覃 瀟, 申愛琴, 郭寅川, 李震南, 樊 莉

(長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064)

纖維瀝青碎石封層是一種由纖維、改性乳化瀝青及碎石組成的新型路面預防性養(yǎng)護材料,具有抗?jié)B、分散與吸收路表應力、抗滑、耐磨等功效,能夠快速修復已產(chǎn)生微病害的原路面,延緩路面大修周期[1-2].對于夏季炎熱多雨的南方濕熱地區(qū),路面的抗?jié)B性能對于路面結構強度至關重要,若路表水大量下滲,必將導致瀝青與碎石間黏附性降低,進而引發(fā)瀝青剝落等水損害效應,同時對于基層與面層之間的黏結狀態(tài)以及土基強度十分不利[3].實際情況下,道路上行駛的車輛在經(jīng)過路表積水區(qū)時,高速轉動的輪胎會因擠壓積水而產(chǎn)生動水壓力,對封層起反復沖刷作用[4].然而,目前國內(nèi)外學者在研究纖維瀝青碎石封層抗?jié)B性能時,主要通過靜力滲水試驗[5-6]來評價抗?jié)B性能,常忽視動水沖刷作用,導致設計的封層難以滿足路表實際工作環(huán)境的需要.此外,對于原路面上不同損傷狀態(tài)的封層,其受動水壓力作用的程度必然也存在一定差異.研究[7-8]表明:影響纖維瀝青碎石封層抗?jié)B性能的因素主要包括纖維類型、纖維用量、改性乳化瀝青類型、瀝青灑布量、碎石粒徑和巖性等,但在動水壓力作用下,以上因素對封層抗?jié)B性能的影響效果必將發(fā)生改變[9].綜上,國內(nèi)外關于考慮動水壓力工況及原路面狀況下的纖維瀝青碎石封層抗?jié)B性能的研究少有報道,同時缺乏其抗?jié)B性能增強機理的相關研究.

為此,本研究將考慮動水壓力工況,基于3種較優(yōu)配比,借助模擬原路面裂縫狀況下的滲水試驗,探討纖維摻量、碎石巖性及粒徑、乳化改性瀝青灑布量等對纖維瀝青碎石封層抗?jié)B性能的影響,建立抗?jié)B性與原路裂縫寬度的相互關系,提出適用于我國交通環(huán)境的封層抗?jié)B性能指標要求.采用SEM分析手段,對纖維瀝青碎石封層表面、動水沖刷后的纖維-瀝青界面及滲水損傷面進行細微觀掃描剖析,揭示纖維瀝青碎石封層抗?jié)B性能增強機理.

1 試驗設計

1.1 原材料及配合比

改性乳化瀝青由70#基質瀝青與維實偉克63D乳化劑(陽離子快裂型)、維實偉克SBR改性劑混合制成,優(yōu)化后的制備配方見表1,三大指標測試結果見表2.碎石來自海南省文昌市力嘉石場生產(chǎn)的玄武巖及廣州西勝公司提供的花崗巖(粒徑范圍為3～6,4～8,5～10 mm),性能測試結果見表3.纖維為廣東東莞萬隆復合材料有限公司生產(chǎn)的噴射無捻粗砂型玻璃纖維,長度為60 mm,直徑為13 μm,含水率為0.09%,線密度為2 430 tex.以上原材料基本性能均滿足相關規(guī)范要求.

表1 改性乳化瀝青制備配方

表2 改性乳化瀝青三大指標測試結果

表3 碎石基本性能

通過權衡改性乳化瀝青漿體三大指標、封層層間剪切強度與封層清掃試驗脫石率所得出的3種纖維瀝青碎石封層優(yōu)化配合比見表4,配合比分別由M1,M2和M3表示,碎石粒徑為4～8 mm.對于M3,為增強花崗巖與瀝青之間的黏附性,特在瀝青漿體制備時添加0.4% PA-1型抗剝落劑.

表4 纖維瀝青碎石封層配合比

1.2 滲水試驗方法及原理

動態(tài)瞬水反復作用會削弱纖維瀝青碎石封層的密水性,尤其是在原路面存在裂縫時,若封層抗?jié)B性能不足,水分極易滲透至裂縫中而形成飽水裂縫,路面飽水裂縫示意圖如圖1所示.裂縫在荷載-動水壓力雙場耦合作用下迅速擴展,加速封層破壞.因此采用自主研發(fā)的動態(tài)滲水試驗儀(見圖2)評價纖維瀝青碎石封層的抗?jié)B性,對不同原路面寬度裂縫情況下的封層抗?jié)B性能進行模擬試驗.

圖1 路面飽水裂縫示意圖

圖2 動態(tài)滲水試驗儀

利用流體力學理論對路表動水壓力進行理論分析計算.假設輪胎面為平面,且輪胎與路面傾角較小(約等于0),基于伯努利定理,可計算輪胎前段與路面處的動水壓力p為

(1)

式中:p為動水壓力,MPa;ρ為水的密度,kg·m-3;v為行車速度,m·s-1.

可見,不同車速(0～120 km·h-1)對應的路表動水壓力理論值為0～0.556 MPa,因此,將滲水試驗初始水壓控制在0.556 MPa以下.

圖3為試件制作及準備過程.模擬方法如下:由于真實情況下的原路面裂縫長短不一,難以逐條進行模擬,因此以最不利壓強狀態(tài)為準,通過制作直徑分別為1,2,3,4和5 mm的圓形多孔板,對原路面不同寬度裂縫進行模擬.多孔板直徑為(200±1) mm,厚5 mm,透孔均勻分布在離圓心40 mm及60 mm處(圖3b).

圖3 試件制作及準備過程

試驗溫度為25 ℃,將封層試件置于多孔板上,采用進水加壓裝置(見圖3d),對其兩側施加初始水壓差,并持續(xù)一定時間,若無滲水,則以0.1 MPa逐級增加水壓差,直至壓力驟減發(fā)生滲水,記錄此時滲水壓差,取平行試件中的最小滲水壓差作為極限水壓差,從而評價不同原路面裂縫寬度時封層的抗?jié)B性能.

1.3 封層試件制作

由下至上按乳化改性瀝青+玻璃纖維+乳化改性瀝青+碎石成型纖維瀝青碎石封層后,將其裁剪為直徑為(200±1) mm的圓形試件.考慮試件與儀器間的密封性,僅在試件中心進行碎石撒布,然后放入密封試模中施加水壓,具體過程如圖3所示.

1.4 SEM細微觀分析

基于界面浸潤理論,纖維與瀝青間的相容性、浸潤性對纖維瀝青碎石封層的抗?jié)B性能影響顯著.采用德國CarlZeissAG掃描電鏡,對封層表面、動水沖刷后的纖維-瀝青浸潤界面及透孔處封層滲水損傷面進行觀測.

2 結果分析與討論

2.1 基于動水壓力變化的封層抗?jié)B性能分析

按表4配合比，對封層進行動水壓力下滲水試驗,封層抗?jié)B性能試驗結果如圖4所示.

圖4 不同封層配合比下動水壓差與透孔孔徑的關系

由圖4可知:3種纖維瀝青碎石封層材料的抗?jié)B性能變化規(guī)律接近,可能是由于這3種纖維瀝青碎石封層的瀝青灑布量相同,三者之間能夠形成厚度相近的瀝青膜,從而體現(xiàn)出相似的抗?jié)B性能,因此瀝青品牌對其抗?jié)B性能的影響基本可忽略.

當多孔板孔徑小于3 mm時,抗?jié)B性能由大至小排序為M1,M3和M2,這主要是因為M1采用玄武巖(堿性),與瀝青的黏附性較好,而M3使用花崗巖(酸性),即便采用了抗剝落劑,與瀝青的黏附性仍亞于前者,從而影響抗?jié)B性能;同時,M1與M3的纖維摻量大于M2,纖維對瀝青有一定的吸附作用,能夠有效增強瀝青與碎石之間的黏附性,提升封層抗?jié)B性能.當多孔板孔徑大于3 mm時,抗?jié)B性能由大至小排序為M1,M2和M3,這是由于M1纖維摻量大于M2,前者材料體現(xiàn)出更好的黏附性,而此時動水產(chǎn)生的沖刷作用更強,花崗巖碎石與瀝青之間的黏附性更易受水壓影響而削弱,導致M3的抗?jié)B性能較弱.

孔徑大于3 mm時,封層破壞時可承受的水壓差基本小于路表動水壓力最大理論值(0.556 MPa,對應車速為120 km·h-1),屬低安全系數(shù)環(huán)境,故高速公路封層施工前必須對原路面上寬度大于3 mm裂縫進行處理.

2.2 碎石粒徑對封層抗?jié)B性能的影響

封層碎石常用的3種粒徑范圍分別為3～6,4～8和5～10 mm.由圖4可知,當瀝青結合料灑布量相同時,不同配合比封層的抗?jié)B性能隨多孔板透孔孔徑增大而變化的規(guī)律是一致的,且同一孔徑下抗?jié)B性能相差不大.因此為減小試驗量,以表4中M1配合比為基準,僅改變碎石粒徑開展動水滲水試驗.圖5為碎石粒徑對不同透孔孔徑下封層抗?jié)B性能的影響.

圖5 碎石粒徑對不同透孔孔徑下封層抗?jié)B性能的影響

由圖5可知,不同碎石粒徑下封層的抗?jié)B性能變化趨勢一致,衰減速度均由慢變快,當多孔板孔徑由1 mm增大至5 mm時,3種碎石粒徑下封層的抗?jié)B能力分別下降了75.3%,73.6%和83.1%.

在碎石粒徑方面,同一多孔板孔徑下,碎石粒徑越大,抗?jié)B性能越差,其中3～6 mm與4～8 mm碎石封層的抗?jié)B能力差異較小,且分別比5～10 mm碎石封層高約46.5%與39.5%.這可能是由于瀝青灑布量及碎石撒布量相同時,5～10 mm的碎石顆粒數(shù)少于其他2種粒徑的碎石,且礦料間隙率大于3～6 mm與4～8 mm碎石封層,致使纖維瀝青膠漿難以與碎石充分接觸,并將其裹覆,造成二者間黏附性不足;同時,碎石粒徑越大,刺入瀝青膜的深度越大,有效瀝青膜厚度越薄,使封層抗?jié)B性能有所降低.因此對于5～10 mm碎石粒徑的纖維瀝青碎石封層,應特別注意控制改性乳化瀝青灑布量.

2.3 瀝青灑布量對封層抗?jié)B性能的影響

在M1配合比的基礎上,增減改性乳化瀝青用量(A,B和C這3種情況的灑布量分別為1.3,1.7 和2.1 kg·m-2)制作滲水試件,進而研究封層在不同瀝青膜厚度情況下的抗?jié)B性能,試驗結果如表5所示.

表5 不同瀝青灑布量時封層的極限動水壓差 MPa

由表5可見:瀝青膜最厚的試件抗?jié)B性能比最薄的試件高50%左右,能夠更好地承受外界動水壓;隨著多孔板透孔孔徑的不斷增大,A,B和C這3種瀝青灑布量下的總體抗?jié)B性能分別下降了76.7%,73.6%和74.8%,同時三者之間能夠承受的極限水壓差值不斷接近.具體表現(xiàn)如下:當孔徑為1 mm時,A與C瀝青灑布量之間差值的絕對值為0.47;隨著孔徑增大,絕對值依次為0.45,0.40,0.22以及0.13,其中B的極限水壓差值處于A,C二者之間,即多孔板透孔孔徑越大(原路面裂縫寬度越大),改性乳化瀝青灑布量對封層抗?jié)B性能的影響越小.

當多孔板透孔孔徑為1～2 mm時,極限水壓差變化幅度較為平緩,對應于A,B和C的減小量分別為10.00%,8.05%和7.48%;當超過2 mm后,極限水壓差衰減幅度增大,對于孔徑為2,5 mm時的極限水壓差,A,B和C的減小量分別為74.00%,71.25%和72.70%,以上均說明纖維瀝青碎石封層瀝青膜越厚,極限水壓差隨多孔板透孔孔徑變化的幅度越小,反之則越大.

通過裂縫模擬試驗,可認為除抗?jié)B性能較弱的A封層,當原路面裂縫小于3 mm時,封層抗?jié)B性能是有效的,而一旦裂縫超過3 mm,其極限水壓差均超過路表動水壓力最大理論值(0.556 MPa).

2.4 實際封層抗?jié)B性能評價指標要求的確定

纖維瀝青碎石封層在使用期間必然經(jīng)受行車荷載反復作用及動水壓力沖刷,因此考慮材料的疲勞效應,若直接將動水壓力極限值定為封層的抗?jié)B性能指標要求值,會降低其安全性,因此需對動水壓力乘以安全系數(shù)k,即

σr=uk,

(2)

式中:σr為封層的抗?jié)B性能指標,MPa;u為動水壓力,MPa;k為安全系數(shù).參考文獻[10]對橋梁抗?jié)B等級的劃分方法,按公路等級將路面抗?jié)B等級劃分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ和Ⅳ,并分別對應不同的安全系數(shù)k.路面抗?jié)B等級劃分詳見表6.

表6 路面抗?jié)B等級劃分

基于車速與動水壓力的關系式(1),得出不同車速時路面上產(chǎn)生動水壓力的理論最大值.根據(jù)表6中安全系數(shù)k,計算并推薦纖維瀝青碎石封層抗?jié)B性能指標要求(可承受的最小動水壓力值),如表7所示.

表7 纖維瀝青碎石封層抗?jié)B性能指標推薦值 MPa

由表7可知:高速公路及一、二、三級公路的抗?jié)B性能指標推薦要求值分別為0.730,0.470,0.280和0.070 MPa.根據(jù)本試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),對于M1,M2和M3配合比的封層,以及M1配合比下碎石粒徑為3～6 mm的封層,在M1配合比基礎上瀝青灑布量為2.1 kg·m-2的封層,均能夠滿足不同抗?jié)B等級推薦采用的指標要求,其中各抗?jié)B等級的封層均需對原路面裂縫(源于試驗部分多孔板透孔孔徑對裂縫寬度的模擬)進行處治,等級Ⅰ需處治2 mm以上裂縫,等級Ⅱ處治3 mm以上裂縫,等級Ⅲ處治4 mm以上裂縫,等級Ⅳ處治5 mm以上裂縫.

2.5 封層SEM細觀形貌表征及抗?jié)B性增強機理

水分子是含有氫鍵的極性分子,對碎石的吸附能力遠大于對瀝青的吸附能力.當封層中瀝青與石料黏附時,動態(tài)瞬水對其抗?jié)B性能的破壞主要表現(xiàn)為界面瀝青逐漸被水分“置換”而從碎石表面剝落,隨后水分將穿透殘留瀝青層致使材料徹底破裂滲水.界面浸潤理論認為,纖維對瀝青材料力學性能的增強作用遠大于其兩者性能的疊加.為此,對纖維瀝青碎石封層表面、動水沖刷后的纖維-瀝青浸潤界面及滲水損傷面進行細微觀分析,揭示纖維瀝青碎石封層抗?jié)B性能的增強機理.封層表面、纖維-乳化瀝青浸潤界面及滲水損傷面的微觀形貌分別如圖6-8所示.

圖6 封層表面微觀形貌(200倍)

圖7 纖維-乳化瀝青浸潤界面微觀形貌(1 000倍)

圖8 滲水損傷面微觀形貌(200倍)

由圖6可見:玻璃纖維在瀝青相內(nèi)相互橋接,黏結程度較好,能夠增強纖維瀝青碎石封層復合材料的受力均勻性及整體穩(wěn)定性.由圖7可見:瀝青基體材質均勻,玻璃纖維浸潤在瀝青當中,未發(fā)生結團現(xiàn)象,且界面處瀝青稠度較大,呈現(xiàn)若干“瀝青觸角”將纖維緊密嵌鎖在瀝青基體中的現(xiàn)象,說明玻璃纖維(增強相)與瀝青(集體相)之間的浸潤狀態(tài)良好.以往研究[11]表明,瀝青稠度越大,其黏滯阻力越大.因此,玻璃纖維能夠提高瀝青自身內(nèi)聚力,同時有效提升瀝青抗剝落性能,間接增強了瀝青與碎石之間的黏附性,降低水分對纖維瀝青碎石封層結構的侵蝕破壞作用.

由圖8可見：即便纖維瀝青碎石封層在滲水試驗中出現(xiàn)損傷,損傷面兩端仍由玻璃纖維相連,表明纖維能夠有效阻止裂縫進一步擴展.因此,在動水壓力長期作用下,封層的滲水性能能夠有所保證,從而有效防止外界水分滲入原路面裂縫以形成飽水裂縫.

3 結 論

1) 多孔板透孔孔徑越大,能夠承受的極限動水壓差越小.當孔徑小于3 mm時,玻璃纖維用量對封層抗?jié)B性能的影響比碎石巖性更為顯著,抗?jié)B性能由大至小的順序為M1(堿性巖石,纖維用量80 g·m-2)、M3(酸性巖石,纖維用量80 g·m-2)和M2(堿性巖石,纖維用量75 g·m-2);當孔徑超過3 mm時,動水集中應力的增長使花崗巖碎石-瀝青黏附性的削弱程度較大,導致抗?jié)B性能由大至小的順序為M1,M2和M3.

2) 多孔板透孔孔徑越大,瀝青灑布量對封層抗?jié)B性能的影響越小;瀝青膜越厚,封層抗?jié)B性能隨孔徑而變化的幅度越小;當原路面裂縫小于3 mm時,瀝青灑布量為1.7,2.1 kg·m-2時的封層能夠較好承受路表理論最大動水壓力.

3) 碎石粒徑為3～6,4～8 mm的封層抗?jié)B性能優(yōu)于5～10 mm封層.這是因為同質量下,5～10 mm封層顆粒數(shù)少于前2種粒徑封層,礦料間隙率大于前者,導致纖維瀝青膠漿與碎石之間的總接觸面積小于3～6,4～8 mm碎石,黏附性也相應較低.

4) 基于橋梁抗?jié)B等級劃分方法與交通條件,對纖維瀝青碎石封層抗?jié)B等級進行了明確劃分,同時推薦了相應的抗?jié)B指標要求.

5) 玻璃纖維對瀝青的吸附作用能夠增強瀝青與碎石間的黏附性,并在封層中均勻展布,有效分散路表各向應力,延緩裂縫擴展,進而有效增強封層的抗?jié)B性能.

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