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基于室內試驗的不同材料改善微表處性能的研究



摘要


針對普通微表處抗裂性能和抗車轍能力等的不足,室內采用微表處常規試驗和混合料低溫彎曲試驗及漢堡車轍試驗(HWTD),對比分析水性環氧乳化瀝青、SBS改性乳化瀝青和纖維改善微表處性能效果的優劣;并探討纖維摻量變化對微表處路用性能的影響。結果表明:改變結合料類型或添加纖維穩定劑均能提升微表處的相關性能,其中纖維的整體改善效果相對更好,尤其是低溫性能,且能夠兼顧改善微表處的各項性能。玄武巖纖維微表處在抗車轍性能和成本造價方面具有明顯的優勢,而耐磨性、水穩定性和低溫抗裂性等略差于聚丙烯纖維微表處,通過劑量優化玄武巖纖維微表處的整體性能仍優于水性環氧乳化瀝青微表處和SBS改性乳化瀝青微表處。根據微表處性能變化和經濟因素,推薦微表處中纖維的摻量為0.10%~0.20%。



關鍵詞:預防性養護 | 微表處 | 纖維 | 路用性能 | 改善效果


微表處是一種重要的預防性養護技術,其在改善路面抗滑性能、平整度、防水、耐磨耗性能以及修復車轍、快速開放交通等方面具有明顯的優勢,已在國內外實體工程中得到了廣泛應用。但通過長期的跟蹤觀察和經驗總結發現,普通微表處混合料存在著抗裂性能差、抵抗重交通能力較弱等缺陷,以至于嚴重縮短其使用壽命。如何有效降低普通微表處在應用中出現的性能不足問題,國內外研究者采用了不同的方法且取得了較好的效果,主要有混合料中摻加纖維、結合料替換為水性環氧改性乳化瀝青或SBS乳化瀝青等。


SBR乳化瀝青中水性環氧樹脂組分的添加,能夠使共混體系在常溫環境下發生固化交聯反應,形成三維網狀空間結構,從而明顯改善微表處的耐磨耗性能和抗剝落性能;孫曉立、鄺堅鋒等研究指出,改性乳化瀝青與2%水性環氧樹脂復配制備的微表處混合料,其耐磨耗性和抗水損害性能提高約60%,且抗滑性能和抗剝落性能明顯優于常規微表處。張慶等研究發現,常規微表處中水性環氧樹脂的添加明顯改善了混合料黏聚強度和耐久性能,且效果與摻加量呈正相關關系。纖維具有吸附、加筋和橋接等作用,添加于微表處混合料中能夠形成三維分散形態,故可以改善其抗裂性能和耐久性;Krummenauer等探討分析了鉻鞣皮革殘留物(含有纖維成分)摻量對微表處相關性能的影響,指出其摻量為0.30%時混合料具有相對較好的路用性能和減小的開裂概率;Wright等研究指出,0.20%玻璃纖維的摻加明顯改善了微表處的抗裂性能,劈裂抗拉強度、間接拉伸勁度模量、疲勞壽命等指標分別提高23%、24%和200%。中國普遍采用聚丙烯纖維來改善微表處的整體性能,其合理摻量根據分散效果、性能變化和經濟條件確定,建議控制為0.10%~0.20%。SBS聚合物具有橡膠和塑料的雙重特性,在明顯改善瀝青高溫性能的同時也可一定程度上改善低溫性能;用其制備改性乳化瀝青能夠改善微表處的高溫抗變形能力和耐磨耗性,尤其是前者。然而遺憾的是上述研究中并沒有提及不同改善方法的性能優劣和加工難易程度,且纖維微表處采用的纖維類型相對單一,缺乏試驗論證和比選,以致于影響微表處技術的推廣和應用。


鑒于此,該文以改善普通微表處路用性能為目的,室內采用常規試驗、組合試件低溫彎曲試驗和漢堡車轍試驗方法等探析纖維、水性環氧改性乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青等措施的改善效果差異;并選取添加方式較簡單和成本相對低的纖維改善措施,借助上述試驗方法分析纖維摻量變化條件下聚丙烯纖維微表處和玄武巖纖維微表處路用性能的優劣,以闡明玄武巖纖維在微表處中應用的可行性,其成果為纖維微表處組分材料的選取提供更多的可取方案。




試驗材料與方法

原材料和改善方案

結合料是微表處性能形成的關鍵,基于對比分析不同結合料改善效果的考慮,選取SBR改性乳化瀝青、水性環氧樹脂改性乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青開展相關試驗,其主要組分摻配方案如表1所示,相應的制備工藝參照其他研究成果。粗細集料分別采用輝綠巖和石灰巖,礦粉為磨細的石灰巖粉,水泥采用325號普通硅酸鹽水泥,礦料和填料技術指標均滿足相關規范指標要求;微表處混合料礦料級配選用MS-3型,具體級配如圖1所示。




纖維穩定劑選用聚丙烯纖維和玄武巖礦物纖維,主要技術指標如表2所示。不同類型微表處各組成材料的摻配比例按照《微表處和稀漿封層技術指南》中推薦的方法進行確定,具體如表3所示;其中纖維的摻量是以集料總量的質量百分率進行計算。玄武巖纖維微表處中集料、SBR改性乳化瀝青和水泥的摻配比例為10012.52.0,而玄武巖纖維的摻量為0.05%~0.30%。





試驗方法與測試條件

微表處技術具有快速開放交通的優勢,鋪后能否達到開放交通的條件室內采用黏聚力試驗進行判斷,而微表處的耐磨耗性能和抗水損害性能則采用濕輪磨耗試驗來評價,相應指標分別為1h6d的濕輪磨耗損失量。

微表處位于路面結構的上層,直接與大氣環境相接觸,受溫度變化的影響相對劇烈。一旦氣溫出現驟降的現象,微表處容易產生低溫開裂病害,這樣會導致其失去封水效果。提高微表處混合料的抗裂性能,能夠有效延長路面的使用壽命。但中國相應的規范中并沒有關于微表處抗裂性能的評價方法,一定程度上阻礙了微表處該方面性能的研究和合理改善措施的提出。綜合考慮瀝青混合料低溫抗裂性能不同試驗方法的優劣和普適性,該文采用彎曲試驗評價微表處的低溫抗裂性能,其試驗溫度及加載速率分別為-10℃和50mm/min;而在測試用試件和指標獲取位置方面做了相應調整,如圖2所示。




微表處能夠用于填補瀝青路面的車轍病害,相應的性能評價時應測定其抗車轍能力;但規范中采用輪轍變形試驗進行評價,試驗溫度為(22±2)℃,這不符合夏季路面的實際溫度狀況。另外試件在加載過程中,由于受設備精度的影響,加載輪并不是嚴格按照直線的方向運行,容易出現跑偏的現象;再加之橡膠輪[寬度(26.0±1.0)mm]置于試件[寬度(50.0±1.0)mm]上后,兩邊剩余寬度較窄,容易加載到試件邊緣,二者綜合導致試件會發生斷裂或松散破壞,影響測試結果精度?;谏鲜鲆蛩氐目紤],試驗時借助漢堡車轍試驗系統、選取空氣浴模式評價不同微表處混合料的抗車轍能力;空氣浴的溫度選定為60℃,加載輪速度和施加荷載的大小分別為52ppm705N。試件為組合型試件,由水泥板和微表處混合料構成,成型方法如下:

①按照標準車轍試模成型125pxC30水泥混凝土板,養生后放入200px車轍模中

②涂刷黏層油,在水泥混凝土板試件上灑鋪改性乳化瀝青,用量為0.3~0.5L/

③拌制微表處混合料,并均勻攤鋪在車轍板上,形成組合試件

④烘箱保溫,組合試件置于60℃的烘箱中保溫不少于16h,取出后碾壓成型,冷卻至室溫備用,處理過程如圖3所示;其中微表處養生后的厚度統一為25mm




不同材料改善微表處性能效果分析


探析不同類型微表處的常規性能、低溫抗裂性和抗車轍能力等差異,以定量說明選取措施改善微表處性能的效果優劣。


微表處常規性能對比

不同微表處混合料黏聚力和濕輪磨耗試驗結果如表4所示。




由表4可知:

①不同類型微表處均能夠滿足快速開放交通的要求,且結合料的改變或添加纖維均一定程度上提高了微表處的黏聚力,其中水性環氧樹脂改性乳化瀝青的改善效果相對明顯,分析原因一方面為在測試周期內水性環氧樹脂與固化劑充分接觸后,二者反應強度能夠快速形成,從而提高了微表處的黏聚力;另一方面水泥的水化為放熱過程,溫度的升高能夠促進水性環氧體系的固化反應速度,故在相同時間內含有該組分的微表處混合料強度比較高

②不同類型微表處的耐磨耗性和抗水損害性能優劣為:水性環氧乳化瀝青>SBR乳化瀝青+聚丙烯纖維>SBS乳化瀝青>SBR乳化瀝青,其中SBR乳化瀝青與水性環氧組分復配或常規微表處中添加纖維措施的改善效果相對更好,這是因為環氧樹脂具有黏結力很強的特性,一旦固化反應完成后,能夠賦予瀝青結合料更好的黏結性能,增加對礦料的黏附程度;而微表處混合料中添加纖維,憑借其吸附、加筋和橋接等作用,能夠提高結合料的黏度、改善與礦料的黏結性,且縱橫交錯的纖維可以限制礦料的自由移動、降低外力的破壞效應,故二者具有較好的性能改善效果


微表處抗車轍能力和低溫抗裂性探討

不同微表處混合料抗車轍能力和低溫抗裂性試驗結果分別如圖4、表5所示。




從圖4、表5可以看出:

①變化瀝青結合料或添加纖維均可以改善微表處混合料的抗車轍能力,其中水性環氧乳化瀝青的改善效果相對更好、而SBS改性乳化瀝青與添加聚丙烯纖維的改善效果基本相當,這是因為水性環氧體系固化后形成的產物為熱固性材料,該過程不可逆、且產物不受溫度變化的影響,所以其具有相對較好的抗車轍性能改善效果;而纖維穩定劑的摻加能夠起到增加結合料黏度、降低礦料自由移動和承擔應力等的作用,但瀝青用量的提高有損混合料的抗車轍性能,上述各種效應相互作用,故對應的改善程度有限

②不同措施對微表處低溫性能的改善效果存在明顯的差異,就破壞應變指標而言,僅添加纖維起到了改善微表處低溫性能的目的,而水性環氧乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青的使用則有損其低溫抗裂性能,原因為SBS聚合物以改善瀝青高溫性能為主,其對瀝青低溫性能的改善效果劣于SBR聚合物;水性環氧樹脂固化后呈脆性,一定程度上降低了微表處混合料的低溫延展能力,故導致其破壞應變值降低,低溫性能遭到損害


綜合以上不同試驗發現,纖維能夠有效改善且可以兼顧微表處的各種性能,而水性環氧乳化瀝青和SBS改性乳化瀝青雖然提高了微表處混合料的耐磨耗、抗水損害和抗車轍能力,但有損其低溫抗裂性,起不到改善整體性能的效果。另外纖維改善措施還具有添加方式簡單、價格相對較低的特性;有必要充分利用好纖維穩定劑的這些優勢,擴大纖維微表處在預防性養護工程中的應用規模。



不同纖維微表處路用性能差異探析


纖維材料能夠綜合改善普通微表處的各項性能,尤其是低溫抗裂性,但其改善效果與纖維類型密切相關,選取合適的纖維應用于微表處中可以達到性能和經濟俱佳的效果。玄武巖纖維是一種無機類礦物纖維,屬于環保型材料,其制備原料為玄武巖石料,具有使用溫度范圍寬、力學性能優異、耐老化性能和化學穩定性好等優良特性,能夠一定程度上彌補有機纖維抗老化性能差的缺陷。通常應用于熱拌瀝青混合料和水泥混凝土中,較少在微表處技術中使用,而僅有的關于玄武巖纖維微表處的研究也多采用規范中提供的方法來進行,忽略了個別試驗方法的不足和玄武巖纖維的性能特點?;诖嗽摬糠植捎貌煌瑩搅康木郾├w維和玄武巖纖維分別制備相應的微表處混合料,借助1.2節提供的試驗方法對比分析聚丙烯纖維微表處和玄武巖纖維微表處的性能差異及纖維摻量變化對微表處性能的影響,以闡明玄武巖纖維改善微表處性能的明顯效果。


黏聚力對比

玄武巖纖維和聚丙烯纖維微表處黏聚力試驗結果如表6所示。




從表6可知:

①纖維微表處混合料黏聚力變化與纖維摻量密切相關,即隨著纖維摻量的增加,混合料黏聚力逐漸大,而摻量超過0.20%后,增長幅度減緩,原因為混合料內部體積空間容納纖維量有限,摻量超過合理范圍后其增強作用受阻,且過多的纖維容易出現結團現象,二者綜合作用導致黏聚力增長變緩,結合經濟因素推薦纖維摻量不宜高于0.20

②聚丙烯纖維微表處的黏聚力值大于玄武巖纖維微表處,說明后者開放交通的時間相對滯后,聚丙烯纖維改善作用優于玄武巖纖維的原因為前者的吸油率相對較大,在瀝青用量基本相同的情況下,其能夠吸附更多的瀝青輕質組分,促進乳化瀝青破乳和水泥水化,加快混合料強度形成


其他性能差異性分析

不同類型纖維微表處高、低溫性能和耐磨性能試驗結果如表7所示。




由表7可知:

①聚丙烯纖維微表處混合料的耐磨耗性、抗水損害和低溫抗裂性能等均優于玄武巖纖維微表處,這與4.1節黏聚力試驗結果一致。聚丙烯纖維微表處混合料低溫性能相對較好的原因為聚丙烯纖維的斷裂伸長率大于玄武巖纖維,該指標越大則材料的韌性越好,受力時越不宜拉斷,摻入混合料后其抗變形能力提高,可以承受更大的拉伸力和拉伸應變

②玄武巖纖維、聚丙烯纖維微表處混合料的抗車轍能力依次遞減,原因一方面為材料的塑性和強度是兩個相互“矛盾”的性能指標,其中一指標的提高就意味著另一指標必然會受到損害,即低溫性能較差的混合料對應的高溫性能反而相對較好;另一方面玄武巖纖維的組分為天然玄武巖礦料,其在混合料中的分散效果優于聚丙烯纖維,在摻量相同的情況下,前者可以更好地發揮吸附和加筋的作用,故對應的抗車轍性能相對更優

③纖維摻量在0~0.20%范圍內變化時,纖維改善微表處各種性能的效果與其呈正相關,一旦摻量達到0.20%以上,纖維微表處對應的各種性能反而出現不同程度的降低,還增加了鋪筑成本,其原因為混合料中摻加過量的纖維易出現結團現象,吸附大量的結合料,導致混合料中結合料分布不均勻,瀝青膜厚度相對減薄,從而影響二者的黏結性能,造成混合料的整體性能出現損害。根據纖維摻量對微表處各種性能的影響和經濟因素等,建議纖維的添加量為0.10~0.20


玄武巖纖維微表處具有優良的抗車轍性能,且纖維成本明顯低于聚丙烯纖維;微表處中添加合適劑量的玄武巖纖維,能夠明顯提高黏聚力、耐磨耗性和低溫抗裂性等,但上述性能略低于聚丙烯纖維微表處混合料。玄武巖纖維微表處可以用于瀝青路面的預防性養護工程(冬季氣溫相對較溫和的地區)和車轍病害的修復。



結論


(1)改變結合料類型或添加纖維均能夠改善常規微表處混合料的相關性能,其中摻加纖維具有相對較好的整體改善效果;聚丙烯纖維微表處的耐磨耗性和抗水損害性能優于SBS乳化瀝青微表處、SBR乳化瀝青微表處,劣于水性環氧乳化瀝青微表處;其低溫性能相對更優、且具有改善效果,而高溫性能低于水性環氧乳化瀝青微表處,與SBS乳化瀝青微表處的性能基本相當。

(2)玄武巖纖維微表處的抗車轍性能高于聚丙烯纖維微表處,而黏聚力、耐磨耗性、水穩定性和低溫抗裂性等略低于后者,且玄武巖纖維的成本低廉;合適摻量的玄武巖纖維微表處,其整體性能優于水性環氧乳化瀝青微表處和SBS乳化瀝青微表處混合料。

 (3)聚丙烯纖維和玄武巖纖維劑量在合理范圍內,其能夠明顯改善微表處的性能,但摻量繼續增加則耐磨耗、抗水損害和高低溫性能等的改善效果受到損害,性價比下降,結合微表處性能變化和經濟因素,建議纖維的添加量為0.10~0.20%。


全文完 發布于《中外公路》20218




車轍儀


設備名稱:雙輪式漢堡車轍儀
型       號:B038AM
制  造  商:意大利Matest公司


滿足規范:EN 12697-22、AASHTO T324-04、JTG E20 T 0719-2011

試驗環境 : 空氣浴 + 水浴 專利號 : US 9, 964, 471

漢堡車轍儀可用于確定熱拌瀝青 (HMA) 抗車轍和水害的能力。意大利matest的“SmarTracker?” 型號的瀝青混合料車轍實驗儀符合并超過 EN 和 AASHTO 規范的要求。 采用智能設計,具有創新功能并考慮到用戶的需求。

市場上比較通用的車轍儀,每個測試輪配備單獨的伺服電機驅動,可在任何時候終止其中一個測試輪的運行,確??梢詫γ總€試件進行單獨的車轍分析?,F在,您可以對兩個測試輪進行濕式或干式試驗,或者同時分別在干式和濕式條件下運行。


伺服電機采用正弦控制信號控制驅動測試輪,使得測試輪運動的位移-時間曲線完全滿足EN和AASHTO規范的要求,以正弦曲線的方式對試件進行碾壓,保證了輪跡的對稱,確保了數據的準確。而市場上很多采用曲柄滑塊驅動的車轍儀,都不能滿足正弦碾壓的要求,會造成較大的數據誤差。


使用這種先進且用戶友好的車轍實驗儀確定蠕變斜率、剝離變形拐點和剝離斜率,以及動穩定度(中國規范)。 SmarTrackerTM 漢堡車轍儀是由意大利matest的研發工程師和來自美國和世界各地的非常有經驗和聲譽的行業專家、科研人員 聯合開發的。

用途
瀝青混合料車轍試驗是用來測定熱拌瀝青混合料在一定荷載下的形 變敏感度,它是通過測量在設定的溫度下加載輪反復碾 壓試樣一定次數而形成的車轍深度來實現的。漢堡車轍 儀可用于確定熱拌瀝青混合料(HMA)抗車轍能力。用 于瀝青混合料車轍試驗,在實驗室模擬瀝青路面高溫 狀態受荷載作用下的yong久變形(車轍),屬于現象學 / 經驗法的試驗方法。

產品特點

▍符合并超過 AASHTO 和 EN 標準,可用空氣?。ǜ墒剑┖退。袷剑υ嚰M行控溫

▍每個測試輪由單獨的伺服電機驅動,確保對每個試件進行單獨的車轍分析

▍測試輪運行時的位移-時間曲線符合規范要求的正弦曲線。

▍無需提升組件,測試輪在試驗結束后自動退回原點

▍堅固耐用,專門為環境嚴酷的建筑實驗室設計

▍試?;瑒佣ㄎ粰C構,便于試模的安裝和取出

▍全自動運行,任意一個測試輪達到目標深度或試驗次數時,系統自動識別并停止試驗

▍觸摸屏控制器,用戶界面友好,試驗狀態、數據管理和測試結果均可視化顯示

▍兩個測試輪均各配備了用于車轍測量的位移傳感器

▍機械循環水浴,溫度控制在±1℃以內

▍每次試驗都可輕松地裝載、卸載、排水和清潔

▍設計緊湊,維修方便,也適用于小型建筑實驗室

▍裝有保護罩,確保操作人員遠離運動部件,并在進行試驗過程中更好地保溫





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