含砂雾封层材料母液配比优化与性能研究

崔培强 李梦林 吴少鹏 屈庆余 谢 君

(葛洲坝集团交通投资有限公司1) 430030) (武汉理工大学硅酸盐国家重点实验室2) 武汉 43070)

0 引 言

随着公路养护任务越来越重,在如何使有限的资金科学合理使用的问题上,推广应用预防性养护是一项有战略意义的养护决策[1].雾封层是一种对原路面表面喷洒新鲜沥青以密封路表面的预防性养护技术,具有防止水渗入路面内部,阻止细料失落、松散、软化已老化的沥青,以及改善干涉外貌的功能[2].此外.雾封层技术还具有施工工艺简单,封闭交通时间短,养护成本低的优点[3].但是,传统雾封层施工后,路表面抗滑性能会大幅下降,影响行车安全性.含砂雾封层是基于雾封层技术发展而来的预防性养护技术.施工后,除流入微裂缝中的细砂起到封堵作用外,残留在表面的含砂雾封层材料因细砂的存在,能够形成新的构造深度,减少对原路面抗滑性能的负面影响[4].

考虑到普通乳化沥青25 ℃时的布氏黏度小于100 mPa·s,黏稠度低,难以悬浮住细砂,当前,添加增黏剂、增稠剂、陶土、流变助剂是提升乳化沥青悬砂能力的重要途径[5].根据应用需求,通常将含砂雾封层材料的制备分成两步:①在工厂,生产由乳化沥青、增黏剂、增稠剂、陶土、流变助剂等制备成的具有悬砂功效的母液;②在应用现场,通过机械搅拌的作用,将母液与细砂混合,制成含砂雾封层材料.对于母液,除能悬砂外,还要有较好的储存与应用性能.即母液不仅能长时间稳定储存,还能较容易从设备中喷洒出.因此,如何科学地综合含砂雾封层材料多方面的性能,指导母液的配比优化,是含砂雾封层材料制备的关键.

在多因素的研究中,对每个因素的每个水平进行试验,需要消耗大量的人力物力,采用正交设计可简化问题的分析[6-7].目前,在含砂雾封层材料的开发上,吉增晖等[8-9]采用正交试验对含砂雾封层材料的细砂用量、洒布量、原液固含量进行了分析研究,并依此提出了耐久性含砂雾封层材料关键因素的控制范围,但并未涉及含砂雾封层材料原液,即母液的配比研究.此外,在含砂雾封层材料母液的配比研究中,大多还是侧重于提升母液的悬砂性能[10],而综合母液性能与含砂雾封层材料应用性能的研究较少.

文中探究了不同改性剂对乳化沥青材料体系不同性能的影响规律,通过正交试验方法研究了不同因素对母液性能及含砂雾封层材料应用性能的影响,进而确定可用于母液制备的配比方案.通过对不同配比母液流变特性的研究,计算母液中细砂的不沉粒径,验证正交试验结果的科学性.

1 试验原材料及方法

1.1 试验原材料

试验材料主要有乳化沥青、增黏剂、增稠剂、陶土、水性流变助剂、石英砂.

乳化沥青的固含量为45%,制备乳化沥青用的沥青为70#基质沥青,乳化剂为酰胺类乳化剂,属于阳离子慢裂快凝型.乳化沥青的技术指标如表1所示.

表1 乳化沥青技术指标

增黏剂为水性丙烯酸乳液,固体含量43±2%.稠剂为瓜尔胶,属于非离子多聚糖.陶土为800目硅藻土.石英砂粒度为270～550 μm.

1.2 试验方法

本研究中增黏剂(A)、增稠剂(B)、陶土(C)、流变助剂(D)的掺量水平如表2所示.

表2 不同改性剂掺量水平与掺量对照表

参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》与《微表处与稀浆封层施工技术指南》,本文采用布氏黏度、悬浮指数、黏结强度、磨耗值这四个指标来反映材料的综合性能.

在对不同指标结果进行归一化处理时,采用极差变换法,计算公式如下.

(1)

式中:i、j均为正整数,其中1≤i≤n,1≤j≤m.

通过式(1)的计算,可使指标最优值赋值1,指标最劣值赋予0.在这四个指标中,布氏黏度、悬浮指数、黏结强度归一化后的数值VI、SI、BI这三个属于极大型指标,数值越大,材料性能越好.磨耗值归一化的数值WI为极小型指标,数值越小,材料性能越好.

布氏黏度由Brookfield黏度仪测定,试验温度为25 ℃.

参考乳化沥青贮存稳定性的试验方法,设计母液悬浮试验,采用悬浮指数来评价母液悬砂能力.按母液的质量比,加入25%粒径为270～1 700 μm的石英砂,并在1 000 r/min的速率下,搅拌5 min,即可制得含砂母液.随后将含砂母液倒入容积为300 mL的容器中,静置1 h.最后分别取出上层与下层的含砂母液,以上下两层母液的固含量比值作为悬浮指数.悬浮指数越大,表明上下两部分含砂雾封层材料的固含量差值越小,母液悬砂能力越强.

悬浮指数测试的示意图见图1.

图1 悬浮指数测试示意图

F=(w1/w2)×100%

(2)

式中:F为悬浮指数;w1为上部分固含量;w2为下部分固含量.

黏结强度饰面砖黏结强度检测仪对实干后的含砂雾封层材料进行测试,材料洒布量为1 kg/m2.

采用湿轮磨耗仪对浸水1 h后的试件进行试验,以质量损失值来计算磨耗值,可表征材料耐磨性的大小[11].其中混合料由3～5 mm单一粒径的玄武岩与乳化沥青拌和制得.该级配制得的试件极易磨损,经含砂雾封层材料处理后的试件磨耗值越小,含砂雾封层材料耐磨性越好,对松散集料的固结作用越强.

在多种改性剂共同作用下,乳化沥青材料体系的流变行为由牛顿性向黏塑性转变,流变模式符合Herchel-Bulkey’s流变模式.因此,母液属于赫-巴流体.该流体的流变模式可表达为

τ=τ0+Kγn

(3)

式中:τ为剪应力;τ0为流体屈服应力;K为稠度系数;n为流变指数;γ为切变率.

对于球形颗粒,当沉降速率等于零时,可以求得不沉粒径d0为[12]

d0=6τ0/(ρs-ρf)g

(4)

式中:d0为不沉粒径;τ0为流体屈服应力;ρs为球形颗粒密度;ρf为流体密度;g为重力加速度.

2 结果与分析

2.1 单一改性剂对乳化沥青性能的影响研究

分别将四种改性剂按表2中的四种掺量水平加入乳化沥青中进行改性,不同改性剂不同掺量水平下对四个指标的影响结果如图2所示:

图2 改性剂对四指标的影响结果图

由图2可知,对于布氏黏度,影响程度较大的是改性剂B与C,而改性剂 A与D基本无影响.对于悬浮指数,提升幅度较大的依旧是B与C,而A与D影响也较小.对于黏结强度与磨耗值,有较大影响的改性剂A与D,而改性剂B与C的作用效果较小.

2.2 含砂雾封层材料母液配比优化设计

采取四水平五因素的正交试验的设计方法,进行试验设计(本研究中第五个因素为同一个因素),并对不同配比材料的综合性能进行测试.试验结果如表3所示.

表3 正交试验结果

由表3结果可知,不同配比方案制备的含砂雾封层材料综合性能结果不同,而且这四个指标是从不同的角度来反映材料的性能,存在一定的关联性.

2.2.1指标间相关性分析

由于改性剂A、D主要影响黏结强度和磨耗值,B、C主要影响布氏黏度与悬浮指数.因此,有必要分析研究黏结强度与磨耗值、布氏黏度与悬浮指数的相关性,为正交试验结果的分析提供依据.相关性的结果如图3所示.

图3 相关性结果分析图

由图3可知,布氏黏度与悬浮指数之间有着较好的正相关性,即布氏黏度越大,悬浮指数也越大,悬砂效果越好;而黏结强度与磨耗值有着较好的负相关性.黏结强度越大,磨耗值越小,耐磨性能与固结效果越好.

2.2.2正交试验结果

根据式(1),将表3中的结果进行归一化处理,结果如表4所示.

表4 归一化结果

根据表4中的结果,依次研究不同因素对不同指标的影响.并采用极差分析法来确定不同因素的主次顺序.极差越大,该因素的影响程度越大.可通过该结果来确定最优因素水平的组合.

1) 不同因素对布氏黏度的影响 根据归一化的结果,不同因素对VI值的影响如图4所示,对极差的影响如表5所示.

图4 不同因素对VI值的影响

表5 不同因素对VI值影响的极差

由VI值的正交结果可知,对于VI值,不同因素影响程度的顺序为:B>C>A>D.B与C的极差值很接近,这表明对于布氏黏度指标,起主要作用的是因素B与C.对于该指标,最优的因素组合为:A2B4C3D4.

2) 不同因素对悬浮指数的影响 根据归一化的结果,不同因素对SI值的影响如图5所示,对极差的影响如表6所示.

图5 不同因素对SI值的影响

表6 不同因素对SI值影响的极差

由SI值的正交结果可知,对于SI值,不同因素影响程度的顺序为:C>B>A>D.起主要作用的因素是因素C.对于该指标,最优的因素组合:A2B4C3D4.

3) 不同因素对黏结强度的影响 根据归一化的结果,不同因素对BI值的影响如图6所示,对极差的影响如表7所示.

图6 不同因素对BI值的影响

表7 不同因素对BI值影响的极差

由BI值的正交结果可知,对于BI值,不同因素影响程度的顺序为:A>D>B>C.起主要作用的因素是因素A.对于该指标,最优的因素组合:A4B3C3D4.

4) 不同因素对磨耗值的影响结果 根据归一化的结果,不同因素对WI值的影响如图7所示,对极差的影响如表8所示.

图7 不同因素对WI值的影响

表8 不同因素对WI值影响的极差

由WI值的正交结果可知,对于WI值,不同因素影响程度的顺序为:A>D>C>B.起主要作用的因素是因素A.对于该指标,最优的因素组合:A4B3C3D4.

5) 不同因素对结果的综合性能的影响研究 根据上述的正交结果,对于不同的指标,最优因素组合如表9所示.

表9 最优因素组合综合表

由于不同因素对材料性能的影响不一,因此需综合考虑这四种因素组合,进而确定一个最优的因素组合,用于材料的生产应用.对于VI、SI这两指标,起主要影响作用的是因素B与C,而且两者的影响程度相当,因此在B、C的最优配比为B4、C3.对于BI、WI这两个指标,起主要影响作用的是因素A,其次是D,因此因素A与D的最优方案是A4、D4.因此,最优的因素为A4B4C3D4,即母液的最优配比为:按乳化沥青质量计,A的掺量为15%、B的掺量为0.6%、C的掺量为20%、D的掺量为0.6%.

2.3 母液流变性能研究

根据最优配比、方案8、方案14制备了三种母液,然后再采用流变仪对母液的流变性能进行研究.通过对不同母液不沉粒径的计算,进一步验证正交试验结果的合理性.三种母液的流变结果如图8所示;

图8 不同配比母液的流变性能

由图8结果可知,三种母液的流变行为均能很好地符合赫-巴流变模式.根据式(3)可得,三种母液的屈服强度表10所示.

表10 不同母液屈服强度结果

采用密度计,对三种母液的密度进行测试,并根据式(4),即可得到球形颗粒为石英砂时的不沉粒径.g取值9.8 m/s2,石英砂的密度为2.23 g/cm3.不同母液不沉粒径的计算结果见表11.

表11 母液不沉粒径结果

由表11可知,三种方案对应的不沉粒径依次为0.89、0.61、0.51 mm.因此,通常含砂雾封层材料选用3粒径为270～550 μm的细砂.该粒径范围的细砂易喷出,可在旧路面形成新的构造深度,提升抗滑性能.方案14制备母液的不沉粒径为0.51 mm,介于0.3～0.6 mm之间,对粒径为270～550 μm的石英砂仍具有较好的悬砂效果.而另外两种母液的不沉粒径均大于0.6 mm,能使粒径为270～550 μm的石英砂稳定悬浮在母液中,悬砂能力优异.

这三种母液中,最优配比的不沉粒径最大,即悬砂能力最强.由于母液的流变行为符合赫-巴流体的流变行为,因此具有剪切稀释的特性.虽然母液静置时的屈服应力最大,但是在机械搅拌的作用下,母液黏稠度将会大幅度降低,不会对施工造成过大的负担,影响材料的应用.而且该屈服应力下的母液,悬砂性能稳定,对于常用的粒径为270～550 μm砂具有极强的悬砂效果,这也很好地避免了细砂在母液中沉淀的问题.这也进一步确定了正交试验结果的合理性.

3 结 论

1) 增稠剂和陶土能显著提升乳化沥青的布氏黏度和悬浮指数指标,而增黏剂和流变助剂对这两指标影响不大.增黏剂和流变助剂的加入可增强乳化沥青的黏结强度,降低磨耗值,而增稠剂和陶土的作用效果极小.

2) 基于正交实验的极差分析可得含砂雾封层材料母液的最优配比:按乳化沥青质量计,增黏剂、增稠剂、陶土、流变助剂的掺量为15%、0.6%、20%和0.6%.

3) 不同改性剂的共同作用使得乳化沥青由牛顿流体转变为赫-巴流体,具有剪切变稀的特性.母液的布氏黏度越大,屈服应力越大,细砂的不沉粒径也越大.因此,在母液能稳定存放的前提下,尽可能地提升母液的布氏黏度是提升含砂雾封层材料悬砂性能的关键.