趙 輝,王海有,王 健,郟付堂
(1.平頂山市公路事業(yè)發(fā)展中心,河南 平頂山 467036;2.河南中亞交建集團有限公司, 河南 平頂山 467036;3.河南恒通工程監(jiān)理咨詢有限公司,河南 平頂山 467036)
由于微表處技術(shù)具有經(jīng)濟、高效、快速等突出的優(yōu)點,目前在公路建設(shè)和養(yǎng)護中的應(yīng)用十分普遍,并且已取得了很多成功的經(jīng)驗,然而微表處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的典型瀝青路面(瀝青碎石路面、瀝青混凝土路面和瀝青瑪蹄脂碎石路面)結(jié)構(gòu),有其特殊性及缺點,表現(xiàn)出的性能也有特殊性,這些往往被忽視,致使在應(yīng)用微表處技術(shù)時經(jīng)常出現(xiàn)問題,在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中,關(guān)于用微表處填補深度大于1 cm車轍的規(guī)定也不夠科學(xué)合理。因此,對微表處技術(shù)進行更深層次的研究十分必要。
微表處的前身是稀漿封層,起源于20世紀20年代末期的德國,它是把陰離子乳化瀝青、砂和水分別加入攪拌器中進行人工拌和,直至混合料達到合適的稠度,之后鋪在道路的表面并人工攤平,養(yǎng)護成型后即為稀漿封層。它的作用除了罩面外,還用于裂縫的修補。20世紀40年代,美國引入稀漿封層技術(shù),20世紀50年代夫勒斯諾瀝青公司研制出了世界上第一臺乳化瀝青稀漿混合料拌和攤鋪專用車,從而實現(xiàn)了稀漿封層的機械化施工。20世紀60年代和70年代,隨著陽離子慢裂快凝型乳化瀝青的出現(xiàn)和稀漿封層施工設(shè)備的不斷進步,稀漿封層技術(shù)在美國、歐洲等地得到了快速發(fā)展。特別是德國對稀漿封層混合料進行改良,并用于填補瀝青路面車轍。其中的乳化瀝青采用聚合物(SBR)改性的慢裂快凝型,其集料質(zhì)量和級配以及混合料都提出了更加嚴格的技術(shù)指標要求,使改進后的改性乳化瀝青稀漿混合料在攤鋪厚度較大的情況下仍能迅速、良好地成型,且成型后的混合料在耐久、抗車轍性能等方面都比普通稀漿封層有了很大提高,同時也開始用于整幅路面的罩面[1-4]。這就是現(xiàn)在所謂的微表處。
單層(指攤鋪厚度與集料中最大碎石粒徑相同)微表處的厚度很薄(最厚約1 cm),且早期主要用于表面,所以稱為微表處。
早期微表處主要應(yīng)用于罩面和填補車轍,發(fā)展至今,它還可用于路面基層頂面(稱為下封層)、臨時道路的簡易路面、橋面鋪裝等,其作用和功能已經(jīng)多元化。
(1)微表處的設(shè)計使用壽命只有3~5 a,與熱拌瀝青混合料路面的設(shè)計使用壽命10~15 a相比短了很多。
(2)微表處的行車噪音大,乘車舒適性差,而且污染環(huán)境。
規(guī)范[5]給出的微表處的型號共有兩種:MS-2型和MS-3型,單層MS-2型微表處的厚度約為0.5 cm,單層MS-3型微表處的厚度約為1 cm。其中:MS-3型微表處又稱為粗型微表處。
微表處在應(yīng)用過程中容易出現(xiàn)以下情況:一是微表處的攤鋪厚度大于最大碎石粒徑;二是用雙層或者多層微表處填補車轍。我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定,可用雙層或者多層微表處填補深車轍(深度大于1 cm的車轍)[5]。上述情況產(chǎn)生的后果是,其自身很容易產(chǎn)生車轍,其原因如下。
當用MS-3型微表處填補深車轍時,要么攤鋪厚度大于最大碎石粒徑進行填補,可依照規(guī)范[5]的規(guī)定用雙層或者多層微表處進行填補,深車轍填補體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,此時深車轍填補體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)演變成懸浮密實型結(jié)構(gòu),即瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的典型瀝青路面普遍存在車轍,特別是瀝青混凝土路面,它的抗車轍性能最差。微表處與瀝青混凝土材料相比,集料級配更細、油石比更大,因此,用雙層(或多層)微表處,或者用攤鋪厚度大于最大碎石粒徑的微表處填補深車轍,填補體自身很容易產(chǎn)生車轍,導(dǎo)致車轍周而復(fù)始地發(fā)生[6-13]。
(a)傳統(tǒng)的典型瀝青路面結(jié)構(gòu)或雙層微表處結(jié)構(gòu)或攤鋪厚度大于最大碎石粒徑結(jié)構(gòu) (b)單層稀漿表處
圖2 單層和雙層MS-3型微表處因素與試驗指標的關(guān)系正交試驗結(jié)果對比圖
單層和雙層MS-3型微表處因素與試驗指標的正交試驗結(jié)果對比如圖2所示。其中:A1、A2、A3分別是集料級配范圍的下線、中線和上線;B1、B2、B3是試驗溫度,分別為20 ℃、40 ℃和60 ℃;C1、C2、C3是碾壓次數(shù),分別為1 000次、6 000次和11 000次。
由圖2可知:單層微表處不會產(chǎn)生車轍,而雙層微表處很容易產(chǎn)生車轍。
進行工程對比試驗,結(jié)果如圖3所示,工程實踐表明上述分析和試驗是正確的。
用雙層MS-3型微表處(厚度1 cm+1 cm)維修的深車轍填補體很快出現(xiàn)了車轍,而用單層MS-5型稀漿表處(厚度約2 cm)維修的深車轍填補體不會出現(xiàn)車轍。因此,不能用雙層(或多層)微表處,或者攤鋪厚度大于最大碎石粒徑的微表處填補深車轍,只能用單層微表處填補深車轍,或者說用于填補車轍的微表處的型號與車轍深度存在匹配性,即所用微表處集料的最大碎石粒徑應(yīng)與車轍深度相同。然而,我國現(xiàn)行規(guī)范中最粗型號的微表處是MS-3型,其單層成型厚度只有約1 cm,所以,無法用最粗的MS-3型微表處填補深車轍,只能開發(fā)超粗型的乳化瀝青稀漿混合料來滿足填補深車轍的需要。超粗型乳化瀝青稀漿混合料攤鋪成型后形成表處,其厚度比MS-3粗型微表處要厚,本文稱之為超粗型表處,而且把微表處和超粗型表處統(tǒng)稱為稀漿表處。
另外,有許多研究通過提高乳化瀝青的軟化點(主要是用SBS改性乳化瀝青)來保證微表處的抗車轍性能,不但增加了技術(shù)難度,而且增加了成本,結(jié)果是徒勞的,其實也是沒有必要的。
圖3 雙層MS-3型微表處和單層MS-5型稀漿表處填補2 cm深車轍對比試驗
單層微表處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,其中最大碎石粒徑等于微表處厚度,起主支撐的作用,形成“頂天立地”的效果,是荷載的主要承受者,它可以把荷載直接傳給原地面,其他材料主要起黏結(jié)、聯(lián)結(jié)、填充和密封的作用。顯然這種結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生車轍,通過負荷輪車轍試驗可知,單層微表處的車轍變形率為0%[6]。
傳統(tǒng)典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)如圖4所示,其中:(a)是瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu),(b)是瀝青瑪蹄脂碎石路面結(jié)構(gòu),(c)是瀝青碎石路面結(jié)構(gòu)。
圖4 傳統(tǒng)典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)
微表處結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)顯然不同,是一種新的路面結(jié)構(gòu),其中最大碎石粒徑與路面厚度相同,形成“頂天立地”的骨架,最大粒徑碎石的間隙填充懸浮密實型瀝青混合料,本文把這種結(jié)果稱為骨架——懸浮密實復(fù)合型結(jié)構(gòu)。
結(jié)構(gòu)決定性能,稀漿表處的特殊性能均由其特殊結(jié)構(gòu)控制。
3.2.1 稀漿表處的抗剪強度分析
稀漿表處的特殊結(jié)構(gòu)——最大粒徑碎石在稀漿封層結(jié)構(gòu)中“頂天立地”,形成強大的骨架結(jié)構(gòu),以抵抗荷載的作用,其抗剪強度并不依賴碎石的嵌擠鎖結(jié)作用和結(jié)合料的膠結(jié)作用,并不像傳統(tǒng)的典型瀝青路面的抗剪強度由內(nèi)摩擦力和黏結(jié)力提供,其抗剪強度不能用摩爾—庫侖定律表征。
3.2.2 稀漿表處的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系分析
在稀漿表處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,最大粒徑碎石“頂天立地”,是荷載的主要承受者和傳遞者,它能夠直接把荷載傳給原地面,不論是高溫、中溫或者低溫,對最大粒徑碎石幾乎沒有影響,其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系均表現(xiàn)為線彈性;而傳統(tǒng)的典型瀝青路面的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系高溫時表現(xiàn)為黏塑性、中溫時表現(xiàn)為黏彈性、低溫時表現(xiàn)為線彈性。
3.2.3 稀漿表處對結(jié)合料性能要求的特殊性分析
在稀漿表處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中,最大粒徑碎石之間的填充料在受力方面只起輔助作用,并不需要結(jié)合料具有很高的軟化點來保證路面的高溫穩(wěn)定性能,重點是要求瀝青及其形成的膠結(jié)材料有足夠的黏度,把碎石黏結(jié)和連接在一起并具有較強的附著力,而且還要具有良好的低溫抗裂性能。因此,乳化瀝青改性并不需要用SBS改性劑,SBR改性劑即可滿足要求。
稀漿表處的發(fā)展在于解決目前存在的問題,推動技術(shù)進步,滿足工程實踐需要,綜上所述主要包括:①提高使用壽命;②降低噪音;③開發(fā)超粗型稀漿表處。
4.1.1 稀漿表處設(shè)計使用壽命較短的機理
現(xiàn)有稀漿表處的設(shè)計使用壽命較熱拌瀝青混合料路面短得多,主要是由于施工工藝和所用結(jié)合料不同。
從施工工藝方面看,乳化瀝青稀漿混合料是在有水的情況下常溫拌和攤鋪,在集料表面首先形成水膜,而后的成型過程中在水膜外圍逐步形成瀝青膜。這種瀝青膜包裹水膜的狀態(tài),使瀝青與集料的黏結(jié)力大幅度降低,并且水膜長達數(shù)年不能消失,導(dǎo)致稀漿表處的使用壽命縮短[14]。
從結(jié)合料方面看,稀漿表處的結(jié)合料是乳化瀝青蒸發(fā)殘留物,其與基質(zhì)瀝青的對比試驗結(jié)果見表1。
表1 乳化瀝青蒸發(fā)殘留物與基質(zhì)瀝青對比試驗
由表1可以看出:基質(zhì)瀝青經(jīng)乳化后,蒸發(fā)殘留物的延度降低,軟化點升高,針入度降低,黏度升高,黏附性等級下降,這是瀝青全面老化的表現(xiàn),并且老化的幅度較大。所以,導(dǎo)致稀漿表處的耐久性降低。
為了考察改性乳化瀝青的耐老化性能,分別用160 ℃的基質(zhì)瀝青、基質(zhì)瀝青生產(chǎn)的改性乳化瀝青和相同的集料進行拌和,待稀漿混合料水分風干后分別做瀝青混合料加速老化對比試驗,試驗結(jié)果如表2所示。
由表2可以看出:雖然乳化瀝青改性后其蒸發(fā)殘留物的延度、針入度、黏度和黏附性等級指標等得到了改善,但改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物比沒有改性的基質(zhì)瀝青的老化速度要快得多,黏附性等級也低得多,也就是說乳化瀝青改性并不能提高稀漿表處的耐久性。
表2 瀝青混合料加速老化試驗結(jié)果
4.1.2 預(yù)熱拌稀漿表處施工工藝
(1)預(yù)熱拌稀漿表處施工工藝設(shè)計
預(yù)熱拌稀漿表處施工工藝如圖5所示[15-17]。
預(yù)熱拌稀漿表處施工工藝設(shè)計的思路是:盡量少用性能較差的改性乳化瀝青,粗集料(包括最大粒徑碎石)用熱瀝青預(yù)先拌和,在沒有水的情況下形成瀝青膜,并且在冷卻至常溫時是松散的,以便進行稀漿混合料的拌和。
圖5 預(yù)熱拌稀漿表處施工工藝
(2)預(yù)熱拌稀漿表處施工工藝參數(shù)
①預(yù)熱拌溫度。熱瀝青溫度宜控制在100~120 ℃;礦料不宜加溫,但應(yīng)是干燥的。
②預(yù)熱拌時間。預(yù)熱拌瀝青混合料(I)拌和時間一般不宜低于60 s,以拌和均勻為準;加入≤2.36 mm礦料后的拌和時間一般在6 s左右,拌和時間過長將導(dǎo)致預(yù)熱拌瀝青混合料(II)冷卻至常溫時結(jié)塊。
③加料順序。制備預(yù)熱拌瀝青混合料時的加料順序為:先加>2.36 mm的礦料,再加熱瀝青,最后加≤2.36 mm的礦料。加料順序不能顛倒,否則拌制出的預(yù)熱拌瀝青混合料會結(jié)塊。
④油石比。預(yù)熱拌瀝青混合料I的油石比宜控制在4%~5%;用預(yù)熱拌瀝青混合料I按照規(guī)范[5]的設(shè)計方法確定改性乳化瀝青的用量,進而確定總油石比[18]。
(3)預(yù)熱拌稀漿表處使用壽命長的機理
最大粒徑碎石在表處結(jié)構(gòu)中是荷載的主要承受和傳遞者,由于其預(yù)先裹覆的是熱瀝青(基質(zhì)瀝青或者改性瀝青),它比改性乳化瀝青蒸發(fā)殘留物的性能要強得多,而且在沒有水的情況下瀝青與碎石的黏結(jié)力要大得多,所以能夠提高稀漿表處的耐久性,延長使用壽命。工程實踐表明,預(yù)熱拌稀漿表處的使用壽命接近熱拌瀝青混合料路面。
4.2.1 稀漿表處噪音大的原因
稀漿表處與熱拌瀝青混合料路面相比車內(nèi)外噪音都大很多,主要原因是:油石比偏低、粗骨料即最大粒徑碎石方正率低、最大粒徑碎石含量偏低、乳化瀝青可拌和時間不足以及改性乳化瀝青稀漿混合料和易性差等[19-20]。
4.2.2 稀漿表處減噪主要措施
加大油石比和使用廢胎膠粉是減小稀漿表處噪音最容易、最有效的方法,其他措施技術(shù)難度大,效果差[21-23]。
用MS-3型稀漿表處做對比研究,其油石比為7.5%,集料級配如表3所示。以其噪音為基準,研究油石比和廢胎膠粉的變化對環(huán)境噪音的影響,檢測結(jié)果分別見表4、表5。
本文將考察以下兩個問題:其一,《偽古文尚書》北傳與青齊地區(qū)的關(guān)系;其二,青齊學(xué)術(shù)在北朝政權(quán)中的盛行與退潮。
表3 MS-3型稀漿表處集料級配
表4 油石比變化對噪音影響的檢測結(jié)果
表5 廢胎膠粉變化對噪音影響的檢測結(jié)果
環(huán)境噪音減小3 dB,相當于交通量減少一半,或者距離增加一倍。因此,從表4和表5可以看出,增大油石比和使用廢胎膠粉,特別是使用廢胎膠粉的減噪效果是十分明顯的。另外,環(huán)境減噪措施同樣對車內(nèi)減噪有效[19]。
公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40-2004)中最粗型號的稀漿表處是MS-3型,而工程實踐中需要超粗型稀漿表處,設(shè)計時應(yīng)對其型號、材料、集料級配、油石比和施工性能進行設(shè)計。
4.3.1 超粗型稀漿表處型號及所用材料的選擇
當超粗型稀漿表處用于填補深車轍時,其型號即集料最大碎石粒徑與車轍深度存在匹配性,超粗型稀漿表處的型號按照表6選擇。
當超粗型稀漿表處用于舊瀝青路面和水泥混凝土路面罩面、新建路面的磨耗層、橋面鋪裝以及臨時道路和縣鄉(xiāng)道路路面時,宜選擇較粗型號。原因是稀漿表處的使用壽命和附著性能與集料最大碎石粒徑成正比。超粗型稀漿表處所用材料應(yīng)符合公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40-2004)的要求。
4.3.2 超粗型稀漿表處集料級配設(shè)計方法
(1)現(xiàn)有瀝青路面集料級配范圍計算方法的適用性
規(guī)范中稀漿表處的集料級配與熱拌瀝青混合料路面的集料級配相比更細,這是由它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)所決定的[5-7,12-13]。在熱拌瀝青混合料路面中,路面厚度是集料最大碎石粒徑的2~3倍,即集料最大粒徑碎石上下至少是2~3層,如圖1(a)所示;而在稀漿表處路面中,集料最大粒徑碎石上下只有1層,如圖1(b)所示。由顆粒排列理論可知,當路面結(jié)構(gòu)中的集料最大粒徑碎石由2~3層變化為1層時,即使在最大粒徑碎石緊密排列時,它們之間的空隙率也急劇增加[6,7,10,24],而在瀝青路面中,最大粒徑碎石并非緊密排列,當路面結(jié)構(gòu)中的集料最大粒徑碎石由2~3層變化為1層時,它們之間的空隙增加更多,由此可見,用熱拌瀝青混合料集料級配做稀漿表處,最大粒徑碎石之間的空隙難以填滿。目前,代表性的瀝青混合料集料級配設(shè)計理論有最大密實度級配曲線理論和粒子干涉理論[24],用它們設(shè)計熱拌瀝青混合料路面集料級配能夠使路面達到密實,而用之設(shè)計稀漿表處集料級配不能使路面達到密實。因此,稀漿表處集料級配與熱拌瀝青混合料路面的集料級配相比需要更多的細料。
表6 車轍深度與超粗型稀漿表處型號對應(yīng)選擇表
(2)超粗型稀漿表處集料級配范圍計算方法
粒子干涉理論的實質(zhì)是防止粒子干涉,一是限制次一級及其以下級別碎石的粒徑不能大(在工程實踐中很難實現(xiàn)),二是次一級及其以下級別粒徑集料的用量不能多,否則就形成了干涉,導(dǎo)致最大級別集料形不成骨架。而超粗型稀漿表處集料級配設(shè)計與粒子干涉理論剛好相反,主要是次一級及其以下級別粒徑集料的用量要足夠多而形成干涉,以適應(yīng)稀漿表處施工工藝的需要,即反粒子干涉理論。
為避免干涉,大小粒子之間應(yīng)按一一數(shù)量分配。從臨界干涉的情況下可導(dǎo)出前一級顆粒的距離為:
(1)
當處于臨界干涉狀態(tài)時t=d,則式(1)可寫為:
(2)
式中:t——前粒級的間隙距離(即等于次粒級的粒徑d);D——前粒級的粒徑;Ψ0——次粒級的理論實積率(實積率即堆積密度與表觀密度之比);Ψs——次粒級的實用積率。
式(2)即為粒子干涉理論公式。
超粗型稀漿表處集料級配范圍計算方法反用粒子干涉理論公式,包括以下步驟[27]。
第一步,計算各級粒徑篩孔臨界干涉累計通過的質(zhì)量百分率,利用粒子干涉理論計算各級粒徑篩孔臨界干涉累計通過的質(zhì)量百分率。
第二步,繪制各級粒徑粒子干涉級配圖,將各級粒徑粒子干涉級配圖繪制在平面直角坐標系中,橫軸為各級粒徑篩孔和標準篩篩孔,左縱軸為各篩孔通過的質(zhì)量百分率,右縱軸為各篩孔累計通過的質(zhì)量百分率;在坐標系中繪制點,把相鄰的點用直線連接就形成一條折線,稱之為粒子干涉級配線,這樣的圖稱為粒徑粒子干涉級配圖。
第三步,計算標準篩篩孔累計通過的粒子干涉質(zhì)量百分率,在粒徑粒子干涉級配圖的橫軸上,分別在各標準篩孔的位置做鉛垂線交于粒子干涉級配線,交點的右縱坐標值就是該標準篩孔累計通過的質(zhì)量百分率,稱之為該標準篩孔累計通過的粒子干涉質(zhì)量百分率。
第四步,確定標準篩孔累計通過的質(zhì)量百分率的上限和下限,設(shè)標準篩孔共有n級,則次一級標準篩孔累計通過的粒子干涉質(zhì)量百分率增加(n-1)×1%±0.5%,次二級粒徑篩孔累計通過的質(zhì)量百分率增加(n-2)×1%±0.5%,次三級粒徑篩孔累計通過的質(zhì)量百分率增加(n-3)×1%±0.5%,依次類推,最后一個是0.075 mm篩孔,則其篩孔累計通過的質(zhì)量百分率增加1×1%±0.5%,也即每一標準篩孔都有兩個累計通過的質(zhì)量百分率,大者稱為上限,小者稱為下限,即形成稀漿表處集料級配范圍。
(3)超粗型稀漿表處集料級配設(shè)計方法
進行改性乳化瀝青稀漿混合料集料級配設(shè)計時,各種規(guī)格的礦料的合成級配在上限和下限之間即可。設(shè)計方法按照規(guī)范和規(guī)程的方法執(zhí)行。
4.3.3 超粗型稀漿表處油石比確定方法
通過濕輪磨耗試驗和負荷車輪黏砂試驗確定超粗型稀漿表處油石比,按照規(guī)范和規(guī)程的方法執(zhí)行。
4.3.4 超粗型乳化瀝青稀漿混合料施工性能驗證方法
超粗型乳化瀝青稀漿混合料施工性能主要驗證和易性和可拌和時間,其中可拌和時間宜控制在不小于150 s,其他控制指標和試驗方法按照規(guī)范和規(guī)程執(zhí)行。
(1)微表處的優(yōu)點十分突出,方便快捷,經(jīng)濟高效,用途廣泛,已成為主要的道路養(yǎng)護手段,并在道路建設(shè)中得到大量地應(yīng)用。
(2)微表處應(yīng)用中容易出現(xiàn)的情況:一是攤鋪厚度大于最大碎石粒徑;二是使用雙層或者多層稀漿表處。
(3)微表處的缺點是使用壽命短、噪音大,規(guī)范中的現(xiàn)有微表處單層厚度薄,不能滿足工程需要,微表處的發(fā)展方向是長壽命、低噪音、大厚度。
(4)稀漿表處內(nèi)部結(jié)構(gòu)特殊,導(dǎo)致其抗剪強度不符合摩爾—庫侖定律,并非內(nèi)摩擦力和黏結(jié)力提供,應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系也不同于傳統(tǒng)的典型瀝青路面。
(5)預(yù)熱拌稀漿表處技術(shù)可以使其使用壽命達到6~8 a;通過摻加廢胎膠粉,能夠使稀漿表處的噪音減小3 dB以上;稀漿表處型號與車轍深度存在匹配性,超粗型稀漿表處能夠滿足填補深車轍的需要。