含砂霧封層材料母液配比優化與性能研究

崔培強 李夢林 吳少鵬 屈慶余 謝 君

(葛洲壩集團交通投資有限公司1) 430030) (武漢理工大學硅酸鹽國家重點實驗室2) 武漢 43070)

0 引 言

隨著公路養護任務越來越重,在如何使有限的資金科學合理使用的問題上,推廣應用預防性養護是一項有戰略意義的養護決策[1].霧封層是一種對原路面表面噴灑新鮮瀝青以密封路表面的預防性養護技術,具有防止水滲入路面內部,阻止細料失落、松散、軟化已老化的瀝青,以及改善干涉外貌的功能[2].此外.霧封層技術還具有施工工藝簡單,封閉交通時間短,養護成本低的優點[3].但是,傳統霧封層施工后,路表面抗滑性能會大幅下降,影響行車安全性.含砂霧封層是基于霧封層技術發展而來的預防性養護技術.施工后,除流入微裂縫中的細砂起到封堵作用外,殘留在表面的含砂霧封層材料因細砂的存在,能夠形成新的構造深度,減少對原路面抗滑性能的負面影響[4].

考慮到普通乳化瀝青25 ℃時的布氏黏度小于100 mPa·s,黏稠度低,難以懸浮住細砂,當前,添加增黏劑、增稠劑、陶土、流變助劑是提升乳化瀝青懸砂能力的重要途徑[5].根據應用需求,通常將含砂霧封層材料的制備分成兩步:①在工廠,生產由乳化瀝青、增黏劑、增稠劑、陶土、流變助劑等制備成的具有懸砂功效的母液;②在應用現場,通過機械攪拌的作用,將母液與細砂混合,制成含砂霧封層材料.對于母液,除能懸砂外,還要有較好的儲存與應用性能.即母液不僅能長時間穩定儲存,還能較容易從設備中噴灑出.因此,如何科學地綜合含砂霧封層材料多方面的性能,指導母液的配比優化,是含砂霧封層材料制備的關鍵.

在多因素的研究中,對每個因素的每個水平進行試驗,需要消耗大量的人力物力,采用正交設計可簡化問題的分析[6-7].目前,在含砂霧封層材料的開發上,吉增暉等[8-9]采用正交試驗對含砂霧封層材料的細砂用量、灑布量、原液固含量進行了分析研究,并依此提出了耐久性含砂霧封層材料關鍵因素的控制范圍,但并未涉及含砂霧封層材料原液,即母液的配比研究.此外,在含砂霧封層材料母液的配比研究中,大多還是側重于提升母液的懸砂性能[10],而綜合母液性能與含砂霧封層材料應用性能的研究較少.

文中探究了不同改性劑對乳化瀝青材料體系不同性能的影響規律,通過正交試驗方法研究了不同因素對母液性能及含砂霧封層材料應用性能的影響,進而確定可用于母液制備的配比方案.通過對不同配比母液流變特性的研究,計算母液中細砂的不沉粒徑,驗證正交試驗結果的科學性.

1 試驗原材料及方法

1.1 試驗原材料

試驗材料主要有乳化瀝青、增黏劑、增稠劑、陶土、水性流變助劑、石英砂.

乳化瀝青的固含量為45%,制備乳化瀝青用的瀝青為70#基質瀝青,乳化劑為酰胺類乳化劑,屬于陽離子慢裂快凝型.乳化瀝青的技術指標如表1所示.

表1 乳化瀝青技術指標

增黏劑為水性丙烯酸乳液,固體含量43±2%.稠劑為瓜爾膠,屬于非離子多聚糖.陶土為800目硅藻土.石英砂粒度為270～550 μm.

1.2 試驗方法

本研究中增黏劑(A)、增稠劑(B)、陶土(C)、流變助劑(D)的摻量水平如表2所示.

表2 不同改性劑摻量水平與摻量對照表

參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》與《微表處與稀漿封層施工技術指南》,本文采用布氏黏度、懸浮指數、黏結強度、磨耗值這四個指標來反映材料的綜合性能.

在對不同指標結果進行歸一化處理時,采用極差變換法,計算公式如下.

(1)

式中:i、j均為正整數,其中1≤i≤n,1≤j≤m.

通過式(1)的計算,可使指標最優值賦值1,指標最劣值賦予0.在這四個指標中,布氏黏度、懸浮指數、黏結強度歸一化后的數值VI、SI、BI這三個屬于極大型指標,數值越大,材料性能越好.磨耗值歸一化的數值WI為極小型指標,數值越小,材料性能越好.

布氏黏度由Brookfield黏度儀測定,試驗溫度為25 ℃.

參考乳化瀝青貯存穩定性的試驗方法,設計母液懸浮試驗,采用懸浮指數來評價母液懸砂能力.按母液的質量比,加入25%粒徑為270～1 700 μm的石英砂,并在1 000 r/min的速率下,攪拌5 min,即可制得含砂母液.隨后將含砂母液倒入容積為300 mL的容器中,靜置1 h.最后分別取出上層與下層的含砂母液,以上下兩層母液的固含量比值作為懸浮指數.懸浮指數越大,表明上下兩部分含砂霧封層材料的固含量差值越小,母液懸砂能力越強.

懸浮指數測試的示意圖見圖1.

圖1 懸浮指數測試示意圖

F=(w1/w2)×100%

(2)

式中:F為懸浮指數;w1為上部分固含量;w2為下部分固含量.

黏結強度飾面磚黏結強度檢測儀對實干后的含砂霧封層材料進行測試,材料灑布量為1 kg/m2.

采用濕輪磨耗儀對浸水1 h后的試件進行試驗,以質量損失值來計算磨耗值,可表征材料耐磨性的大小[11].其中混合料由3～5 mm單一粒徑的玄武巖與乳化瀝青拌和制得.該級配制得的試件極易磨損,經含砂霧封層材料處理后的試件磨耗值越小,含砂霧封層材料耐磨性越好,對松散集料的固結作用越強.

在多種改性劑共同作用下,乳化瀝青材料體系的流變行為由牛頓性向黏塑性轉變,流變模式符合Herchel-Bulkey’s流變模式.因此,母液屬于赫-巴流體.該流體的流變模式可表達為

τ=τ0+Kγn

(3)

式中:τ為剪應力;τ0為流體屈服應力;K為稠度系數;n為流變指數;γ為切變率.

對于球形顆粒,當沉降速率等于零時,可以求得不沉粒徑d0為[12]

d0=6τ0/(ρs-ρf)g

(4)

式中:d0為不沉粒徑;τ0為流體屈服應力;ρs為球形顆粒密度;ρf為流體密度;g為重力加速度.

2 結果與分析

2.1 單一改性劑對乳化瀝青性能的影響研究

分別將四種改性劑按表2中的四種摻量水平加入乳化瀝青中進行改性,不同改性劑不同摻量水平下對四個指標的影響結果如圖2所示:

圖2 改性劑對四指標的影響結果圖

由圖2可知,對于布氏黏度,影響程度較大的是改性劑B與C,而改性劑 A與D基本無影響.對于懸浮指數,提升幅度較大的依舊是B與C,而A與D影響也較小.對于黏結強度與磨耗值,有較大影響的改性劑A與D,而改性劑B與C的作用效果較小.

2.2 含砂霧封層材料母液配比優化設計

采取四水平五因素的正交試驗的設計方法,進行試驗設計(本研究中第五個因素為同一個因素),并對不同配比材料的綜合性能進行測試.試驗結果如表3所示.

表3 正交試驗結果

由表3結果可知,不同配比方案制備的含砂霧封層材料綜合性能結果不同,而且這四個指標是從不同的角度來反映材料的性能,存在一定的關聯性.

2.2.1指標間相關性分析

由于改性劑A、D主要影響黏結強度和磨耗值,B、C主要影響布氏黏度與懸浮指數.因此,有必要分析研究黏結強度與磨耗值、布氏黏度與懸浮指數的相關性,為正交試驗結果的分析提供依據.相關性的結果如圖3所示.

圖3 相關性結果分析圖

由圖3可知,布氏黏度與懸浮指數之間有著較好的正相關性,即布氏黏度越大,懸浮指數也越大,懸砂效果越好;而黏結強度與磨耗值有著較好的負相關性.黏結強度越大,磨耗值越小,耐磨性能與固結效果越好.

2.2.2正交試驗結果

根據式(1),將表3中的結果進行歸一化處理,結果如表4所示.

表4 歸一化結果

根據表4中的結果,依次研究不同因素對不同指標的影響.并采用極差分析法來確定不同因素的主次順序.極差越大,該因素的影響程度越大.可通過該結果來確定最優因素水平的組合.

1) 不同因素對布氏黏度的影響 根據歸一化的結果,不同因素對VI值的影響如圖4所示,對極差的影響如表5所示.

圖4 不同因素對VI值的影響

表5 不同因素對VI值影響的極差

由VI值的正交結果可知,對于VI值,不同因素影響程度的順序為:B>C>A>D.B與C的極差值很接近,這表明對于布氏黏度指標,起主要作用的是因素B與C.對于該指標,最優的因素組合為:A2B4C3D4.

2) 不同因素對懸浮指數的影響 根據歸一化的結果,不同因素對SI值的影響如圖5所示,對極差的影響如表6所示.

圖5 不同因素對SI值的影響

表6 不同因素對SI值影響的極差

由SI值的正交結果可知,對于SI值,不同因素影響程度的順序為:C>B>A>D.起主要作用的因素是因素C.對于該指標,最優的因素組合:A2B4C3D4.

3) 不同因素對黏結強度的影響 根據歸一化的結果,不同因素對BI值的影響如圖6所示,對極差的影響如表7所示.

圖6 不同因素對BI值的影響

表7 不同因素對BI值影響的極差

由BI值的正交結果可知,對于BI值,不同因素影響程度的順序為:A>D>B>C.起主要作用的因素是因素A.對于該指標,最優的因素組合:A4B3C3D4.

4) 不同因素對磨耗值的影響結果 根據歸一化的結果,不同因素對WI值的影響如圖7所示,對極差的影響如表8所示.

圖7 不同因素對WI值的影響

表8 不同因素對WI值影響的極差

由WI值的正交結果可知,對于WI值,不同因素影響程度的順序為:A>D>C>B.起主要作用的因素是因素A.對于該指標,最優的因素組合:A4B3C3D4.

5) 不同因素對結果的綜合性能的影響研究 根據上述的正交結果,對于不同的指標,最優因素組合如表9所示.

表9 最優因素組合綜合表

由于不同因素對材料性能的影響不一,因此需綜合考慮這四種因素組合,進而確定一個最優的因素組合,用于材料的生產應用.對于VI、SI這兩指標,起主要影響作用的是因素B與C,而且兩者的影響程度相當,因此在B、C的最優配比為B4、C3.對于BI、WI這兩個指標,起主要影響作用的是因素A,其次是D,因此因素A與D的最優方案是A4、D4.因此,最優的因素為A4B4C3D4,即母液的最優配比為:按乳化瀝青質量計,A的摻量為15%、B的摻量為0.6%、C的摻量為20%、D的摻量為0.6%.

2.3 母液流變性能研究

根據最優配比、方案8、方案14制備了三種母液,然后再采用流變儀對母液的流變性能進行研究.通過對不同母液不沉粒徑的計算,進一步驗證正交試驗結果的合理性.三種母液的流變結果如圖8所示;

圖8 不同配比母液的流變性能

由圖8結果可知,三種母液的流變行為均能很好地符合赫-巴流變模式.根據式(3)可得,三種母液的屈服強度表10所示.

表10 不同母液屈服強度結果

采用密度計,對三種母液的密度進行測試,并根據式(4),即可得到球形顆粒為石英砂時的不沉粒徑.g取值9.8 m/s2,石英砂的密度為2.23 g/cm3.不同母液不沉粒徑的計算結果見表11.

表11 母液不沉粒徑結果

由表11可知,三種方案對應的不沉粒徑依次為0.89、0.61、0.51 mm.因此,通常含砂霧封層材料選用3粒徑為270～550 μm的細砂.該粒徑范圍的細砂易噴出,可在舊路面形成新的構造深度,提升抗滑性能.方案14制備母液的不沉粒徑為0.51 mm,介于0.3～0.6 mm之間,對粒徑為270～550 μm的石英砂仍具有較好的懸砂效果.而另外兩種母液的不沉粒徑均大于0.6 mm,能使粒徑為270～550 μm的石英砂穩定懸浮在母液中,懸砂能力優異.

這三種母液中,最優配比的不沉粒徑最大,即懸砂能力最強.由于母液的流變行為符合赫-巴流體的流變行為,因此具有剪切稀釋的特性.雖然母液靜置時的屈服應力最大,但是在機械攪拌的作用下,母液黏稠度將會大幅度降低,不會對施工造成過大的負擔,影響材料的應用.而且該屈服應力下的母液,懸砂性能穩定,對于常用的粒徑為270～550 μm砂具有極強的懸砂效果,這也很好地避免了細砂在母液中沉淀的問題.這也進一步確定了正交試驗結果的合理性.

3 結 論

1) 增稠劑和陶土能顯著提升乳化瀝青的布氏黏度和懸浮指數指標,而增黏劑和流變助劑對這兩指標影響不大.增黏劑和流變助劑的加入可增強乳化瀝青的黏結強度,降低磨耗值,而增稠劑和陶土的作用效果極小.

2) 基于正交實驗的極差分析可得含砂霧封層材料母液的最優配比:按乳化瀝青質量計,增黏劑、增稠劑、陶土、流變助劑的摻量為15%、0.6%、20%和0.6%.

3) 不同改性劑的共同作用使得乳化瀝青由牛頓流體轉變為赫-巴流體,具有剪切變稀的特性.母液的布氏黏度越大,屈服應力越大,細砂的不沉粒徑也越大.因此,在母液能穩定存放的前提下,盡可能地提升母液的布氏黏度是提升含砂霧封層材料懸砂性能的關鍵.