高抗裂半柔性路面的性能研究与工程应用.pdf
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1、No.22023上海么路1 1 9SHANGHAIHIGHWAYS材料与试验高抗裂半柔性路面的性能研究与工程应用黄允宝1 2,邓成1-2,龚明辉1 2,洪锦祥1,熊子佳1 2,刘子炀12(1.江苏苏博特新材料股份有限公司,江苏南京2 1 1 1 0 3;2.江苏博路交通科技有限公司,江苏南京2 1 1 1 0 3)摘要:试验研究了掺加不同增韧材料的灌浆料对半柔性路面材料高温抗车辙、低温弯曲性能、半圆弯曲抗裂性能的影响规律,并进行了工程试验段的应用。研究结果表明,掺加1 5%乳化沥青的灌浆料使半柔性路面材料获得高低温性能平衡兼顾的路用性能,实验室抗裂性能比以前技术提升4 5%,实际道路抗裂能力比
2、以前技术提升2.6 倍以上。关键词:高抗裂;半柔性路面;增韧材料;乳化沥青;半圆弯曲断裂能;路面开裂率0引言半柔性路面是一种由大空隙沥青混合料与特殊性能的水泥基灌浆材料复合组成的新型路面材料,已被较广泛地用于解决平交路口、BRT专用道、公交站台等路段的严重车辙问题 2-3 。然而,一些国内外的研究和工程应用发现,半柔性路面存在抗裂性不足的问题,影响了其大规模推广应用。针对这个问题,科研工作者提出了一些措施,如采用橡胶沥青等高黏高弹沥青,提升半柔性路面材料的低温弯曲性能 4 采用添加增韧材料改性后的水泥基灌浆料 5-6 ,提升半柔性路面的抗裂性。为解决半柔性路面抗裂性不足的问题,本文在前述研究的
3、基础上,拟从基体大空隙沥青混合料增韧和水泥基灌浆料增韧这两方面,共同提升半柔性路面的抗裂性能,在引人能够增黏增韧的直投式界面增强改性剂基础上,研究掺人不同类型增韧材料的灌浆料,对半柔性路面材料高温抗车辙、低温弯曲、半圆弯曲抗裂性能的影响规律,并进行了工程试验段的应用和性能跟踪分析。1试验部分1.1试验原材料1.1.1改性沥青采用市售SBS改性沥青,其主要技术指标如表1所示。表1 改性沥青性能指标沥青种类软化点/针人度/0.1 mm5延度/cmSBS改性沥青71.655.332.1收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 6基金项目:国家自然科学基金面上项目(5 2 0 7 8 2 4 1)1.1.
4、2集料和填料采用玄武岩集料和石灰岩矿粉,基本性能均满足公路沥青路面施工技术规范(JTGF40-2004)的要求。1.1.3沥青改性剂采用MA100界面增强改性剂,为淡黄色球形颗粒。1.1.47水泥基灌浆料采用苏博特公司生产的JGM?-301半柔性路面专用灌浆料,水料比0.3 3,该灌浆料的性能指标如表2所示。表2 灌浆料的基本性能试验结果流动度/s抗压强度/MPa项目自由泌水率/%初始30 min3h1d28d测试结果11.212.317.624.336.801.1.5乳化沥青采用实验室自制的乳化沥青。沥青为7 0#道路石油沥青,乳化剂为自制慢裂慢凝乳化剂,乳化沥青性能如表3 所示,乳化沥青中
5、的固含量为6 2%。表3 乳化沥青性能指标项目单位测试结果筛上残留物(1.1 8 mm筛)%0.03恩格拉黏度计E256.3残留分含量%63.5针人度0.1 mm69.3蒸发残留物15延度cm65.5软化点49.5No.22023120上语么路材料与试验SHANGHAI HIGHWAYS-1.1.6乳液市售的丁苯乳液,固含量5 1%。1.2订试验方法1.2.1灌浆材料的制备及性能测试灌浆材料采用高速搅拌机制备。搅拌制度为加人全部用水,然后在5 0 0 r/min的搅拌状态下,逐渐加人灌浆料,要求1 5 s内加完;将高速制浆机转速设为2000r/min,继续搅拌2 min,最后得到灌浆料浆体。如
6、果要加入乳化沥青或乳液,则在加水的时候,同时加人即可,注意乳化沥青或乳液中的含水量需要在外加水中扣除。灌浆材料强度等测试参照标准城市道路灌浆式半柔性路面技术规程(T/CECS1016-2022)进行。1.2.2半柔基体大空隙沥青混合料的制备半柔基体大空隙沥青混合料SPAC-13的设计空隙率为1 8.9%,连通空隙率1 6.3%,SBS改性沥青油石比4.3,MA100界面增强改性剂掺量占沥青混合料质量的0.3%,木质纤维掺量占沥青混合料质量的0.3%,SPAC-13的矿料级配范围如表4 所示。拌和时,集料加热温度1 7 5,沥青加热温度1 6 0,混合料拌和温度1 7 5。改性剂MA100以直投
7、法加入拌锅中。半柔基体大空隙沥青混合料SPAC-13的性能测试指标如表5 所示。表4 半柔基体大空隙沥青混合料级配组成表SPAC-13通过下列筛孔尺寸(mm)的质量百分率/%混合料1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075测试结果10089.238.119.315.712.99.36.85.34.2表5 半柔基体大空隙沥青混合料SPAC-13性能测试结果测试项目单位测试结果空隙率%18.9连通空隙率%16.3马歇尔稳定度kN5.7析漏损失%0.08飞散损失%13.6注:马歇尔试件成型为双面各击实7 5 次1.2.3半柔性路面材料的制备及性能测试(1)半柔性路面材料
8、的制备采用轮碾成型法或旋转压实法,制备出大空隙沥青混合料试件。制备完毕并冷却至室温后,脱模,用胶带将试件的周围与底部进行包裹,留取上表面露出。然后将制备好的灌浆材料灌人大空隙沥青混合料中,再将表面多余的浆体刮除掉。试件养生1 2 h后,将包裹的胶带清理干净,继续养生至2 8 d龄期后,按相关要求进行试件的切割,以进行相关的性能测试。(2)车辙试验采用QCZ-2型全自动车辙试验仪来测试动稳定度。试验温度为6 0,轮压为0.7 MPa,橡胶轮碾压速度为(4 2 1)次/min。(3)小梁弯曲试验采用IPCUTM-30型试验机。小梁试件尺寸为250mm30mm35mm的棱柱体,试验温度为-1 0,加
9、载速率为5 0 mm/min。(4)半圆弯曲SCB试验半圆试件直径为1 0 0 mm,厚度为5 0 mm,底部预切缝(缝宽为0.5 mm,深为1 0 mm)。测试时,两支点间距为8 0 mm,加载速率为1 0 mm/min,试验温度为2 5。2室内试验结果与分析2.1增韧材料对灌浆料性能的影响试验制备了不同乳化沥青掺量和不同丁苯乳液掺量的灌浆料。其中,乳化沥青掺量对灌浆料抗压强度和折压比的影响结果分别见图1、图2 所示。40口3 h3528d30252015105002.50%5%7.50%10%15%乳化沥青外掺比例图1 乳化沥青掺量对灌浆料抗压强度的影响0.403h0.35028d0.30
10、-0.250.200.150.100.050.0002.50%5%7.50%10%15%乳化沥青外掺比例图2 乳化沥青掺量对灌浆料折压比的影响2023No.2上涵么缆1 2 1SHANGHACIHWAYS材料与试验从图1 可以看出,随着乳化沥青掺量的增加,灌浆料的抗压强度呈现降低趋势。当乳化沥青掺量为1 5%时,灌浆料2 8 d抗压强度从原来的3 6.5 MPa降低至22.9MPa,降低幅度达3 7%。从图2 折压比结果来看,当乳化沥青掺量从0%增加到1 5%时,灌浆料的折压比呈现出先增加、后降低、再增加的趋势。掺5%乳化沥青掺量的灌浆料2 8 d折压比比基准提升1 1 7%,掺1 5%乳化沥
11、青掺量的灌浆料2 8 d折压比比基准提升9 8%。可见,乳化沥青的引人,对减小水泥基灌浆料的脆性,提高其柔韧性是有利的。综合分析,适宜的乳化沥青掺量范围为5 1 5%。丁苯乳液掺量对灌浆料抗压强度和折压比的影响结果分别见图3、图4 所示。从图3 可以看出,随着丁苯乳液掺量的增加,灌浆料的抗压强度呈现降低趋势,且变化幅度非常大。当乳液掺量为7.5%时,灌浆料28d抗压强度从原来的3 6.5 MPa降低至2 2.3 MPa,降低幅度达3 9%。从图4 折压比结果来看,当乳液掺量从0%增加到7.5%时,灌浆料的2 8 d折压比呈现出逐渐增加的趋势。掺5%乳液掺量的灌浆料2 8 d折压比比基准提升8
12、0%,掺7.5%乳液掺量的灌浆料2 8 d折压比比基准提升1 2 6%。另外,随着乳液掺量的增加,灌40口3 h国128d353015105002.50%5%7.50%乳液外掺比例图3 乳液掺量对灌浆料抗压强度的影响0.30口3 h28d0.250.200.150.100.050.0002.50%5%7.50%乳液外掺比例图4 乳液掺量对灌浆料折压比的影响浆料中的引气也越来越多,严重的可导致试件表面形成气泡层。这是由于乳液中过量的乳化剂会导致灌浆料含气量过大,因此需要控制乳液掺量且适当增加消泡剂。综合考虑,丁苯乳液的适宜掺量为5%左右。2.2增韧灌浆料对半柔性路面材料的性能影响制备了掺量分别为
13、5%和1 5%乳化沥青、5%掺量丁苯乳液的灌浆料,研究不同增韧灌浆料对半柔性路面材料高温抗车辙、低温弯曲、半圆弯曲抗裂性能的影响规律。2.2.1车辙试验掺不同增韧改性剂灌浆料的半柔性路面动稳定度测试结果如表6 所示。试验结果表明,与基准半柔性路面材料相比,经过改性后的半柔性路面动稳定度减小了。其中,掺1 5%乳化沥青的灌浆料制备的半柔性路面7 0 动稳定度为1 4 5 1 0 次/mm,仍满足城市道路灌浆式半柔性路面技术规程(T/CECS1016-2022)中7 0 动稳定度9 0 0 0 次/mm的要求,具有良好的抗车辙性能。表6 掺不同增韧改性剂灌浆料的半柔性路面动稳定度测试结果动稳定度/
14、(次mm)试样6070基准25 72019.500乳化沥青5%2253016320乳化沥青1 5%19.79014510丁苯乳液5%20.92015 7302.2.2低温小梁弯曲试验掺不同增韧改性剂灌浆料的半柔性路面低温-1 0 小梁弯曲测试结果如表7 所示。试验结果表明,采用基准灌浆料制备的半柔性路面的弯拉应变为18168,而经过改性后的半柔性路面材料的弯拉应变为2 1 2 5 2 3 3 7 8,可满足冬寒区低温抗裂性能要求。改性后的半柔性路面材料的弯拉应变提升幅度达1 7%2 9%。其中,掺1 5%乳化沥青的灌浆料对半柔性路面材料低温弯拉应变的提升最大。2.2.3半圆弯曲SCB试验掺不同
15、增韧改性剂灌浆料的半柔性路面半圆弯曲试验结果如表8 所示。试验结果表明,采用基准灌浆料制备的半柔性路面的半圆弯曲试验断裂能密度为No.22023122上涵么路材料与试验SHANGHAI HIGHWAYS表7 掺不同增韧改性剂灌浆料的半柔低温小梁弯曲试验结果试样抗弯拉强度/MPa最大弯拉应变/8弯曲劲度模量/MPa基准7.618163784乳化沥青5%7.722133.710乳化沥青1 5%7.52.3373 466丁苯乳液5%9.721254.756表8 掺不同增韧改性剂灌浆料的半圆弯曲试验结果试样基准乳化沥青5%乳化沥青1 5%丁苯乳液5%断裂能密度/Jm)175321402.5362.36
16、61753J/m而经过改性后的半柔性路面材料的半圆弯曲试验断裂能密度为2 1 4 0 2 5 3 6 J/m,提升幅度达22%45%。其中,掺1 5%乳化沥青的灌浆料对半柔性路面材料半圆弯曲断裂能的提升最大。3工程试验段应用情况及分析3.1试验段路面结构设计试验路段选择在江苏盐城国省道的3 个交叉口进行。根据原路面病害情况和原路面结构特点,试验段路面设计结构如图5 所示,具体方案为:8 cm半柔性路面材料SFP-13+改性乳化沥青黏层油+铣刨后的原剩余沥青路面。试验段对比方案为:在同一交叉路口进行分车道施工,不同车道采用不同的灌浆料进行灌注,单个试验段长度为8 0 1 5 0 m不等。8cm半
17、柔性路面SFP-13改性乳化沥青粘层油铣刨后原剩余沥青路面图5 试验路段结构示意图3.2试验段材料试验段半柔基体大空隙沥青混合料SPAC-13采用玄武岩粗集料,SBS改性沥青油石比4.2,MA100界面增强改性剂掺量0.3%,木质纤维掺量0.3%。混合料性能测试指标如表9 所示。试验段使用的灌浆料采用JGM-301灌浆料和掺1 5%乳化沥青的JGM-301灌浆料进行对比。表9 试验段采用的半柔基体大空隙沥青混合料性能测试结果测试项目单位测试结果空隙率%18.7连通空隙率%16.6马歇尔稳定度kN6.2析漏损失%0.1飞散损失%12.83.3试验段性能测试与分析为评价半柔性路面试验段的服役性能,
18、测试了路面车辙深度,并调研统计了开裂等病害。3.3.1车辙深度测试半柔性路面抗车辙测试采用定点测试施工初期和服役0.5 年、1 年、2 年的路面平整度,然后计算测点的车辙深度,结果如表1 0 所示。结果表明,半柔性路面抗车辙能力非常突出,不论是常规灌浆料还是掺1 5%乳化沥青灌浆料的半柔性路面,都几乎没有车辙。掺15%乳化沥青灌浆料的半柔路面通车2 年后,车辙深度不超过2 mm。表1 0 路面平整度及车辙深度测试结果车辙深度/mm路段服役0.5 年服役1 年服役2 年1#0.20.61.1常规半柔路面2#0.60.70.93#0.30.91.31#0.30.50.7改性半柔路面2#0.50.9
19、1.53#0.70.71.22023No.2上么路1 2 3上接第1 1 4 页SHANGHA3.3.2路面病害调研为评价半柔性路面抗开裂效果,采用开裂率进行评价。开裂率为裂缝总面积除以路段总面积。其中,裂缝总面积计算过程中,裂缝的宽度按照影响宽度0.2m来计算。表1 1 为试验段服役0.5 年、1 年、2 年的开裂率调研统计结果。可以看出,采用以前常规技术的半柔性路面服役2 年的平均开裂率为0.4 3%,而采用改性技术的半柔性路面服役2 年的开裂率为0.1 6%。采用改性技术的半柔性路面开裂率与之前技术相比,降低了6 3%,;抗裂性能与之前技术相比,提升了2.6 倍以上,效果非常显著。更长服
20、役时间的开裂情况则需要持续跟踪。表1 1 半柔性路面试验段裂缝调研结果服役时间/年0.512常规半柔0.090.350.43开裂率/%改性半柔0.020.130.164结语在引人增黏增韧改性剂的基础上,研究了掺人不同类型增韧材料的灌浆料对半柔性路面材料高温抗车辙和抗裂性能的影响规律,并进行了工程试验段的对比应用,研究结果表明:(1)乳化沥青和丁苯乳液均能改善水泥基灌浆材(1)研究得出了热塑性和热固性两种新型透明结合料,并分别研究得出了其评价方法、评价标准、生产工艺和使用方法。(2)研究选择了光学性能良好、高耐候性、环保型的夜光材料。(3)研究得出了一种全厚式夜光路面成体系的设计方法。料的柔韧性
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