古洋, 朱瑞峰, 吳旭陽

(中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司, 重慶 400013)

在行車荷載及自然環(huán)境等因素綜合作用下,瀝青路面產(chǎn)生車轍病害。部分車轍在達到破壞臨界深度12.5 mm時會持續(xù)發(fā)展[1-2],到處理修復(fù)時深度已達到25～30 mm。微表處修復(fù)車轍是目前常用的技術(shù)方案[3-6],但MS-3、MS-4型(最大粒徑13.2 mm)[7]和MS-6型(最大粒徑20.0 mm)微表處[8]用于修補深度25～30 mm車轍時需要多層攤鋪。根據(jù)JTG F40—2004《路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》,微表處分層攤鋪時,第一層攤鋪后至少應(yīng)開放交通24 h后方可進行第二層攤鋪[9]。多層微表處修復(fù)車轍一方面會使封閉交通時間延長,另一方面多層微表處交界面處強度較低,內(nèi)部粗集料較少,沒有形成骨架結(jié)構(gòu),易產(chǎn)生新的車轍。采用單層微表處修復(fù)車轍,修復(fù)后即可開放交通,還可避免二次車轍的產(chǎn)生。因此,亟待開發(fā)更大粒徑微表處,用單層微表處修復(fù)深度25～30 mm的車轍病害。本文研究最大粒徑31.2 mm的MS-7型超粗微表處組成設(shè)計,對比超粗微表處與多層微表處的抗車轍性能,為超粗微表處設(shè)計及25～30 mm車轍修復(fù)提供參考。

1 基于最大密度級配曲線理論的MS-7型超粗微表處級配范圍

目前混合料級配設(shè)計理論主要有最大密度級配曲線理論和粒子干涉理論。考慮到采用粒子干涉理論設(shè)計的間斷級配內(nèi)摩阻力大,稀漿混合料不易拌和、攤鋪[10],采用最大密度級配曲線理論初步設(shè)計MS-7型超粗微表處級配,計算公式見式(1)。由于式(1)為無窮級數(shù),沒有最小粒徑限制,會造成礦粉含量過高,對于傳統(tǒng)熱拌瀝青混合料,易造成高溫穩(wěn)定性不足。但對于稀漿混合料,礦粉含量偏高是有利的,甚至是必須的。

P=100(d/D)n

(1)

式中:P為不同等級集料的通過率(%);d為分級集料的粒徑(mm);D為集料的最大粒徑(mm);n為試驗指數(shù)。

將按照最大密度理論計算的級配與目前普遍采用的MS-3型級配進行比較,結(jié)果見表1。由表1可知:MS-3型級配中值中2.36 mm及以上粒徑的通過率分布在最大密度線(n=0.45)以上,1.18 mm及以下粒徑的通過率與最大密度線基本一致,即MS-3型級配與最大密度線大致吻合,集料略偏細,有利于減小集料內(nèi)摩阻力,改善和易性。n=0.3～0.7時按最大密度公式計算的級配范圍與MS-3型級配范圍有較大部分重合。因此,初步確定MS-7型超粗微表處級配設(shè)計中n值為0.3～0.7。

表1 MS-3型級配和按最大理論密度計算的級配對比

2 基于和易性的MS-7型超粗微表處級配范圍

2.1 級配類型及最大密度曲線n值對內(nèi)摩擦角的影響

集料的內(nèi)摩阻力對稀漿混合料的拌和性及和易性影響較大。由于集料本身并無黏聚力,不同規(guī)格集料混合后內(nèi)摩阻力大小主要取決于內(nèi)摩擦角,采用直剪儀測試不同級配類型微表處的內(nèi)摩擦角。不同級配類型微表處的抗剪強度及內(nèi)摩擦角見圖1,其中ES-1、MS-2和MS-3型級配均為《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》[11]推薦的級配范圍中值,MS-7型超粗微表處級配為最大密度曲線n取0.45時的級配。最大密度曲線不同n值時MS-7型超粗微表處的抗剪強度及內(nèi)摩擦角見圖2。

圖1 不同級配類型微表處的抗剪強度及內(nèi)摩擦角測試結(jié)果

圖2 最大密度曲線不同n值時MS-7型超粗微表處的抗剪強度及內(nèi)摩擦角測試結(jié)果

由圖1可知:不同級配類型微表處的抗剪強度及內(nèi)摩擦角隨著最大粒徑的增加而增大,級配類型由ES-1型變化為MS-7型時,抗剪強度及內(nèi)摩擦角分別增大60%、30%。MS-7型超粗微表處的內(nèi)摩阻力相對常規(guī)微表處明顯增加,導(dǎo)致施工和易性降低,施工較困難。

由圖2可知:隨著最大密度曲線n值的增大,MS-7型超粗微表處的抗剪強度和內(nèi)摩擦角整體呈增大趨勢。n值從0.3增大到0.6時,抗剪強度和內(nèi)摩擦角分別增大38%、17%;但n值從0.4增大到0.5時,抗剪強度和內(nèi)摩擦角變化不明顯。為獲得較好的施工和易性,MS-7型超粗微表處級配中最大密度曲線n值不宜過大。

2.2 基于和易性的級配范圍優(yōu)化

由于MS-7型超粗微表處的內(nèi)摩阻力較大,且最大密度曲線中不同n值會影響內(nèi)摩阻力,進而影響施工性能,進行不同n值及不同用水量下施工和易性測試,試驗中固定油石比為7%,施工和易性以砂漿稠度儀測定的稠度值表征。試驗結(jié)果見表2。

表2 最大密度曲線不同n值時MS-7型超粗微表處的施工和易性測試結(jié)果

由表2可知:相同用水量下,不同n值時MS-7型超粗微表處的施工和易性差別較大。整體趨勢為n值增大,內(nèi)摩阻力增加,和易性降低。結(jié)合工程經(jīng)驗,稠度為2～3 cm時施工和易性最佳。同時MS-7型超粗微表處施工厚度大,水分不易揮發(fā),成型較慢,用水量不宜超過10%。綜上,滿足施工和易性要求的最大密度曲線n值為0.3～0.6。

根據(jù)最大密度曲線級配理論及施工和易性要求,確定MS-7型超粗微表處的級配范圍為最大密度曲線n為0.3～0.6對應(yīng)的級配范圍(見表3)。

表3 MS-7型超粗微表處的級配范圍

3 MS-7型超粗微表處的油石比

參考《微表處和稀漿封層技術(shù)指南》,取表3中級配中值,通過濕輪磨耗試驗和負荷車輪黏砂試驗確定MS-7型超粗微表處的油石比范圍。根據(jù)試驗結(jié)果(見表4)及試驗段狀況,滿足規(guī)范要求的MS-7型超粗微表處的油石比為5.0%～7.0%。

表4 不同油石比下MS-7型超粗微表處的濕輪磨耗試驗和負荷車輪黏砂試驗結(jié)果

4 MS-7型超粗微表處的開放交通時間

MS-7型超粗微表處的最大粒徑為31.5 mm,攤鋪厚度達3 cm,水分耗散慢。為加快MS-7型微表處的成型,盡快開放交通,在微表處混合料中摻入少量水泥和速凝劑。此外,微表處成型速度與外界溫度有關(guān)。為分析不同因素對MS-7型微表處成型速度的影響,以水泥摻量、速凝劑摻量和溫度為試驗因素,每個因素選擇3個水平,以L9(34)正交表分析不同因素及水平組合下MS-7型超粗微表處的開放交通時間。水泥采用P.O42.5,集料采用玄武巖,乳化瀝青采用中裂快凝型SBR改性乳化瀝青,速凝劑采用自制復(fù)配型試劑。正交試驗表及試驗結(jié)果見表5,試驗結(jié)果的極差和方差分析見表6。

表5 不同因素及水平組合下MS-7型超粗微表處的開放交通時間

表6 不同因素及水平組合下MS-7型超粗微表處開放交通時間的極差和方差分析

由表6可知:3種因素對開放交通時間的影響程度從大到小依次為溫度、速凝劑摻量和水泥摻量,溫度的影響最明顯,水泥摻量的影響不顯著。水泥摻量為3%、速凝劑摻量為0.9%時MS-7型超粗微表處的開放交通時間最小,故確定水泥摻量為3%、速凝劑摻量為0.9%。宜在氣溫較高時進行MS-7型超粗微表處施工。在較高溫度條件下,水泥摻量為3%、速凝劑摻量為0.9%時,開放交通時間可控制在3 h以內(nèi)。

5 MS-7型超粗微表處的路用性能

通過輪轍變形試驗分析3層MS-3型微表處、MS-3型+MS-5型微表處、MS-5型+MS-3型微表處、單層30 mm厚MS-7型微表處的抗車轍性能。其中:MS-3型級配為《微表處與稀漿封層技術(shù)指南》中級配范圍中值,瀝青用量為7%,單層攤鋪厚度為10 mm;MS-5型級配為n=0.45最大密度線級配,最大粒徑為20 mm,瀝青用量為7%,單層攤鋪厚度為20 mm;單層30 mm厚MS-7型微表處級配為n=0.45最大密度線級配,瀝青用量為7%。3層MS-3型微表處、MS-3型+MS-5型微表處、MS-5型+MS-3型微表處的總攤鋪厚度均為30 mm。每種微表處類型進行5組平行試驗,試驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同微表處組合及MS-7型微表處的輪轍試驗結(jié)果

由圖3可知:MS-7型微表處的車轍深度率最大值為2.2%,平均值為1.6%;寬度變形率最大值為2.4%,平均值為1.4%。其他微表處組合的車轍深度率最大值均大于3%,平均值均大于2%;寬度變形率最大值均大于4%,平均值均大于3%,且3層MS-3型組合的輪轍變形大于其他兩種雙層組合。表明MS-7型微表處的抗車轍性能遠優(yōu)于多層微表處,雙層微表處的抗車轍性能優(yōu)于3層微表處。這主要是由于單層微表處受力時 “頂天立地”的最大粒徑碎石直接將荷載傳遞給地面,最大粒徑碎石不發(fā)生位移和改變,因而厚度變化較小,抗車轍性能較強;雙層或多層微表處受力時,最大粒徑碎石沿接觸面滑動,微表處厚度變薄,經(jīng)車輛反復(fù)碾壓產(chǎn)生車轍。

6 結(jié)論

(1) 不同級配類型微表處的抗剪強度及內(nèi)摩擦角隨著級配最大粒徑的增大而增大,級配由ES-1型變化為MS-7型時,抗剪強度及內(nèi)摩擦角分別增大60%、30%。

(2) 隨著最大密度曲線n值的增大,MS-7型超粗微表處的抗剪強度和內(nèi)摩擦角整體呈增大趨勢,n值從0.3增大到0.6時,抗剪強度和內(nèi)摩擦角分別增大38%、17%。

(3) MS-7型超粗微表處的級配范圍為最大密度曲線n為0.3～0.6對應(yīng)的級配范圍,油石比為5.0%～7.0%。

(4) 不同因素對MS-7型微表處開放交通時間的影響程度從大到小依次為溫度、速凝劑摻量和水泥摻量,在較高溫度條件下,水泥摻量為3%、速凝劑摻量為0.9%時可在3 h內(nèi)開放交通。

(5) MS-7型微表處的抗車轍性能遠優(yōu)于多層微表處,雙層微表處的抗車轍性能優(yōu)于3層微表處。