开普封层低温抗裂性能影响因素研究

王汉成

(甘肃省临夏公路事业发展中心,甘肃 临夏 731100)

1 工程概况

G568线起点位于兰州,终点位于碌曲,途径兰州、永靖、东乡、临夏、合作、碌曲,是我国一条由北向南的国道。该段落于2006年建成通车,目前已运营13年。期间在2013年对临夏至合作段进行过维修改造。

2 参数确定

2.1 稀浆封层的配合比

采用稀沥青浆作为上表面的开普封层,根据规范要求稀沥青的厚度为60 mm,沥青中矿物骨料的颗粒级配采用ES-2型。采用的沥青类型为速凝阳离子乳化沥青,标号为70,详细参数见表1。

表1 沥青指标参数

根据实验室的预试验结果,沥青和矿物骨料最佳的油石比应采用8%;其中骨料∶沥青∶水=100∶18∶11。根据特定比例制备的沥青掺合料参数指标见表2。

表2 沥青掺合料参数指标

2.2 SBS改性沥青碎石封层

选择两种不同粒径的单一级配碎石作为开普封层沥青的碎石封层。碎石粒径为4.75 mm和9.5 mm,SBS沥青产自四川某新材料公司,型号为MC-1,基本技术参数见表3。

表3 SBS沥青基本技术参数

采用平铺的方式将等粒径的碎石平铺在尺寸为0.3 m×0.3 m×0.05 m的模具中,计算出碎石与模具底面的接触面积,以比例的方式记录接触面积与模具底面积的比值,将此比例定义为碎石撒布量。由上述方法计算得出碎石直径为4.75 mm时的碎石撒布量约为8.5 kg/m2。为了便于计算,设计碎石撒布量的取值从大到小依次是8.5 kg/m2、8 kg/m2、7.5 kg/m2、7 kg/m2,采用上述4种碎石撒布量进行沥青碎石符合材料的拉伸试验。由上述方法计算得出的碎石直径为9.5 mm时碎石撒布量约为11.5 kg/m2。为了便于计算,设计碎石撒布量的取值从大到小依次是11.5 kg/m2、11 kg/m2、10.5 kg/m2、10 kg/m2,采用上述4种碎石撒布量进行沥青碎石符合材料的拉伸试验。在实际工程中使用聚合物对沥青进行改性时,一般将撒布量定在1.4～2 kg/m2。本文结合工程实际与施工现场的地质水位环境,选择了2 kg/m2、1.8 kg/m2、1.6 kg/m2、1.4 kg/m2等4个撒布量作为实际施工的撒布量试验值。

3 试验方案设计

考虑到本文的实际研究环境,采用SBS碎石改性沥青试块来替代SBS碎石改性沥青开普封层来测试其抗拉强度,并通过这一参数来评价SBS碎石改性沥青在低温环境中抗裂性能。在进行养护和试验时保持温度为-10 ℃。为了更好的研究碎石温度的变化对改性沥青层抗裂性能的影响。选择两种粒径的碎石,采用正交试验法对研究目的进行四水平三因素的设计,具体试验方案见表4。根据表4进行制样,对达到养护龄期的样品进行拉伸试验,试验结果见表5。

表4 试验方案

表5 试验数据

由表5中的数据可知,采取粒径为9.5 mm碎石制备的改性沥青其抗拉强度明显高于粒径为4.75 mm碎石制备的改性沥青。因此,粒径为9.5 mm碎石制备的改性沥青在低温环境中的抗开裂性能超过粒径为4.75 mm碎石制备的改性沥青。

4 结果分析

对表5中的试验数据进行极差分析,讨论在碎石粒径不同时其他的硬性因素对最终试验结果的影响,见表6。

表6 极差分析数据

可知看出,当碎石的粒径为4.75 mm时,碎石撒布量采用水平1、沥青洒布量采用水平1、碎石加热温度采用水平4,得到的改性沥青抗拉强度最大,即在7 kg/m2的碎石撒布量、1.4 kg/m2沥青洒布量、碎石加热到150 ℃时,得到的改性沥青在低温条件下抗开裂性能最优;当碎石的粒径为9.5 mm时,碎石撒布量采用水平1、沥青洒布量采用水平2、碎石加热温度采用水平4,得到的改性沥青抗拉强度最大,即在10 kg/m2的碎石撒布量、1.6 kg/m2沥青洒布量、碎石加热到150 ℃时,得到的改性沥青在低温条件下抗开裂性能最优。将两种不同粒径碎石改性沥青的最优组合作为制样基础,探究当粒径不同时碎石的撒布量、沥青的洒布量、碎石的加热温度对改性沥青抗拉强度的影响。控制沥青的洒布量和碎石的加热温度不变,讨论改性沥青与碎石粒径间的关系,见图1。

图1 改性沥青抗拉强度与碎石粒径间的关系

由图1可知,碎石撒布量与改性沥青抗拉强度的发展呈负相关,即碎石撒布量越大,改性的沥青的抗拉强度越低,并且这一发展趋势不受碎石粒径的影响。分析原因发现,碎石的撒布量越大,碎石与地面的接触面积就越大,改性沥青混合料中沥青的含量就越低。而沥青最主要的胶结物质较少,导致骨料间的黏结力减小,SBS改性沥青的整体密实度下降,在低温环境作用后,抗拉轻度大幅下降,更易出现开裂现象。将两种不同粒径的碎石改性沥青的最优组合作为制样基础,探究当粒径不同时碎石的撒布量、沥青的洒布量、碎石的加热温度对改性沥青抗拉强度的影响。控制碎石的洒布量和碎石的加热温度不变,讨论改性沥青与沥青洒布量间的关系,见图2。

图2 改性沥青抗拉强度与沥青洒布量间关系曲线

由图2知知,当沥青的撒布量达到1.4 kg/m2时,粒径为4.75 mm碎石制备的改性沥青抗拉强度达到最大值,随着沥青撒布量的继续增加,该粒径碎石制备的改性沥青抗拉强度逐渐下降,沥青洒布量与抗拉强度呈负相关;当沥青的撒布量达到1.6 kg/m2时,粒径为9.5 mm的碎石制备的改性沥青抗拉强度达到最大值,随着沥青撒布量的继续增加,该粒径碎石制备的改性沥青抗拉强度先增大后减小,表现为非线性发展的趋势。因为沥青在开普封层中需要自上而下沉降入渗到碎石高度60%以上的位置,才能够将碎石和沥青较好的结合,形成高强的板块状混合物。但在沥青的入渗过程中如果撒布量过大,就会在碎石的上表面形成稀浆层,导致整个开普封层的油量过大,在低温作用后,更容易出现开裂的情况。将两种不同粒径的碎石改性沥青的最优组合作为制样基础,探究当粒径不同时碎石的撒布量、沥青的洒布量、碎石的加热温度对改性沥青抗拉强度的影响。控制碎石的洒布量和碎石的加热温度不变,讨论改性沥青抗拉强度与沥青洒布量间的关系。

由此可以看出,碎石温度的增加对不同粒径改性沥青抗拉强度的影响趋势基本一致,骨料碎石的温度越高,改性沥青的抗拉强度越大,但增长幅度有限。这一现象说明,在进行改性沥青制备时骨料的温度变化对成品的低温抗裂性能影响较小。为了进一步探究当粒径不同时碎石的撒布量、沥青的洒布量、碎石的加热温度对改性沥青抗拉强度影响的波动性,引入变异系数来表示不同的变量对改性沥青低温抗裂性能影响的波动性。变异系数越大则数据的起伏波动越大,该因素对试验结果的影响就越大,对图1、图2中的数据进行变异系数分析,分析结果见图3。

图3 不同影响因素变异系数

由图3可知,不论碎石的粒径是9.5 mm还是4.75 mm,碎石撒布量对改性沥青开普封层抗拉强度发展的波动性最大,变异系数的最大值可以达到11%,且粒径越大,变异系数越大,说明大粒径对改性沥青的低温抗裂性能影响更为显著。在文中涉及的三个影响因素中,沥青的撒布量对改性沥青的低温抗裂性能影响排第二,撒布碎石温度影响最弱。

5 结 论

(1)碎石撒布量与改性沥青抗拉强度的发展呈负相关,即碎石撒布量越大,改性沥青的抗拉强度越低,并且这一发展趋势不受碎石粒径的影响。

(2)碎石温度的增加对不同粒径改性沥青的抗拉强度的影响趋势基本一致,骨料碎石的温度越高,改性沥青的抗拉强度越大,但增长幅度有限。这一现象说明,在进行改性沥青制备时骨料的温度变化对成品的低温抗裂性能影响较小。

(3)碎石撒布量对改性沥青开普封层抗拉强度发展的波动性最大,沥青的撒布量对改性沥青低温抗裂性能影响排第二,撒布碎石温度对改性沥青的低温抗裂性能影响最弱。