陸利豐,危 笛

(廣西北投交通養(yǎng)護(hù)科技集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530201)

0 引言

碎石封層作為一種高效、經(jīng)濟(jì)、便捷的施工技術(shù),廣泛應(yīng)用于瀝青路面新建及養(yǎng)護(hù)工程中,不僅可作為低等級(jí)瀝青路面的磨耗層,提升路面服務(wù)水平,同時(shí)在瀝青路面新建工程、大中修工程可作為粘結(jié)層,有效粘結(jié)上下兩層材料,起到防水及提升路面整體強(qiáng)度的作用[1]。因此封層的施工質(zhì)量直接影響路面整體質(zhì)量,而碎石封層施工質(zhì)量受封層材料因素影響顯著,因此大量研究人員對(duì)封層施工材料進(jìn)行研究,并由此確定了最佳材料用量。李晶[2]研究發(fā)現(xiàn)瀝青種類、用量對(duì)封層抗剪強(qiáng)度影響顯著。曾蔚[3]基于封層抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度,確定了瀝青、碎石最佳撒布量為1.4 kg/m2、8.0 kg/m2,此時(shí)的碎石覆蓋率為60%～70%。王瑞[4]探究了瀝青用量、纖維用量和纖維長(zhǎng)度對(duì)封層剪切強(qiáng)度的影響,并以剪切強(qiáng)度為響應(yīng)值對(duì)比分析了響應(yīng)曲面法、單因素試驗(yàn)法、正交試驗(yàn)法的優(yōu)化效果,發(fā)現(xiàn)響應(yīng)曲面法得出的最優(yōu)解最佳。

目前大量研究針對(duì)封層施工質(zhì)量的材料影響因素展開,但其中大部分僅以封層粘結(jié)性能為表征來確定封層材料的最佳用量,忽略了封層施工對(duì)瀝青路面整體路用性能的影響。因此,為保障碎石封層的施工質(zhì)量,本文基于封層粘結(jié)性能及瀝青路面路用性能,探究封層碎石撒布率、瀝青用量對(duì)其的影響程度,以雙因素方差法分析確定主要影響對(duì)象,再據(jù)此以響應(yīng)曲面法確定各封層材料最佳用量,為瀝青路面碎石封層設(shè)計(jì)提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 瀝青

選取SBS改性瀝青,其相關(guān)性能參數(shù)滿足《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)范》)的要求,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 SBS改性瀝青檢測(cè)結(jié)果表

1.1.2 碎石

選用4.75～9.5 mm的石灰?guī)r集料,其滿足《技術(shù)規(guī)范》的要求,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 碎石檢測(cè)結(jié)果表

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 粘結(jié)性能試驗(yàn)

在某高速公路路面中修銑刨重鋪工程中,調(diào)整同步碎石封層碎石撒布率(80%、50%、20%)及瀝青撒布量(1.2 kg/m2、1.5 kg/m2、1.8 kg/m2),完成封層施工后鋪筑瀝青面層,在面層施工后對(duì)相應(yīng)路段進(jìn)行鉆芯取樣,獲取不同材料用量的5 cm基層+封層+5 cm面層復(fù)合試件,在60 ℃環(huán)境下保溫2 h后進(jìn)行拉拔、斜剪試驗(yàn)。

1.2.1.1 拉拔試驗(yàn)

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉拔試驗(yàn),利用環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)試件與夾具,試件固定后以0.8 kN/s速率進(jìn)行加載,以最大拉拔強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2.1.2 斜剪試驗(yàn)

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行斜剪試驗(yàn),將試件固定于斜剪夾具,加載速率為50 mm/min,以剪切強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.2.2 路用性能試驗(yàn)

面層施工后依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450-2019)中T0971-2019、T0964-2008、T0932-2008方法對(duì)不同封層材料用量路段面層進(jìn)行滲水、抗滑、平整度檢測(cè)。

2 封層粘結(jié)性能

對(duì)不同碎石撒布率及瀝青撒布量的路段鉆芯取樣獲取復(fù)合試件進(jìn)行拉拔及斜剪試驗(yàn),結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 拉拔強(qiáng)度曲線圖

圖2 抗剪強(qiáng)度曲線圖

同時(shí),為分析不同封層材料用量對(duì)封層粘結(jié)性能的影響,采用雙因素方差進(jìn)行分析,結(jié)果如表3所示。

表3 影響拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的雙因素方差分析結(jié)果表

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析可知:

(1)碎石撒布率對(duì)拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度影響顯著。由表3可知,碎石灑布率與拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的概率P值均<0.05,說明不同碎石灑布率對(duì)拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著性。

(2)不同瀝青用量下,隨碎石撒布率的增加,拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度均先增大后減小。由圖1可知,1.5 kg/m2瀝青用量下,當(dāng)碎石撒布率從20%增至80%,拉拔強(qiáng)度由5.8 kPa增至12.8 kPa,再降至6.6 kPa,說明碎石用量過多、過少封層粘結(jié)性能均不佳,會(huì)嚴(yán)重影響碎石封層施工質(zhì)量,因此在實(shí)際施工中必須嚴(yán)格控制碎石撒布率。

(3)瀝青用量對(duì)封層粘結(jié)性能存在一定影響,由表3可知,瀝青用量與拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度的概率P值均<0.05,但略大于碎石撒布率與其的P值,說明不同瀝青用量對(duì)拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著性,但影響程度略小于碎石撒布率。

(4)50%碎石撒布率及以下,粘結(jié)性能隨瀝青用量先增強(qiáng)后減弱,80%碎石撒布率下,粘結(jié)性能隨瀝青用量增大而增強(qiáng)。由圖2可知,瀝青用量從1.2 kg/m2增至1.8 kg/m2,20%碎石撒布率下,抗剪強(qiáng)度由18.6 kPa增至23.1 kPa再減小至21.3 kPa,而80%撒布率下抗剪強(qiáng)度由21.5 kPa增至27.1 kPa。這是由于一定碎石撒布率以下,瀝青用量過少則碎石間瀝青爬升高度不足,無法有效粘結(jié)碎石,瀝青用量過多會(huì)造成部分瀝青無法有效地和碎石結(jié)合,自由瀝青過多,使抗剪強(qiáng)度減弱;在一定碎石撒布率以上,隨著瀝青用量增大,與碎石裹附接觸的結(jié)構(gòu)瀝青增多,可有效增強(qiáng)其抗剪強(qiáng)度[5]。

3 施工后路面路用性能

對(duì)不同碎石撒布率及瀝青用量的路段施工后的瀝青路面進(jìn)行滲水、抗滑、平整度檢測(cè),結(jié)果如表4所示。

表4 不同封層材料用量下瀝青路面路用性能試驗(yàn)結(jié)果表

為分析不同封層材料用量對(duì)瀝青路面施工后路用性能的影響,采用雙因素方差進(jìn)行分析,結(jié)果如表5所示。

表5 影響瀝青路面路用性能的雙因素方差分析結(jié)果表

其中滲水系數(shù)與碎石撒布率、瀝青用量的關(guān)系如圖3所示。

圖3 滲水系數(shù)曲線圖

對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行分析可知:

(1)碎石撒布率、瀝青用量對(duì)施工后瀝青路面滲水性能存在一定影響,對(duì)抗滑性能、平整度基本無影響。由表5可知,碎石撒布率、瀝青用量與摩擦系數(shù)、平整度的概率P值均>0.05,與滲水系數(shù)的P值分別為0.001、0.02,說明封層材料用量對(duì)瀝青路面施工后的抗滑性能、平整度基本無影響,但對(duì)滲水性能影響顯著,因此封層材料設(shè)計(jì)時(shí)還需考慮對(duì)瀝青路面滲水性能的影響。

(2)封層材料用量對(duì)施工后瀝青路面滲水性能的影響規(guī)律與對(duì)封層粘結(jié)性能一致。由圖3可知,不同瀝青用量下,瀝青路面滲水性能均隨碎石撒布率的增加而先增強(qiáng)后減弱;碎石撒布率≤50%時(shí)滲水性能隨瀝青用量先增強(qiáng)后減弱,碎石撒布率≤80%時(shí)滲水性能隨瀝青用量增大而增強(qiáng)。

4 封層材料用量?jī)?yōu)選

為進(jìn)一步優(yōu)化封層材料用量,采用響應(yīng)曲面法進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)2因素3水平響應(yīng)面,以拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、滲水系數(shù)作為響應(yīng)值。通過擬合回歸,建立碎石撒布率(A)、瀝青用量(B)對(duì)封層拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、瀝青路面滲水系數(shù)的二次多項(xiàng)回歸模型,其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下:

拉拔強(qiáng)度=12.53+0.42A+0.85B+0.43AB-5.67A2-1.87B2(P<0.000 1,R2=0.982 9)

(1)

抗剪強(qiáng)度=47.11+2.00A+2.03B+0.73AB-20.62A2-5.22B2(P<0.000 1,R2=0.990 1)

(2)

滲水系數(shù)=19.60-3.45A-3.43B-1.05AB+19.85A2+4.90B2(P<0.0001,R2=0.990 7)

(3)

由此可得到拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、滲水系數(shù)的響應(yīng)曲面,并以其進(jìn)行響應(yīng)優(yōu)化,相應(yīng)結(jié)果如圖4所示。

(a)拉拔強(qiáng)度

(1)3個(gè)曲面響應(yīng)回歸模型均擬合度較好,P值均<0.0001,R2分別為0.982 9、0.990 1、0.990 7,說明可以據(jù)此有效預(yù)測(cè)兩項(xiàng)影響因素下拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度響應(yīng)變化,其中拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、滲水系數(shù)交互項(xiàng)AB的P值分別為0.203 0、0.393 5、0.211 0,說明碎石撒布率、瀝青用量對(duì)封層粘結(jié)性能、瀝青路面滲水性能交互影響不顯著。

(2)以獲取拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度最大值,滲水系數(shù)最小值為目標(biāo),進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化,結(jié)果顯示:碎石撒布率、瀝青用量應(yīng)分別選取51.5%、1.57 kg/m2,所得拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、滲水系數(shù)最佳,分別為:12.54 kPa、47.34 kPa、19.0 mL/min。

5 結(jié)語

(1)碎石撒布率對(duì)封層粘結(jié)性能影響顯著,不同瀝青用量下,粘結(jié)強(qiáng)度均隨碎石撒布率的增加先增強(qiáng)后減弱。同時(shí)瀝青用量對(duì)封層粘結(jié)性能存在一定影響,碎石撒布率≤50%時(shí)粘結(jié)性能隨瀝青用量先增強(qiáng)后減弱,碎石撒布率≤80%時(shí)粘結(jié)性能隨瀝青用量增大而增強(qiáng)。因此在實(shí)際施工中必須嚴(yán)格控制碎石撒布率,合理選用瀝青用量,防止出現(xiàn)碎石脫粒、泛油等病害,確保封層施工質(zhì)量。

(2)碎石撒布率、瀝青用量對(duì)施工后瀝青路面滲水性能影響顯著,對(duì)抗滑性能、平整度基本無影響,說明在封層材料用量設(shè)計(jì)時(shí),還需考慮其對(duì)瀝青路面滲水性能的影響。

(3)考慮封層粘結(jié)性能、瀝青路面滲水性能,以拉拔強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、滲水系數(shù)作為響應(yīng)值進(jìn)行響應(yīng)曲面優(yōu)化,確定碎石撒布率、瀝青用量最佳為51.5%、1.57 kg/m2,所獲拉拔強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、滲水系數(shù)分別為12.54 kPa、47.34 kPa、19.0 ml/min。