吳佳洪

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510507 )

0 引言

車轍作為瀝青混凝土路面的典型結(jié)構(gòu)性病害,對(duì)交通通行安全影響較大。已有研究成果表明,車轍病害與瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度密切相關(guān)[1]。在荷載作用下,輪胎非均布荷載在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的剪切力,導(dǎo)致面層和基層發(fā)生剪切破壞。泡沫瀝青混合料作為典型的基層材料,其抗剪強(qiáng)度尤為重要,是影響路用性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一[2]。泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響因素是多方面的,主要包括混合料級(jí)配組成、泡沫瀝青類型及用量、集料類型、水泥等填料等因素[3]。關(guān)于泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的研究已取得不少成果[4-6],對(duì)提高混合料抗剪強(qiáng)度具有一定的指導(dǎo)意義,但對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度影響因素的系統(tǒng)研究尚不多,尤其是缺乏對(duì)影響因素重要性的權(quán)重分析。

本文對(duì)泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度影響因素(瀝青發(fā)泡性能、瀝青用量、水泥摻量、纖維摻量)進(jìn)行正交組合設(shè)計(jì),通過單軸貫入試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的抗剪強(qiáng)度,系統(tǒng)分析各影響因素對(duì)抗剪強(qiáng)度的相關(guān)性及重要性權(quán)重,為提高混合料抗剪強(qiáng)度提供參考性方法和技術(shù)路徑。

1 原材料

1.1 集料

本試驗(yàn)采用輝綠巖集料,其技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 集料性能試驗(yàn)結(jié)果

1.2 泡沫瀝青

本試驗(yàn)采用中海油70#基質(zhì)瀝青,其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 瀝青技術(shù)指標(biāo)

本文采用瀝青發(fā)泡機(jī)iFoam(圖1)對(duì)基質(zhì)瀝青進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)。瀝青發(fā)泡機(jī)將高壓條件下的高溫瀝青與霧狀水分混合制成泡沫瀝青,通過調(diào)整泡沫瀝青溫度、發(fā)泡用水量等指標(biāo)測試泡沫瀝青的膨脹率和半衰期指標(biāo),綜合評(píng)價(jià)瀝青的發(fā)泡性能。以中海油70#基質(zhì)瀝青為研究對(duì)象,進(jìn)行瀝青發(fā)泡試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3。

圖1 瀝青發(fā)泡機(jī)

表3 瀝青發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,中海油70#基質(zhì)瀝青的瀝青溫度為140℃～170℃,半衰期范圍為24.7～50.3s,膨脹比范圍為12～29倍,滿足泡沫瀝青冷再生混合料中瀝青發(fā)泡的最低要求[7]。

泡沫瀝青的發(fā)泡性能直接影響瀝青在混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的空間分布。在泡沫瀝青用量不變的前提下,瀝青發(fā)泡性能對(duì)混合料內(nèi)聚力具有一定程度的影響,也間接制約混合料的抗剪強(qiáng)度性能。因此,本試驗(yàn)將瀝青發(fā)泡性能也遴選為一個(gè)影響因素,探索其對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的相關(guān)性。為便于開展后續(xù)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),依據(jù)中海油70#基質(zhì)瀝青的發(fā)泡性能試驗(yàn)數(shù)據(jù),可將中海油70#基質(zhì)瀝青的發(fā)泡性能分為三個(gè)水平(表4)。

表4 瀝青發(fā)泡性能

1.3 水泥

水泥的性能指標(biāo)見表5。

表5 水泥主要性能指標(biāo)

1.4 聚丙烯纖維

本試驗(yàn)選用聚丙烯纖維,其性能指標(biāo)見表6。

表6 纖維主要性能指標(biāo)

2 正交試驗(yàn)

結(jié)合泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的相關(guān)研究成果,同時(shí)考慮后續(xù)改善混合料抗剪強(qiáng)度的可實(shí)施性和易操作性,本試驗(yàn)未考慮混合料級(jí)配和集料類型的影響,遴選瀝青發(fā)泡性能、泡沫瀝青用量、水泥摻量、聚丙烯纖維摻量等4個(gè)因素進(jìn)行正交設(shè)計(jì)[8]。為簡化正交試驗(yàn),本試驗(yàn)設(shè)定為4因素3水平,試驗(yàn)次數(shù)為9次,記為L9(34),見表7。

表7 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 級(jí)配和最佳拌合用水量

3.1 級(jí)配

泡沫瀝青混合料屬于懸浮密實(shí)型混合料結(jié)構(gòu)類型,一般在混合料級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)采用最大密度理論[9-10],獲取密度大、空隙小的混合料。最大密度理論的核心思想就是混合料級(jí)配曲線越接近拋物線,則密度越大。最大密度曲線n冪公式如式(1)所示。

P=(d/D)n×100

(1)

式中:D—集料最大粒徑;

d—集料篩孔尺寸;

P—集料通過百分率(%)。

參考泡沫瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)規(guī)范,兼顧室內(nèi)泡沫瀝青混合料拌合鍋的拌合效果(19mm以上集料易發(fā)生卡頓),本試驗(yàn)D取值19mm。n為集料級(jí)配指數(shù),一般取值0.3～0.7,經(jīng)測算,當(dāng)n=0.65時(shí)的混合料級(jí)配為本試驗(yàn)設(shè)計(jì)級(jí)配,如圖2所示。

圖2 泡沫瀝青混合料級(jí)配曲線

3.2 最佳拌合用水量

為保障泡沫瀝青混合料的瀝青分散效果和混合料拌和效果,一般在混合料拌合和壓實(shí)時(shí)需加適量的水。本試驗(yàn)采用無機(jī)結(jié)合料擊實(shí)試驗(yàn)[11]測定混合料的最佳拌合用水量,擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,混合料最大干密度為2.18g/cm3,最佳含水量為5.65%。依據(jù)泡沫瀝青冷再生混合料規(guī)范[7],泡沫瀝青混合料最佳拌合用水量為混合料最佳含水量的80%,因此泡沫瀝青混合料的拌合用水量為4.52%。

4 單軸貫入試驗(yàn)

本文通過單軸貫入試驗(yàn)[12]測定泡沫瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度。單軸貫入試驗(yàn)采用圓柱形剛性壓頭在試件上加壓,其受力模式與路面一致,試驗(yàn)易操作,設(shè)備簡單。泡沫瀝青再生混合料公稱最大粒徑為19mm,采用150 mm×150 mm的圓柱形試件,壓頭采用42 mm圓柱形剛性壓頭。加載速率為1mm/min、試驗(yàn)溫度為40 ℃、剪應(yīng)力系數(shù)為0.35、高度校正系數(shù)為1.0。

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)表7正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)定相應(yīng)的瀝青和集料類型、瀝青發(fā)泡性能、泡沫瀝青用量、水泥摻量、聚丙烯纖維摻量、級(jí)配組成和混合料最佳拌合用水量,制備9組泡沫瀝青混合料,成型馬歇爾試件,進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 泡沫瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

4.2 數(shù)據(jù)分析

結(jié)合表8的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過極差分析,測算各影響因素的相關(guān)性和影響權(quán)重。極差分析結(jié)果見表9。

表9 多因素敏感性分析

由表9可知:通過多因素敏感性分析,綜合考慮瀝青發(fā)泡性能、泡沫瀝青用量、水泥摻量、聚丙烯纖維摻量對(duì)泡沫瀝青混合料貫入強(qiáng)度的影響,其敏感性差異性較大,其中:水泥摻量>聚丙烯纖維摻量>瀝青發(fā)泡性能>泡沫瀝青用量。

泡沫瀝青混合料貫入強(qiáng)度對(duì)水泥摻量和瀝青發(fā)泡性能的變化較為敏感。水泥摻量直接影響混合料的強(qiáng)度。水泥分散在混合料內(nèi)部后,硅酸三鈣與混合料中的水水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣,不斷強(qiáng)化混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)中集料-集料的黏接力,提高了混合料的整體穩(wěn)定性和強(qiáng)度,因此水泥的摻入對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度具有積極作用。但是混合料設(shè)計(jì)中的水泥摻量需進(jìn)一步深入研究,如水泥摻入過多,會(huì)導(dǎo)致混合料內(nèi)部的水化熱來不及釋放產(chǎn)生膨脹開裂而不利于混合料強(qiáng)度。

聚丙烯纖維強(qiáng)度高、韌性好,在混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部起到加筋的作用,有效增強(qiáng)混合料的強(qiáng)度性能,對(duì)其抗剪性能和抗彎拉性能具有顯著的提升效果。因此,纖維是混合料抗剪強(qiáng)度性能的重要影響因素,在研究混合料抗剪強(qiáng)度時(shí)摻加纖維是一個(gè)較理想的技術(shù)路徑。

瀝青發(fā)泡性能是泡沫瀝青混合料成型的首要考慮因素,也是決定待選瀝青是否適用于制備泡沫瀝青混合料。瀝青發(fā)泡性能的評(píng)定參數(shù)主要是膨脹比和半衰期,膨脹比越大、半衰期越長,就給予泡沫瀝青和集料充分的拌合時(shí)間,促使泡沫瀝青達(dá)到優(yōu)異的分散效果,以達(dá)到較好的拌合均勻性。瀝青發(fā)泡性能直接制約泡沫瀝青分布在混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)的空間分布數(shù)量和形態(tài),進(jìn)一步影響瀝青膠漿成膜的連續(xù)性和完整性,從而影響混合料的抗剪強(qiáng)度性能。因此,瀝青發(fā)泡性能是混合料抗剪強(qiáng)度性能的重要影響因素之一。

通常泡沫瀝青作為混合料的膠粘劑,其用量多少對(duì)混合料強(qiáng)度具有一定程度的影響。但在本試驗(yàn)中,相比于水泥摻量、聚丙烯纖維摻量、瀝青發(fā)泡性能,泡沫瀝青用量對(duì)混合料貫入強(qiáng)度的影響較弱。經(jīng)試驗(yàn)分析可知,泡沫瀝青用量取值2%、3%、4%,對(duì)混合料貫入強(qiáng)度有一定程度的影響,但影響的差異性較小。原因可能是:(1)相比于水泥摻量、聚丙烯纖維摻量、瀝青發(fā)泡性能,泡沫瀝青用量對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的改善或提升效果較弱;(2)泡沫瀝青以點(diǎn)焊的方式分布在混合料內(nèi)部,用量較少時(shí),混合料內(nèi)部粘結(jié)力不足;用量較多時(shí),富余的自由瀝青降低了混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的嵌擠作用,導(dǎo)致混合料抗變形性能變差,強(qiáng)度下降。因此,混合料設(shè)計(jì)中泡沫瀝青的用量需進(jìn)一步深入研究。

4.3 單一變量試驗(yàn)

結(jié)合上述正交試驗(yàn)結(jié)果,為進(jìn)一步明確各因素對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的影響,本試驗(yàn)進(jìn)一步開展單一變量試驗(yàn)。仍選定本文的瀝青和集料類型、級(jí)配組成和混合料最佳拌合用水量,在維持其他變量不變的前提下,調(diào)整單一變量的取值,制備泡沫瀝青混合料,進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果見表10。

表10 泡沫瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

由表10數(shù)據(jù)分析可知,瀝青發(fā)泡性能、水泥摻量、聚丙烯纖維摻量與泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度正相關(guān)。隨著瀝青發(fā)泡性能水平高,水泥摻量、聚丙烯纖維摻量增加,混合料抗剪強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)?；旌狭峡辜魪?qiáng)度隨著泡沫瀝青用量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,也間接表明了泡沫瀝青用量過多或過少對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度都是不利的。本文建議以瀝青發(fā)泡性能高水平、泡沫瀝青用量3.0%、水泥摻量1.5%、纖維摻量0.4%為泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的最佳組合。

5 結(jié)論

(1)通過泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度影響因素正交試驗(yàn)分析,綜合考慮瀝青發(fā)泡性能、泡沫瀝青用量、水泥摻量、聚丙烯纖維摻量對(duì)泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響,其敏感性差異性較大,其中:水泥摻量>聚丙烯纖維摻量>瀝青發(fā)泡性能>泡沫瀝青用量。水泥摻量和聚丙烯纖維摻量是混合料抗剪強(qiáng)度性能的重要影響因素,可考慮在泡沫瀝青混合料中添加水泥或聚丙烯纖維,以提升混合料的抗剪強(qiáng)度。

(2)通過單一變量試驗(yàn)分析,瀝青發(fā)泡性能、水泥摻量、聚丙烯纖維摻量與泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度正相關(guān),混合料抗剪強(qiáng)度隨著泡沫瀝青用量增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。建議以瀝青發(fā)泡性能高水平、泡沫瀝青用量3%、水泥摻量1.5%、纖維摻量0.4%為泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的最佳組合。

(3)由于混合料材料的復(fù)雜性和特殊性,導(dǎo)致混合料抗剪強(qiáng)度影響因素和權(quán)重是多方面的。本文試驗(yàn)結(jié)果可為改善泡沫瀝青混合料抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供參考。由于抗剪強(qiáng)度僅是泡沫瀝青混合料路用性能的重要因素之一,通過本文試驗(yàn)的影響因素組合設(shè)計(jì)可改善混合料的抗剪強(qiáng)度,但可能對(duì)其他混合料性能帶來不利影響,因此瀝青發(fā)泡性能、泡沫瀝青用量、水泥摻量、聚丙烯纖維摻量對(duì)混合料路用性能的影響和摻量設(shè)計(jì)尚有待進(jìn)一步深入研究。