纖維碎石封層試件成型的碎石用量試驗研究

葉 尖 李玉華

纖維碎石封層技術在國內的應用還處于初步階段,缺乏專門的設計、施工技術、質量檢測和試驗等規程或方法。目前主要難點在于采用合適的方法模擬層鋪法施工過程來成型試件。試件成型方法是開展后續研究的前提,但是國內外并沒有涉及該方法的資料。因此,本文通過模擬纖維碎石封層現場施工過程[1],參考國內外同步碎石封層資料,提出了膠墊厚度、初壓次數、復壓次數、養生溫度四個影響因素,對纖維碎石封層試件實驗室成型過程中的碎石用量進行研究,希望對纖維碎石封層成型方法研究起到一定作用。

1 試驗方案

1.1 材料類型規格及特性

纖維封層主要使用了三種材料:乳化瀝青、纖維和碎石[2]。

乳化瀝青應為陽離子、快凝型SBR聚合物改性乳化瀝青,具有足夠的流動性以便于噴灑,同時也應具有足夠的粘度而不至于在路面上流淌,噴灑后能與原路面及碎石集料迅速達到較好的粘結力。

碎石應具有良好的抗磨耗性能、抗滑性能及足夠的抗壓性能,應盡量采用單一粒徑并具有立方體形狀的集料。本文主要研究用于磨耗層的纖維碎石封層,選用粒徑范圍為5～10的玄武巖[4]。為了保證試驗時碎石覆蓋率為100%,防止出現“缺料漏油”現象,碎石撒布量應比理論用量多出20%[5]:在試模內鋪滿一層碎石,碎石的質量即是理論用量,而碎石用量則是指經試驗后仍然與瀝青粘結的碎石粘附量。碎石在使用之前應經過水洗、篩分和烘干,防止碎石表面的粉塵、泥土影響碎石與乳化瀝青的粘結性[6]。

纖維應具有良好的切割性、較高的斷裂強度和較好的吸油率,試驗中采用噴射用無捻粗紗型玻璃纖維,纖維長度為60 mm。

1.2 試件形狀與尺寸

試件形狀與尺寸的確定與試件成型后的功用相關。纖維碎石封層試件成型后,需用于纖維碎石封層表面構造深度、表面摩擦系數、濕輪磨耗及粘聚力等室內試驗,并用于評價纖維碎石封層的路用性能、檢驗配合比設計等。規范[7,8]中指明:構造深度試驗面積不小于 300 mm×300 mm;表面摩擦系數試驗長度為126 mm;濕輪磨耗試驗試件直徑為279 mm;粘聚力試驗試件尺寸為150 mm×150 mm。為了滿足各種試驗的尺寸要求,纖維碎石封層試件尺寸確定為300 mm×300 mm。

1.3 澆筑方法

1.3.1 試驗準備

1)根據試模面積(300 mm×300 mm)計算出材料用量。2)將乳化瀝青放入60℃水中保持30 min。3)將油氈紙剪裁后放入試模,鋪放平整,在試模內壁四周貼一層膠紙。

1.3.2 制作成型

1)先取出適量乳化瀝青,將毛刷浸放在其中使之均勻滲透;稱取2份各1/2設計用量的乳化瀝青。2)將1份乳化瀝青倒入試模內油氈紙上,并立即用毛刷人工涂刷均勻。3)將稱量好的纖維均勻、亂向地撒布在乳化瀝青上。4)將另外1份乳化瀝青倒入撒布的纖維層上,用毛刷輕微刷均勻。5)將稱量好的碎石均勻地撒布在瀝青上,用刮刀輕微整平[9]。

1.4 壓實方法

壓實方法可分為擊實法、輪碾法和靜壓法。為了模擬實際施工情況,并綜合考慮設備尺寸、集料破碎情況、集料嵌擠情況等,最后確定采用輪碾法對試件進行壓實。為了防止集料破碎并受壓均勻,碾壓時將橡膠墊塊置于剛性輪碾下方。碾壓分為初壓和復壓:初壓模擬了施工時壓路機碾壓,必須在乳化瀝青破乳凝結前進行,使碎石集料顆粒基本嵌擠就位;復壓模擬了自然行車碾壓,在粘聚力達到一定要求后進行,一般是2 h～4 h[5]。

1.5 養護方法

每次復壓之前須對試件進行合理養生。根據國外同步碎石封層施工經驗,使用乳化瀝青的路表溫度應不低于21℃,且不高于60℃[10]。因此,采用控溫烘箱養生的方式對試件進行養護。溫度的升高使乳化瀝青恢復流動性,復壓后有利于提高碎石嵌擠程度和乳化瀝青爬升高度,增強碎石與瀝青的粘結強度。

2 膠墊厚度對碎石粘附量的影響

2.1 材料用量及試驗步驟

本文試驗中,材料用量保持一致,乳化瀝青取用1.5 kg/m2,纖維取用60 g/m2,碎石理論用量為1 000 g,撒布量應取1 200 g,即13.3 kg/m2。

試件澆筑完成后,墊上橡膠墊后放入輪碾成型儀中壓實。碾壓時改變橡膠墊厚度,初壓15次后放入45℃烘箱內養護,4 h后取出進行復壓60次。將試件冷卻至室溫后,用毛刷將剝落的碎石輕輕刷去,再次放入烘箱內養護,隔天用相同步驟進行復壓。記錄每次復壓后的剝落量,發現第三天后剝落量非常小,試驗結束。

2.2 試驗結果及分析

膠墊的使用,不僅能夠防止集料破碎,而且能夠使集料受力均勻。當膠墊達到一定厚度后,這種均勻傳遞壓力的作用也趨向穩定。當膠墊厚度為15 mm時,碎石粘附量達到最大值。

3 碾壓次數對碎石粘附量的影響

3.1 材料用量及試驗步驟

試件澆筑完成后,鋪上15 mm膠墊進行碾壓。改變初壓次數時,復壓次數為60次;改變復壓次數時,初壓次數為15次。在45℃烘箱內養生并復壓3 d后試驗結束。

3.2 試驗結果及分析

由圖1,圖2可知,當初壓次數為5次,復壓次數為60次時,碎石粘附量達到最大值。

4 養生溫度對碎石粘附量的影響

4.1 材料用量及試驗步驟

試件澆筑完成后,鋪上15 mm膠墊進行碾壓。初壓5次后放入烘箱中養生,改變養生溫度后復壓60次。復壓3 d后試驗結束。

4.2 試驗結果及分析

溫度對乳化瀝青的粘結能力有很大的影響。溫度太高,瀝青流動性過大,導致瀝青達不到足夠的粘結性;溫度太低,瀝青粘性過大,無法爬升至2/3高度,導致瀝青與碎石粘結力較弱[10]。由試驗可知,60℃以上時粘附量均較大,但是60℃比較接近施工時的路面溫度,因此選用60℃作為養生溫度。

5 結語

1)從數據圖表中分析得知,膠墊厚度和養生溫度對碎石用量的影響比較顯著,碎石用量均有規律性上升趨勢,當采用15 mm膠墊和60℃養生溫度后,碎石用量趨向穩定;而碾壓次數對碎石用量的影響呈不規律的波浪形態。試件成型質量與碎石用量成正比,碎石用量的變化幅度決定了試件質量的變化情況。從圖中得知,當膠墊厚度變化時,碎石用量變化幅度最大,此時試件成型質量有較大差異;而其他3個指標變化時碎石用量變化幅度較小,試件成型質量差異較小。2)當采用15 mm膠墊厚度、5次初壓、60次復壓和60℃養生溫度時碎石用量為982.8 g,這與碎石理論用量1 000 g相差無幾,此時試件成型質量應該接近理論質量。但是經觀察后發現,此時與瀝青粘結的碎石并不是完全單層排列,由于人工撒布的不均勻性直接導致局部碎石多層排列,這將在很大程度上影響試件的成型質量。

[1]閆修海,于金成,王建國,等.纖維封層技術的引進與應用[J].北方交通,2008(8):50-54.

[2]王建國.法國纖維封層技術與應用[J].交通世界,2008(11):166-169.

[3]趙艷新,張 莉.改性乳化瀝青纖維封層在路面面層施工中的應用[J].遼寧省交通高等專科學校學報,2007,9(4):24-25.

[4]杜 雋,李玉華.纖維封層技術在公路養護中的應用研究[J].山西建筑,2009,35(6):290-291.

[5]Thomas JW,David W J,Frank SG.Minnesotaseal coat handbook[R].Minnesota:Minnesota Local Road Research Board,2006.

[6]Douglas D.Gransberg,P.E.Using a New Zealand performance specification to evaluate U.S.chip seal performance[J].Journal of Transportation Engineering(ASCE),2007,133(12):688-695.

[7]JTJ 052-2000,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[8]JTG E60-2008,公路路基路面現場測試規程[S].

[9]李 坤.纖維封層層間黏結及力學性能試驗研究[D].大連:大連理工大學,2008.

[10]Washington State Department of Transportation.Asphalt Seal Coats 2003[R].Washington,U.S.A,1987.