MS-7型超粗微表处组成设计与路用性能研究

2023-10-27古洋朱瑞峰吴旭阳

公路与汽运 2023年5期

古洋, 朱瑞峰, 吴旭阳

(中冶赛迪工程技术股份有限公司, 重庆 400013)

在行车荷载及自然环境等因素综合作用下,沥青路面产生车辙病害。部分车辙在达到破坏临界深度12.5 mm时会持续发展[1-2],到处理修复时深度已达到25～30 mm。微表处修复车辙是目前常用的技术方案[3-6],但MS-3、MS-4型(最大粒径13.2 mm)[7]和MS-6型(最大粒径20.0 mm)微表处[8]用于修补深度25～30 mm车辙时需要多层摊铺。根据JTG F40—2004《路沥青路面施工技术规范》,微表处分层摊铺时,第一层摊铺后至少应开放交通24 h后方可进行第二层摊铺[9]。多层微表处修复车辙一方面会使封闭交通时间延长,另一方面多层微表处交界面处强度较低,内部粗集料较少,没有形成骨架结构,易产生新的车辙。采用单层微表处修复车辙,修复后即可开放交通,还可避免二次车辙的产生。因此,亟待开发更大粒径微表处,用单层微表处修复深度25～30 mm的车辙病害。本文研究最大粒径31.2 mm的MS-7型超粗微表处组成设计,对比超粗微表处与多层微表处的抗车辙性能,为超粗微表处设计及25～30 mm车辙修复提供参考。

1 基于最大密度级配曲线理论的MS-7型超粗微表处级配范围

目前混合料级配设计理论主要有最大密度级配曲线理论和粒子干涉理论。考虑到采用粒子干涉理论设计的间断级配内摩阻力大,稀浆混合料不易拌和、摊铺[10],采用最大密度级配曲线理论初步设计MS-7型超粗微表处级配,计算公式见式(1)。由于式(1)为无穷级数,没有最小粒径限制,会造成矿粉含量过高,对于传统热拌沥青混合料,易造成高温稳定性不足。但对于稀浆混合料,矿粉含量偏高是有利的,甚至是必须的。

P=100(d/D)n

(1)

式中:P为不同等级集料的通过率(%);d为分级集料的粒径(mm);D为集料的最大粒径(mm);n为试验指数。

将按照最大密度理论计算的级配与目前普遍采用的MS-3型级配进行比较,结果见表1。由表1可知:MS-3型级配中值中2.36 mm及以上粒径的通过率分布在最大密度线(n=0.45)以上,1.18 mm及以下粒径的通过率与最大密度线基本一致,即MS-3型级配与最大密度线大致吻合,集料略偏细,有利于减小集料内摩阻力,改善和易性。n=0.3～0.7时按最大密度公式计算的级配范围与MS-3型级配范围有较大部分重合。因此,初步确定MS-7型超粗微表处级配设计中n值为0.3～0.7。

表1 MS-3型级配和按最大理论密度计算的级配对比

2 基于和易性的MS-7型超粗微表处级配范围

2.1 级配类型及最大密度曲线n值对内摩擦角的影响

集料的内摩阻力对稀浆混合料的拌和性及和易性影响较大。由于集料本身并无黏聚力,不同规格集料混合后内摩阻力大小主要取决于内摩擦角,采用直剪仪测试不同级配类型微表处的内摩擦角。不同级配类型微表处的抗剪强度及内摩擦角见图1,其中ES-1、MS-2和MS-3型级配均为《微表处和稀浆封层技术指南》[11]推荐的级配范围中值,MS-7型超粗微表处级配为最大密度曲线n取0.45时的级配。最大密度曲线不同n值时MS-7型超粗微表处的抗剪强度及内摩擦角见图2。

图1 不同级配类型微表处的抗剪强度及内摩擦角测试结果

图2 最大密度曲线不同n值时MS-7型超粗微表处的抗剪强度及内摩擦角测试结果

由图1可知:不同级配类型微表处的抗剪强度及内摩擦角随着最大粒径的增加而增大,级配类型由ES-1型变化为MS-7型时,抗剪强度及内摩擦角分别增大60%、30%。MS-7型超粗微表处的内摩阻力相对常规微表处明显增加,导致施工和易性降低,施工较困难。

由图2可知:随着最大密度曲线n值的增大,MS-7型超粗微表处的抗剪强度和内摩擦角整体呈增大趋势。n值从0.3增大到0.6时,抗剪强度和内摩擦角分别增大38%、17%;但n值从0.4增大到0.5时,抗剪强度和内摩擦角变化不明显。为获得较好的施工和易性,MS-7型超粗微表处级配中最大密度曲线n值不宜过大。

2.2 基于和易性的级配范围优化

由于MS-7型超粗微表处的内摩阻力较大,且最大密度曲线中不同n值会影响内摩阻力,进而影响施工性能,进行不同n值及不同用水量下施工和易性测试,试验中固定油石比为7%,施工和易性以砂浆稠度仪测定的稠度值表征。试验结果见表2。

表2 最大密度曲线不同n值时MS-7型超粗微表处的施工和易性测试结果

由表2可知:相同用水量下,不同n值时MS-7型超粗微表处的施工和易性差别较大。整体趋势为n值增大,内摩阻力增加,和易性降低。结合工程经验,稠度为2～3 cm时施工和易性最佳。同时MS-7型超粗微表处施工厚度大,水分不易挥发,成型较慢,用水量不宜超过10%。综上,满足施工和易性要求的最大密度曲线n值为0.3～0.6。

根据最大密度曲线级配理论及施工和易性要求,确定MS-7型超粗微表处的级配范围为最大密度曲线n为0.3～0.6对应的级配范围(见表3)。

表3 MS-7型超粗微表处的级配范围

3 MS-7型超粗微表处的油石比

参考《微表处和稀浆封层技术指南》,取表3中级配中值,通过湿轮磨耗试验和负荷车轮黏砂试验确定MS-7型超粗微表处的油石比范围。根据试验结果(见表4)及试验段状况,满足规范要求的MS-7型超粗微表处的油石比为5.0%～7.0%。

表4 不同油石比下MS-7型超粗微表处的湿轮磨耗试验和负荷车轮黏砂试验结果

4 MS-7型超粗微表处的开放交通时间

MS-7型超粗微表处的最大粒径为31.5 mm,摊铺厚度达3 cm,水分耗散慢。为加快MS-7型微表处的成型,尽快开放交通,在微表处混合料中掺入少量水泥和速凝剂。此外,微表处成型速度与外界温度有关。为分析不同因素对MS-7型微表处成型速度的影响,以水泥掺量、速凝剂掺量和温度为试验因素,每个因素选择3个水平,以L9(34)正交表分析不同因素及水平组合下MS-7型超粗微表处的开放交通时间。水泥采用P.O42.5,集料采用玄武岩,乳化沥青采用中裂快凝型SBR改性乳化沥青,速凝剂采用自制复配型试剂。正交试验表及试验结果见表5,试验结果的极差和方差分析见表6。

表5 不同因素及水平组合下MS-7型超粗微表处的开放交通时间

表6 不同因素及水平组合下MS-7型超粗微表处开放交通时间的极差和方差分析

由表6可知:3种因素对开放交通时间的影响程度从大到小依次为温度、速凝剂掺量和水泥掺量,温度的影响最明显,水泥掺量的影响不显著。水泥掺量为3%、速凝剂掺量为0.9%时MS-7型超粗微表处的开放交通时间最小,故确定水泥掺量为3%、速凝剂掺量为0.9%。宜在气温较高时进行MS-7型超粗微表处施工。在较高温度条件下,水泥掺量为3%、速凝剂掺量为0.9%时,开放交通时间可控制在3 h以内。

5 MS-7型超粗微表处的路用性能

通过轮辙变形试验分析3层MS-3型微表处、MS-3型+MS-5型微表处、MS-5型+MS-3型微表处、单层30 mm厚MS-7型微表处的抗车辙性能。其中:MS-3型级配为《微表处与稀浆封层技术指南》中级配范围中值,沥青用量为7%,单层摊铺厚度为10 mm;MS-5型级配为n=0.45最大密度线级配,最大粒径为20 mm,沥青用量为7%,单层摊铺厚度为20 mm;单层30 mm厚MS-7型微表处级配为n=0.45最大密度线级配,沥青用量为7%。3层MS-3型微表处、MS-3型+MS-5型微表处、MS-5型+MS-3型微表处的总摊铺厚度均为30 mm。每种微表处类型进行5组平行试验,试验结果见图3。

图3 不同微表处组合及MS-7型微表处的轮辙试验结果

由图3可知:MS-7型微表处的车辙深度率最大值为2.2%,平均值为1.6%;宽度变形率最大值为2.4%,平均值为1.4%。其他微表处组合的车辙深度率最大值均大于3%,平均值均大于2%;宽度变形率最大值均大于4%,平均值均大于3%,且3层MS-3型组合的轮辙变形大于其他两种双层组合。表明MS-7型微表处的抗车辙性能远优于多层微表处,双层微表处的抗车辙性能优于3层微表处。这主要是由于单层微表处受力时 “顶天立地”的最大粒径碎石直接将荷载传递给地面,最大粒径碎石不发生位移和改变,因而厚度变化较小,抗车辙性能较强;双层或多层微表处受力时,最大粒径碎石沿接触面滑动,微表处厚度变薄,经车辆反复碾压产生车辙。