摘要:
为了分析微表处混合料耐久性的影响因素差异性,文章选取不同类型的乳化沥青、改性剂、集料级配和纤维,采用负荷车辙试验、湿轮磨耗试验和加速磨耗试验,系统评估了其性能,结果表明,SBR 改性乳化沥青和玻璃纤维增强的混合料在抗车辙、耐磨耗和抗裂性能方面表现最佳;单因素方差分析显示,乳化剂类型和纤维类型对耐久性影响显著,集料级配对抗车辙性能影响显著。本研究为微表处混合料的选择和优化提供了理论依据。
关键词:道路工程;微表处混合料;乳化沥青;耐久性
微表处混合料作为常见的道路养护材料之一,其耐久性直接关系到道路使用寿命和维护成本沥青网sinoasphalt.com。近年来,随着交通量和车辆荷载的增加,道路的使用条件变得更加苛刻,提升微表处混合料的耐久性成为亟需解决的问题[1- 2]。耐久性主要受基质沥青、改性剂、集料级配和纤维等因素的影响,不同材料组合的性能差异需要通过系统的试验和分析加以验证[3]。
1 原材料
1.1 基质沥青
用于制备乳化沥青的基质沥青选用A 级70# 道路石油沥青,其技术性质具体见表1。
1.2 改性剂
SBR(苯乙烯- 丁二烯橡胶)和SBS(苯乙烯- 丁二烯- 苯乙烯)是两种常用的胶乳改性剂,均呈乳白色,具有刺激性气味。SBR 改性剂颜色稍深,其主要成分为乳化聚合的苯乙烯和丁二烯,能有效提高沥青的弹性和低温抗裂性能。SBS 改性剂通过在苯乙烯基中嵌入丁二烯分子链,赋予沥青更优异的高温抗变形能力和弹性恢复能力。
1.3 乳化沥青
普通乳化沥青、SBS 改性乳化沥青和SBR 改性乳化沥青在技术指标上存在显著差异,具体见表2。
1.4 填料
采用PO·42.5 水泥作为微表处混合料的填料。该水泥具有高强度、快硬性及良好的耐磨性能,其主要技术要求包括细度、凝结时间、抗压强度和抗折强度等。细度通过80 μm筛的筛余不超过10%,初凝时间不小于45 min,抗压强度在3 d 达到≥42.5 MPa,抗折强度在3 d 达到≥6.5 MPa。
1.5 纤维
选取玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维三种无机纤维进行试验研究。玻璃纤维具有高抗拉强度和良好的化学稳定性,玄武岩纤维以其耐高温和抗腐蚀性能著称,而碳纤维则因其重量轻、强度高和模量大而被广泛应用。具体见表3。
1.6 集料及级配
选用符合《公路沥青路面施工技术规范》要求的石灰岩集料,其技术指标确保了混合料的强度和稳定性。采用MS- 2 和MS- 3 两种级配,具体见表4。
2 试验方案
2.1 负荷车辙试验
采用车辙试验机通过模拟车辆荷载对混合料施加重复的循环压力。将制备好的微表处混合料试样在标准温度(60 ℃)下养护一定时间,然后置于车辙试验机上进行加载,记录不同荷载循环次数下试样的车辙深度。
2.2 湿轮磨耗试验
采用湿轮磨耗试验机,模拟实际道路上的摩擦和磨损环境。将混合料试样置于试验机中,施加标准的磨耗压力和速度,试验过程中不断喷水保持湿润状态。试验结束后,测量试样的质量损失。
2.3 加速磨耗试验
加速磨耗试验的目的是快速评估微表处混合料在重复荷载作用下的耐久性。采用三轮加速磨耗试验机,通过快速旋转的磨轮对试样施加重复的磨损作用。准备标准尺寸的混合料试样,置于加速磨耗试验机中,在特定荷载和转速条件下进行磨耗试验,记录不同磨耗周期后的试样质量损失。
3 试验结果及分析
3.1 负荷车辙试验结果
不同级配和纤维类型对微表处混合料的抗车辙性能有显著影响,结果见图1。
由图1 可知,MS- 2 和MS- 3 两种级配的试样在高温条件下表现出不同的车辙深度,其中MS- 3 级配的抗车辙性能优于MS- 2 级配,这是由于MS- 3 级配的粗集料含量较高,能更好地形成坚实的骨架结构,提高混合料的抗变形能力。试验结果显示,玻璃纤维的增强效果最佳,其次是玄武岩纤维,碳纤维的效果相对较差。
3.2 湿轮磨耗试验结果
图2 为不同乳化沥青类型和级配下微表处混合料的湿轮磨耗损失结果。
由图2 可知,SBR 改性乳化沥青制备的混合料表现出最小的磨耗损失,显示出优异的耐磨性能,而普通乳化沥青的磨耗损失最大,SBS 改性乳化沥青介于两者之间,这表明改性剂的加入显著提高了乳化沥青的粘附力和抗磨损能力。MS- 2 级配的混合料磨耗损失小于MS- 3 级配,这表明细集料含量较高的MS- 2级配在潮湿条件下具有更好的耐磨耗性能。
3.3 加速磨耗试验结果
乳化沥青类型和纤维对微表处混合料的耐磨耗性能有显著影响,试验结果见图3。
由图3 可知,普通乳化沥青的质量损失最大,SBS改性乳化沥青次之,SBR 改性乳化沥青的质量损失最小,这表明SBR 改性乳化沥青的耐磨性能最佳。纤维类型对耐磨性能的影响也较为明显。玻璃纤维增强的混合料表现出最低的质量损失,玄武岩纤维和碳纤维次之,表明玻璃纤维在提高混合料耐磨耗性能方面效果最为显著。上述结果表明,通过选择适宜的乳化沥青类型和纤维,可以显著提高微表处混合料的耐磨耗性能,从而延长其使用寿命。
4 耐久性影响因素差异性分析
通过单因素方差分析(ANOVA)方法,探讨纤维类型、乳化剂类型及集料类型对微表处混合料性能的显著性影响[4],结果具体见表5。
4.1 纤维类型的影响
通过单因素方差分析,发现纤维类型对微表处混合料的抗车辙性能、耐磨耗性能均有显著影响。特别是玻璃纤维,其F 值显著高于其他纤维类型,表明其在增强混合料整体强度和稳定性方面效果最佳。玻璃纤维的抗拉强度和分散性较高,能够有效提升混合料的抗车辙和抗裂性能。玄武岩纤维和碳纤维的效果次之,但均优于无纤维的混合料。
4.2 乳化剂类型的影响
乳化剂类型的方差分析结果显示,SBR 改性乳化沥青对混合料的耐久性提升最为显著,其F 值最大,P值小于0.05,表明其对抗车辙性能和耐磨耗性能的影响具有统计学显著性。SBR 改性乳化沥青能够显著提高混合料的抗裂性能和耐磨性能,其高粘附力和弹性使混合料在高温和潮湿条件下表现出优异的性能。SBS 改性乳化沥青次之,普通乳化沥青的效果最差。
4.3 集料类型的影响
单因素方差分析还表明,集料类型对微表处混合料的抗车辙性能有显著影响,但对耐磨耗性能的影响相对较小。MS- 3 级配的混合料在抗车辙性能和弯拉强度方面表现优异,其F 值和P 值均表明其具有显著性差异。相较之下,MS- 2 级配虽然在耐磨耗性能上表现较好,但在其他方面的提升效果不如MS- 3 级配显著。
综合以上单因素方差分析结果,可以得出以下结论:纤维类型、乳化剂类型和集料类型对微表处混合料的耐久性均具有显著影响。其中,玻璃纤维和SBR改性乳化沥青的组合在各项性能测试中表现最优,表明其在实际工程应用中具有较高的推广价值。MS- 3级配在提高抗车辙和抗裂性能方面效果显著,但在耐磨耗性能方面需结合其他改性措施以达到最佳效果。
5 结论
综上,本文通过一系列试验和单因素方差分析,系统评估了不同乳化沥青、纤维和集料级配对微表处混合料耐久性的影响。结果显示,SBR 改性乳化沥青与玻璃纤维的组合在抗车辙、耐磨耗和抗裂性能方面表现最佳,具有较高的应用价值。乳化剂类型和纤维类型对混合料耐久性的影响显著,而集料级配对抗车辙性能的影响尤为突出。选择适宜的乳化沥青、纤维和集料组合,可以显著提高微表处混合料的耐久性,从而延长道路使用寿命,减少维护成本。
参考文献:
[1]王洋.水性环氧树脂改性乳化沥青微表处耐久性研究[D].重庆:重庆交通大学,2022.
[2]邹宗民,苏纪壮,汲平,等.铁尾矿砂对微表处混合料耐久性影响研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2022,46(5):922-927.
[3]阚涛,王凯,王业飞,等.黄金尾矿砂对微表处混合料性能的影响研究[J].交通科技,2024(2):147-152.
[4]巴怀强.钢渣集料对微表处性能影响及灰色关联度研究[J].铁道建筑技术,2023(7):9-12,20.
原创作者:宋应皋,南阳通途公路勘察设计有限公司,河南南阳。