GHG具有比另外两种灌缝材料更优良的低温柔韧性,对高寒山区沥青路面裂缝的形变具有良好追从性.

2) 5℃弹性恢复试验 弹性恢复率即测定采用延度试验仪拉伸一定长度后可恢复变形的百分率,3种灌缝材料的5℃弹性恢复率测试结果见图3.由图3可知:CW-GHG低温下的弹性恢复率高达61%,分别约为RB和SRH弹性恢复率的3.21倍和1.74倍,远远高于其他两种灌缝材料,表明其在试验温度下具有较好的低温韧性和弹性.

图3 弹性恢复率

3) 测力延度 三种灌缝材料在5℃时拉伸速率为50 mm/min试验条件下的测力延度曲线图见图4.

图4 三种灌缝材料测力延度曲线

采用测力延度计算公式计算三种灌缝材料的性能指标,具体结果见表8.

由表8可知:拉伸柔量反映了材料在低温条件下的变形和拉伸作用,其值越大,则低温性能越差;屈服应变能是荷载试样所做的功,其值越大,则低温性能越差.在5℃试验温度下,三种灌缝材料拉伸柔量与屈服应变能的大小顺序均为:RB>SRH>CW-GHG,表明低温性能的优劣顺序为:CW-GHG>SRH>RB;韧性比值是测力延度试验中的重要评价指标,韧性比越大,则灌缝材料低温抗裂性能就越强,在试验温度下,CW-GHG韧性比值远大于SRH和RB,这表明其比另外两种灌缝材料具有更好的低温抗裂性能.

表8 3种灌缝材料测力延度的计算结果

2.2.2变形能力

参考规范GB/T2567—2008中的拉伸试验方法分别测试了三种灌缝材料在-15、0和15℃温度下的断裂伸长率,测试结果列于表9.

表9 3种灌缝材料在不同温度下的断裂伸长率

由表9可知:3种灌缝材料的断裂伸长率均随着温度的上升而上升,且CW-GHG的断裂伸长率在试验温度内远大于其他两种灌缝材料,试验表明CW-GHG在低温条件下比另外两种灌缝材料具有更优良的拉伸和变形能力,更适宜在高寒山区修补裂缝使用.

2.2.3黏结性能

自制模拟裂缝壁的试件进行拉拔试验,从成型AC-13沥青混凝土车辙板上取规格为10 cm×3.5 cm×3.5 cm的试样,在其中部制造裂缝,沿裂缝将其分为两部分,不规则断裂面即为实际路面中与灌缝材料黏结的裂缝壁,两对应裂缝壁由灌缝材料黏结制成试件.图5为试样制备前后及试验过程.

图5 拉拔试验

分别测试3种灌缝材料黏合后的试件在-20、0及20℃下的断面黏结强度,因无法准确得知断裂面面积,故计算过程中采用断裂面投影面积,为减小试验数据误差,每组试验平行试样5个,取平均值为拉拔试验结果,见图6.

图6 裂缝黏结强度试验结果

由图6可知:3种灌缝材料都表现出了较强的温度敏感性,拉拔强度均随着温度升高而出现显著的降低.因计算过程中采用接触面投影面积,拉拔试验结果较实际值偏大,但变化规律保持一致.试验表明在同一温度下,3种灌缝材料的拉拔强度大小顺序为:CW-GHG>RB>SRH,CW-GHG在试验温度内表现出比另两种灌缝材料更优异的黏结性能.

2.2.4灌缝体系的抗剪性能

对道路裂缝进行灌缝处理后,就形成了裂缝壁-灌缝材料-裂缝壁的体系,在行车荷载的作用下两边裂缝壁的错位位移对灌缝材料的抗剪性能提出较高要求[14].

将自制成型的AC-13沥青混凝土车辙试件切割成50 mm×50 mm×100 mm的试块,选择切割面作为裂缝壁,制备灌缝宽度为1 mm的试件.试验采用MTS万能试验机,试验温度为-20、0及20℃,拉伸速率为50 mm/min,倾斜角为60°.图7为三种灌缝材料在三种温度下的最大剪切力试验结果.

图7 最大剪切力试验结果

由图7可知:在试验温度范围内,灌缝材料最大剪切力随着温度上升而表现出线性减小的变化规律.温度由-20℃升高至20℃范围内,CW-GHG的最大剪切力从18.63 kN降到4.25 kN,下降幅度为77.19%;RB的最大剪切力从15.76 kN降到2.75 kN,下降幅度为82.55%;SRH最大剪切力从13.51 kN降至1.82 kN,降幅为86.53%.由此可知:温度对于灌缝材料的最大剪切力影响显著,温度越低灌缝材料越硬实,需要较大的力才能使其破坏.三种灌缝材料的降幅大小顺序为CW-GHG

图8为不同温度下3种灌缝材料的剪切变形图.

图8 不同温度下3种灌缝材料剪切力-变形量曲线图

由图8可知:随着温度的上升,灌缝材料达到最大剪切力值发生剪切破坏时,对应的变形量相应增大.这是由于温度从-20℃升至20℃过程中,灌缝材料流变性增强,发生剪切破坏时所需要变形就越大.剪切破坏变形量能够表征灌缝材料抵抗变形能力,在试验温度内,RB和SRH的变形曲线比CW-GHG更早达到抗剪承载力极限,且峰值剪切力明显更低,这说明CW-GHG具有更优良的抗剪切变形能力.

表10为3种灌缝材料在不同温度下的破坏功,由表10可知:在同一温度下,不同灌缝材料间相比,CW-GHG在发生剪切破坏过程中所消耗的能量比另外两种灌缝材料高,这表明CW-GHG具有更优良的抗剪切能力.

表10 不同温度下灌缝材料破坏功

3 结 论

1) 通过正交试验设计方法确定了常温型灌缝材料CW-GHG合理配比为m(90#基质沥青)∶m(SBS)∶m(古马隆树脂)∶m(二甲苯)=100∶5∶7∶30.

2) CW-GHG低温柔度为-17,5℃延度为68.7cm,5℃弹性恢复率为61%,-15℃断裂伸长率能达到12.7%,表明其具有优良的低温性能、拉伸性能和变形能力,适宜高寒山区修补裂缝使用.

3) 试验温度由-20℃升至20℃时,CW-GHG黏结强度由1.297降至0.623 MPa,且在同一温度下高于RB与SRH的黏结强度,表明CW-GHG与裂缝壁具有更优良的黏结性能.

4) 最大剪切力与破坏功这两个指标都表明CW-GHG与裂缝壁组成的灌缝体系具有较好的抗剪切能力,由剪切破坏变形量可知CW-GHG还具有良好的抗剪切变形能力.