泡沫沥青混合料抗剪强度影响因素

吴佳洪

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东 广州 510507 )

0 引言

车辙作为沥青混凝土路面的典型结构性病害,对交通通行安全影响较大。已有研究成果表明,车辙病害与沥青混合料的抗剪强度密切相关[1]。在荷载作用下,轮胎非均布荷载在路面结构中产生较大的剪切力,导致面层和基层发生剪切破坏。泡沫沥青混合料作为典型的基层材料,其抗剪强度尤为重要,是影响路用性能的关键指标之一[2]。泡沫沥青混合料抗剪强度的影响因素是多方面的,主要包括混合料级配组成、泡沫沥青类型及用量、集料类型、水泥等填料等因素[3]。关于泡沫沥青混合料抗剪强度的研究已取得不少成果[4-6],对提高混合料抗剪强度具有一定的指导意义,但对混合料抗剪强度影响因素的系统研究尚不多,尤其是缺乏对影响因素重要性的权重分析。

本文对泡沫沥青混合料抗剪强度影响因素(沥青发泡性能、沥青用量、水泥掺量、纤维掺量)进行正交组合设计,通过单轴贯入试验评价混合料的抗剪强度,系统分析各影响因素对抗剪强度的相关性及重要性权重,为提高混合料抗剪强度提供参考性方法和技术路径。

1 原材料

1.1 集料

本试验采用辉绿岩集料,其技术指标见表1。

表1 集料性能试验结果

1.2 泡沫沥青

本试验采用中海油70#基质沥青,其技术指标见表2。

表2 沥青技术指标

本文采用沥青发泡机iFoam(图1)对基质沥青进行发泡试验。沥青发泡机将高压条件下的高温沥青与雾状水分混合制成泡沫沥青,通过调整泡沫沥青温度、发泡用水量等指标测试泡沫沥青的膨胀率和半衰期指标,综合评价沥青的发泡性能。以中海油70#基质沥青为研究对象,进行沥青发泡试验,试验结果见表3。

图1 沥青发泡机

表3 沥青发泡试验结果

试验数据显示,中海油70#基质沥青的沥青温度为140℃～170℃,半衰期范围为24.7～50.3s,膨胀比范围为12～29倍,满足泡沫沥青冷再生混合料中沥青发泡的最低要求[7]。

泡沫沥青的发泡性能直接影响沥青在混合料内部结构的空间分布。在泡沫沥青用量不变的前提下,沥青发泡性能对混合料内聚力具有一定程度的影响,也间接制约混合料的抗剪强度性能。因此,本试验将沥青发泡性能也遴选为一个影响因素,探索其对混合料抗剪强度的相关性。为便于开展后续的正交试验设计,依据中海油70#基质沥青的发泡性能试验数据,可将中海油70#基质沥青的发泡性能分为三个水平(表4)。

表4 沥青发泡性能

1.3 水泥

水泥的性能指标见表5。

表5 水泥主要性能指标

1.4 聚丙烯纤维

本试验选用聚丙烯纤维,其性能指标见表6。

表6 纤维主要性能指标

2 正交试验

结合泡沫沥青混合料抗剪强度的相关研究成果,同时考虑后续改善混合料抗剪强度的可实施性和易操作性,本试验未考虑混合料级配和集料类型的影响,遴选沥青发泡性能、泡沫沥青用量、水泥掺量、聚丙烯纤维掺量等4个因素进行正交设计[8]。为简化正交试验,本试验设定为4因素3水平,试验次数为9次,记为L9(34),见表7。

表7 正交试验设计

3 级配和最佳拌合用水量

3.1 级配

泡沫沥青混合料属于悬浮密实型混合料结构类型,一般在混合料级配设计时采用最大密度理论[9-10],获取密度大、空隙小的混合料。最大密度理论的核心思想就是混合料级配曲线越接近抛物线,则密度越大。最大密度曲线n幂公式如式(1)所示。

P=(d/D)n×100

(1)

式中:D—集料最大粒径;

d—集料筛孔尺寸;

P—集料通过百分率(%)。

参考泡沫沥青混合料的级配设计规范,兼顾室内泡沫沥青混合料拌合锅的拌合效果(19mm以上集料易发生卡顿),本试验D取值19mm。n为集料级配指数,一般取值0.3～0.7,经测算,当n=0.65时的混合料级配为本试验设计级配,如图2所示。

图2 泡沫沥青混合料级配曲线

3.2 最佳拌合用水量

为保障泡沫沥青混合料的沥青分散效果和混合料拌和效果,一般在混合料拌合和压实时需加适量的水。本试验采用无机结合料击实试验[11]测定混合料的最佳拌合用水量,击实试验结果如图3所示。

图3 击实试验结果

试验数据表明,混合料最大干密度为2.18g/cm3,最佳含水量为5.65%。依据泡沫沥青冷再生混合料规范[7],泡沫沥青混合料最佳拌合用水量为混合料最佳含水量的80%,因此泡沫沥青混合料的拌合用水量为4.52%。

4 单轴贯入试验

本文通过单轴贯入试验[12]测定泡沫沥青混合料的抗剪强度。单轴贯入试验采用圆柱形刚性压头在试件上加压,其受力模式与路面一致,试验易操作,设备简单。泡沫沥青再生混合料公称最大粒径为19mm,采用150 mm×150 mm的圆柱形试件,压头采用42 mm圆柱形刚性压头。加载速率为1mm/min、试验温度为40 ℃、剪应力系数为0.35、高度校正系数为1.0。

4.1 试验结果

依据表7正交试验设计,设定相应的沥青和集料类型、沥青发泡性能、泡沫沥青用量、水泥掺量、聚丙烯纤维掺量、级配组成和混合料最佳拌合用水量,制备9组泡沫沥青混合料,成型马歇尔试件,进行单轴贯入试验。试验结果见表8。

表8 泡沫沥青混合料单轴贯入试验结果

4.2 数据分析

结合表8的正交试验数据,通过极差分析,测算各影响因素的相关性和影响权重。极差分析结果见表9。

表9 多因素敏感性分析

由表9可知:通过多因素敏感性分析,综合考虑沥青发泡性能、泡沫沥青用量、水泥掺量、聚丙烯纤维掺量对泡沫沥青混合料贯入强度的影响,其敏感性差异性较大,其中:水泥掺量>聚丙烯纤维掺量>沥青发泡性能>泡沫沥青用量。

泡沫沥青混合料贯入强度对水泥掺量和沥青发泡性能的变化较为敏感。水泥掺量直接影响混合料的强度。水泥分散在混合料内部后,硅酸三钙与混合料中的水水化反应生成水化硅酸钙和氢氧化钙,不断强化混合料内部结构中集料-集料的黏接力,提高了混合料的整体稳定性和强度,因此水泥的掺入对混合料抗剪强度具有积极作用。但是混合料设计中的水泥掺量需进一步深入研究,如水泥掺入过多,会导致混合料内部的水化热来不及释放产生膨胀开裂而不利于混合料强度。

聚丙烯纤维强度高、韧性好,在混合料结构内部起到加筋的作用,有效增强混合料的强度性能,对其抗剪性能和抗弯拉性能具有显著的提升效果。因此,纤维是混合料抗剪强度性能的重要影响因素,在研究混合料抗剪强度时掺加纤维是一个较理想的技术路径。

沥青发泡性能是泡沫沥青混合料成型的首要考虑因素,也是决定待选沥青是否适用于制备泡沫沥青混合料。沥青发泡性能的评定参数主要是膨胀比和半衰期,膨胀比越大、半衰期越长,就给予泡沫沥青和集料充分的拌合时间,促使泡沫沥青达到优异的分散效果,以达到较好的拌合均匀性。沥青发泡性能直接制约泡沫沥青分布在混合料内部结构的点焊结构的空间分布数量和形态,进一步影响沥青胶浆成膜的连续性和完整性,从而影响混合料的抗剪强度性能。因此,沥青发泡性能是混合料抗剪强度性能的重要影响因素之一。

通常泡沫沥青作为混合料的胶粘剂,其用量多少对混合料强度具有一定程度的影响。但在本试验中,相比于水泥掺量、聚丙烯纤维掺量、沥青发泡性能,泡沫沥青用量对混合料贯入强度的影响较弱。经试验分析可知,泡沫沥青用量取值2%、3%、4%,对混合料贯入强度有一定程度的影响,但影响的差异性较小。原因可能是:(1)相比于水泥掺量、聚丙烯纤维掺量、沥青发泡性能,泡沫沥青用量对混合料抗剪强度的改善或提升效果较弱;(2)泡沫沥青以点焊的方式分布在混合料内部,用量较少时,混合料内部粘结力不足;用量较多时,富余的自由沥青降低了混合料内部结构的嵌挤作用,导致混合料抗变形性能变差,强度下降。因此,混合料设计中泡沫沥青的用量需进一步深入研究。

4.3 单一变量试验

结合上述正交试验结果,为进一步明确各因素对混合料抗剪强度的影响,本试验进一步开展单一变量试验。仍选定本文的沥青和集料类型、级配组成和混合料最佳拌合用水量,在维持其他变量不变的前提下,调整单一变量的取值,制备泡沫沥青混合料,进行单轴贯入试验。试验设计和结果见表10。

表10 泡沫沥青混合料单轴贯入试验结果

由表10数据分析可知,沥青发泡性能、水泥掺量、聚丙烯纤维掺量与泡沫沥青混合料抗剪强度正相关。随着沥青发泡性能水平高,水泥掺量、聚丙烯纤维掺量增加,混合料抗剪强度逐渐增强。混合料抗剪强度随着泡沫沥青用量增大呈现先增大后减小的趋势,也间接表明了泡沫沥青用量过多或过少对混合料抗剪强度都是不利的。本文建议以沥青发泡性能高水平、泡沫沥青用量3.0%、水泥掺量1.5%、纤维掺量0.4%为泡沫沥青混合料抗剪强度的最佳组合。

5 结论

(1)通过泡沫沥青混合料抗剪强度影响因素正交试验分析,综合考虑沥青发泡性能、泡沫沥青用量、水泥掺量、聚丙烯纤维掺量对泡沫沥青混合料抗剪强度的影响,其敏感性差异性较大,其中:水泥掺量>聚丙烯纤维掺量>沥青发泡性能>泡沫沥青用量。水泥掺量和聚丙烯纤维掺量是混合料抗剪强度性能的重要影响因素,可考虑在泡沫沥青混合料中添加水泥或聚丙烯纤维,以提升混合料的抗剪强度。

(2)通过单一变量试验分析,沥青发泡性能、水泥掺量、聚丙烯纤维掺量与泡沫沥青混合料抗剪强度正相关,混合料抗剪强度随着泡沫沥青用量增大呈现先增大后减小的趋势。建议以沥青发泡性能高水平、泡沫沥青用量3%、水泥掺量1.5%、纤维掺量0.4%为泡沫沥青混合料抗剪强度的最佳组合。

(3)由于混合料材料的复杂性和特殊性,导致混合料抗剪强度影响因素和权重是多方面的。本文试验结果可为改善泡沫沥青混合料抗剪强度设计提供参考。由于抗剪强度仅是泡沫沥青混合料路用性能的重要因素之一,通过本文试验的影响因素组合设计可改善混合料的抗剪强度,但可能对其他混合料性能带来不利影响,因此沥青发泡性能、泡沫沥青用量、水泥掺量、聚丙烯纤维掺量对混合料路用性能的影响和掺量设计尚有待进一步深入研究。