稀浆封层的耐久性研究

魏 宏 ,边秀奇

(天津城建设计院有限公司,天津市 300121)

稀浆封层的耐久性研究

魏 宏 ,边秀奇

(天津城建设计院有限公司,天津市 300121)

稀浆封层在路面的养护中起到防水、抗滑等作用,它的耐久性直接影响着路面的使用性能和使用寿命。为了研究稀浆封层的耐久性,进行了水稳定性和抗滑性能两方面的试验,分析水泥含量、油石比对水稳定性的影响以及沥青含量、温度变化条件对抗滑稳定性的影响。研究发现,水泥含量和油石比对稀浆封层耐久性有很大的影响,油石比的选择要根据混合料的级配进行选择,同时冻融循环的湿轮磨耗试验表明了稀浆封层能在剧烈的温度条件变化下保持良好的耐久性。

稀浆封层;耐久性;试验研究;水稳定性;抗滑性能

0 引言

随着交通事业的迅猛发展,重载交通逐渐增多,公路使用中早期破坏的现象也日益显著,这使得人们对预防性养护技术越来越重视。在我国,稀浆封层技术被广泛应用于公路养护中,形成了成熟的技术体系,但是与国外应用情况相比,国内在使用过程中呈现出易损、使用寿命短等现象。大量研究表明,耐久性不足是导致稀浆封层性能降低的重要因素之一［1］。本文从稀浆封层的水稳定性和抗滑稳定性两方面对其稳定性进行研究,这对提高稀浆封层的稳定性,增长使用寿命和改善使用性能有着重要的现实意义。

1 稀浆封层耐久性评价指标

路面性能主要分为功能性能和结构性能两方面。从结构性能方面讲,耐久性主要是指路面结构能够具有足够的强度和抗变形能力;从功能性能方面讲,主要指路面具有良好的温度稳定性、水稳定性、抗滑性能和耐疲劳性能［2］。稀浆封层在路面结构中的作用本身不是受力层,所以结构性能方面主要研究其作为养护方式的稳定性和耐久性,功能性能只需研究抗滑性能。本文对稀浆封层的耐久性研究主要从水稳定性和抗滑性能两方面进行。

(1)水稳定性

目前还没有统一的标准试验方法来评价稀浆封层的水稳定性。《微表处和稀浆封层的技术指南》中指出,稀浆封层混合料的水稳定性可以通过浸水6 h的湿轮磨耗值进行评价,但是这种方法主要用来定性评价不同级配稀浆封层的水稳定性,并未提出可以定量评价其水稳定性的指标［3］。本文在湿轮磨耗试验的基础上提出了湿轮磨耗值随时间的变化率作为指标来评价稀浆封层的水稳定性,若变化率小,说明其水稳定性较好。

(2)抗滑性能

路面的抗滑性是指轮胎在制动时在路表面滑移产生的摩阻力,抗滑性能的大小主要取决于路面的粗糙程度。沥青混合料的抗滑性一般会采用摩擦系数和构造深度进行评价［4］。稀浆混合料是一种细级配的混合料,在荷载的作用下构造深度变化比较明显,因此本文采用构造深度作为抗滑性能的评价指标。

2 稀浆封层的耐久性试验

2.1 水稳定性试验

本次试验所采用的试验仪器为湿轮磨耗试验仪。试验用乳化沥青为天津某工程用沥青,该乳化沥青满足稀浆封层用乳化沥青的技术规范要求。为了研究乳化沥青的用量对稀浆封层耐久性的影响,本文选用4种乳化沥青的用量的稀浆封层混合料,即6.5%、7.5%、8.5%、9.5%。级配类型根据拌合试验和破乳试验最终定为ES-3型级配上限。本试验选用水泥作为填料,稀浆封层技术指南中规定水泥用量必须控制在0～3%,所以本文为了研究不同水泥含量对稀浆封层耐久性的影响,将水泥的添加量定为0、1%、1.5%、2%、2.5%,试验所用水泥为硅酸盐水泥。

试验试件根据《微表处和稀浆封层技术指南》中制作试件的方法进行制作。本试验是将试件分别浸水4 d、8 d、12 d、16 d,测定试件在不同水泥含量和不同油石比的情况下磨耗值的变化情况。

2.2 抗滑性能试验

本文的抗滑性能试验主要是在上述的水稳定性试验基础上进行的。测定试件不同浸水时间前后的构造深度,同时又添加一组冻融循环试验,测定冻融循环前后的构造深度变化。本文的构造深度试验是通过传统的试验方法——铺砂法进行试验,原理是在所要测试的路表上下摊铺一定体积的砂,量取摊平覆盖的面积的直径［5］。公式如下:

式中:TD为构造深度,mm;D为摊开砂的平均直径,mm。

3 稀浆封层的水稳定性分析

(1)水泥含量对稀浆封层水稳定性的影响

本试验的水泥用量分别为0、1%、1.5%、2%、2.5%五个等级,相对应的采用了4个油石比,分别是6.5%、7.5%、8.5%、9.5%。不同油石比的湿轮磨耗值随浸水时间的变化结果如图1～图4所示。

图1 6.5%油石比的湿轮磨耗值变化图

图2 7.5%油石比的湿轮磨耗值变化图

图3 8.5%油石比的湿轮磨耗值变化图

图4 9.5%油石比的湿轮磨耗值变化图

从上面4个图可以看出,在相同油石比的情况下不同水泥含量对湿轮磨耗值增长率产生的影响是不同的,不同的油石比都有相对应的不同的最佳水泥含量。相比较而言,水泥含量在1%～2%范围内时磨耗值处于相对比较稳定的状态。

同时,还可以发现不加水泥时磨耗值的变化率大致都呈现相同的规律。不加水泥时,湿轮磨耗值在前期的变化非常大,而随着浸水时间的增长逐渐趋于稳定状态,加入水泥的试件湿轮磨耗值在前期并没有这么大的变化,这说明不加水泥致使稀浆混合料的强度形成的速度比较缓慢。实际施工过程中,稀浆封层开放交通的早期会因为强度并未完全形成而产生较大的磨损,不利于稀浆封层保持较好的稳定性。水泥含量在2.5%时,湿轮磨耗值的变化也比较稳定,这说明稀浆封层在此种水泥掺量的情况下能够保持较好的水稳定性。但是,从破乳时间方面来考虑并不利于施工,破乳时间的缩短容易导致稀浆拌合不均匀,从而产生局部损害。水泥含量在1%～2%时,湿轮磨耗值的变化、强度的形成以及破乳时间与其它情况下综合比较更为适中。

在实际的施工过程中,稀浆封层所用混合料不仅要考虑湿轮磨耗值单方面的因素,还要综合考虑拌合时间、破乳时间等多方面的因素［6］。不同的油石比的稀浆封层混合料要选择与之相对应的最佳水泥含量。本试验的结果说明,水泥含量的不同会对稀浆封层的水稳定性产生较大的影响,适量的水泥含量有利于集料之间的粘结,增强混合料的强度,同时还能提升稀浆封层的水稳定性,因此,水泥含量是影响稀浆封层水稳定性的重要因素之一。

(2)油石比对稀浆封层水稳定性的影响

从上述试验知道,水泥含量对水稳定性产生较大的影响,1%～2%时的水泥含量使稀浆封层具有较好的水稳定性。下面研究不同油石比对稀浆封层水稳定性的影响,将上一部分的数据进行整理,相同水泥含量时不同油石比对湿轮磨耗值增长率的变化如图5～图8所示。

图5 无水泥添加的湿轮磨耗值变化

图6 1%水泥含量的湿轮磨耗值变化图

图7 1.5%水泥含量的湿轮磨耗值变化图

图8 2%水泥含量的湿轮磨耗值变化图

由图5可以看出,在不添加水泥的时候,湿轮磨耗值的变化率随着油石比的增大反而减小。这是因为油石比增大沥青膜的厚度就随之增加,能够增大集料与沥青之间的接触面积,也就直接提高了集料与沥青之间的粘结力,使细集料更好地裹覆在沥青中,使湿轮磨耗值增长率不断减小,降低稀浆封层的损耗［7］。由图6～图8所示,加入水泥后,油石比对水稳定性产生了较大的变化,9.5%油石比的混合料在不同水泥含量情况下都有较好的水稳定性,这和本试验所选级配有关,较多的细集料需要较多的沥青裹覆。所以,根据级配选择合适的油石比是提高稀浆封层水稳定性的重要途径之一。

4 稀浆封层的抗滑性能分析

(1)沥青含量对抗滑耐久性的影响

为了研究沥青含量对稀浆封层抗滑性能的影响,对进行完的湿轮磨耗试验的试件进行构造深度试验,试验结果如图9所示。从图9可以看出,在前三次试验中不同油石比的试件构造深度降低较快,随着试验次数的增加降低速度逐渐减慢,构造深度也逐渐趋于稳定。油石比为6.5%时,构造深度偏大,这是因为乳化沥青用量较少不能将集料完全裹覆,从而使得纹理深度较大而造成构造深度偏大［8］。当采用较大油石比时,如本试验的8.5%～9.5%时,混合料既包括粘结集料的结构沥青,还有一定含量的自由沥青。自由沥青既能够填充在集料的空隙内,也能够填充在集料表面的凹槽中,有效地降低了路面的构造深度。经过5次试验后,构造深度都基本稳定在0.8 mm左右,说明这种情况下稀浆封层具有较好的抗滑耐久性。

图9 不同油石比的构造深度随试验次数的变化

(2)温度条件对抗滑耐久性的影响

为了研究温度变化对稀浆封层抗滑耐久性的影响,通过改变温度条件进行了两组试验。首先在-10℃温度条件下将试件统一冷冻16 h,随后将试件分成两组:一组是将冷冻过的试件在常温条件下(大约25℃)的水中融解8 h后测定构造深度;另外一组是在50℃水中融解8 h后测定构造深度。构造深度的测定结果如图10、图11所示。

图10 常温下融解的试件构造深度随冻融周期的变化

图11 50℃下融解的试件构造深度随冻融周期的变化

图9是在非冻融条件下进行试验的构造深度变化结果,将图10和图11与图9进行比较可以看出,这三组试验的构造深度变化趋势基本一致。这三组试验的试件的构造深度都在第三次试验后趋于稳定,而且稳定后的构造深度都基本在0.8 mm左右。稀浆封层在成型时不进行碾压,所以实验前的构造深度都比较大,经过两到三次的冻融循环之后,试件表面石料在磨耗轮的作用下逐渐磨光,使试件的抗滑能力逐渐趋于稳定［9］。由此可以得出结论,温度条件的循环变化对稀浆封层抗滑性能和抗滑耐久性的影响不大。

5 结论

本文通过湿轮磨耗试验和构造深度试验,研究了不同水泥含量和油石比对稀浆封层水稳定性的影响,并通过对比不同油石比和不同温度变化条件下试件构造深度的变化,分析了沥青含量以及温度变化对稀浆封层抗滑稳定性的影响。

(1)水泥含量对稀浆封层的水稳定性具有较大的影响,最佳水泥掺量要根据不同的油石比来确定,才能使稀浆封层具有较好的稳定性。

(2)不同油石比对稀浆封层水稳定性产生不同的影响,最佳油石比应根据混合料的级配进行确定。

(3)较大的油石比能够在一定程度上提高稀浆封层的抗滑性能,而环境温度的变化对抗滑性能和抗滑稳定性产生的影响不是很大。

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U416.2

A

1009-7716(2015)03-0163-04

2014-12-10

魏宏(1972-),女,河北武安人,高级工程师,从事道路设计工作。