級配對MS3型微表處性能影響的研究

黃維蓉， 李懷龍， 王成， 黃峰

(1.重慶交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 重慶市 400074； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶市 400074)

微表處作為一種常用的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，能起到恢復(fù)原路面抗滑性、修補(bǔ)車轍、封水等作用，自從引入中國之后就得到了大量的研究應(yīng)用。國內(nèi)外專家學(xué)者近年來對微表處的級配進(jìn)行了大量研究。居浩[1]對MS3型微表處級配的上限、中值、下限進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在相同油石比下，上限的濕輪磨耗值最大，下限次之，中值最??；鄺堅(jiān)鋒[2]對MS3型微表處級配的上限、中值、下限進(jìn)行了加速加載試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)級配越粗，抗滑性能衰減越慢；下限級配的抗剝落性能最差，其次為上限級配，而中值級配抗剝落性能最好；王震[3]通過斜剪試驗(yàn)研究了級配對抗剪強(qiáng)度的影響，研究發(fā)現(xiàn)：在相同條件下，采用MS3型中值級配和較粗的級配有利于增強(qiáng)微表處混合料的層間抗剪強(qiáng)度。此外，有學(xué)者提出在4.75～9 mm檔的級配之間添加一個7 mm篩孔來細(xì)化控制4.75～9 mm之間的集料，從而達(dá)到降低噪音的目的。李志棟[4]通過增加7 mm篩孔及其支撐點(diǎn)集料含量，建立了微表處多支點(diǎn)建造模型及其降噪判據(jù)，提出了低噪聲微表處級配；馬生順[5]通過對噪聲的調(diào)查及對噪聲產(chǎn)生機(jī)理及原因的分析，提出增加7 mm篩孔，以及保證宏觀構(gòu)造波長不超過10 mm的基礎(chǔ)上對傳統(tǒng)MS-Ⅲ級配進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了路用性能檢驗(yàn)及施工驗(yàn)證；鐘建超[6]通過加入7 mm篩孔，提出了低噪微表處級配和級配優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；張冉[7]通過加入7 mm篩孔進(jìn)行了正交試驗(yàn)，得到了理想構(gòu)造深度對應(yīng)的低噪級配。

綜上所述，微表處的MS3型中值級配綜合性能優(yōu)異，而目前國內(nèi)外專家學(xué)者僅對7 mm篩孔的降噪性能進(jìn)行了大量研究，未對7 mm篩孔通過率對微表處其他性能影響進(jìn)行研究，因此該文在微表處MS3型中值級配的基礎(chǔ)上對7 mm篩孔通過率對微表處的工作性能、路用性能和長期性能影響進(jìn)行研究。

1 原材料技術(shù)指標(biāo)

1.1 集料

集料由重慶某采石場提供，分別是0～3、3～5、5～10 mm玄武巖，用7 mm方孔篩將5～10 mm的集料篩分成5～7 mm和7～10 mm兩檔集料備用，集料檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 集料檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)

1.2 改性乳化瀝青

試驗(yàn)使用重慶某公司生產(chǎn)的SBR改性乳化瀝青，SBR改性劑摻量為乳化瀝青質(zhì)量的4%，改性乳化瀝青的檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 改性乳化瀝青檢測結(jié)果及技術(shù)指標(biāo)

1.3 水泥

水泥的加入可以改善微表處混合料的工作性能和路用性能，試驗(yàn)所用水泥為P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其相關(guān)技術(shù)指標(biāo)符合要求。

1.4 水

試驗(yàn)所用的水為重慶地區(qū)的自來水。

2 微表處級配設(shè)計(jì)

相對于微表處MS2型級配，MS3型級配更適用于重交通和高等級公路，而且其耐磨耗性能比MS2型級配更好[2]。加上MS3型中值級配綜合性能更加優(yōu)異，因此此次試驗(yàn)在MS3型中值級配的基礎(chǔ)上對7 mm篩孔通過率對微表處工作性能、路用性能和長期性能的影響進(jìn)行研究。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4種不同7 mm篩孔通過率的級配，使用0～3、3～5、5～7和7～10 mm4擋集料進(jìn)行了級配合成，從級配1到級配4越來越粗，并保持4種級配4.75 mm以下篩孔通過率一致，4種合成級配的通過率及合成級配配比，如表3所示。

表3 4種合成級配的篩孔通過率及集料配比

3 7 mm篩孔通過率對微表處性能的影響

目前國內(nèi)外專家學(xué)者僅對7 mm篩孔的降噪性能進(jìn)行了大量研究[8-9]，未對7 mm篩孔通過率對微表處其他性能影響進(jìn)行研究，因此該文在微表處MS3型中值級配的基礎(chǔ)上，對7 mm篩孔通過率對微表處的工作性能、路用性能和長期性能的影響進(jìn)行研究，進(jìn)一步細(xì)化研究微表處級配。

3.1 工作性能影響研究

3.1.1 可拌和時間試驗(yàn)

微表處混合料從攤鋪到瀝青路面上到形成強(qiáng)度需要一定時間。如果可拌和時間太短，微表處混合料內(nèi)改性乳化瀝青快速破乳，導(dǎo)致微表處無法施工；可拌和時間太長，微表處混合料也無法快速開放交通，因此需要通過調(diào)節(jié)外加用水量和水泥摻量來使微表處的可拌和時間控制在合適的范圍內(nèi)。此次試驗(yàn)結(jié)合以上4種級配，固定油石比為6%，水泥摻量為1.5%，在外加用水量分別為4%、5%、6%、7%時進(jìn)行可拌和時間試驗(yàn)，研究不同外加用水量下7 mm篩孔通過率對微表處可拌和時間的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同外加用水量下的可拌和時間

由表4可知：在相同級配下，可拌和時間隨外加用水量的增加而增加；在相同外加用水量下，級配越粗，可拌和時間越長。分析認(rèn)為：在相同級配下，可拌和時間隨外加用水量的增加而增加，這是由于外加水量的增加稀釋了乳化瀝青，增大了混合料之間的距離，瀝青微粒相互聚集的概率變小，乳化瀝青破乳速度變慢，可拌和時間增加。在相同外加用水量下，隨著7 mm篩孔通過率變小，級配逐漸增粗，可拌和時間也會增加，這是因?yàn)殡S著4.75～7 mm篩孔集料的減少,7～9.5 mm篩孔集料的增多，礦料的總比表面積減少，用于裹覆礦料表面的水和乳液減少，富余的自由水和乳液增多，可拌和時間增加。

3.1.2 黏聚力試驗(yàn)

黏聚力反映了微表處混合料的成型速度和開放交通的時間，在相同時間內(nèi)，黏聚力越大說明混合料成型速度越快，能快速開放交通。此次試驗(yàn)結(jié)合以上4種級配，固定外加用水量為6%，水泥摻量為1.5%，在油石比分別為6%、6.5%、7%、7.5%、8.0%時進(jìn)行可拌和時間試驗(yàn)，研究不同油石比下7 mm篩孔通過率對微表處黏聚力的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同時間、不同油石比下4種級配的黏聚力

由試驗(yàn)結(jié)果可知：在相同級配下，黏聚力隨油石比的增大而增大，當(dāng)油石比大于7.5%時，黏聚力有微略下降；在相同油石比下，級配越粗，其黏聚力越小。

分析可知：在相同級配下，油石比越大，混合料內(nèi)部瀝青增多，礦料間連接更加緊密，強(qiáng)度變大，但油石比的增大會影響混合料的破乳，因此在油石比大于7.5%時，混合料的破乳時間延長，影響到混合料強(qiáng)度的成型，所以黏聚力有所下降。在相同油石比下，隨7 mm篩孔通過率不斷減小，4.75～7 mm篩孔集料不斷減少,7～9.5 mm篩孔集料逐漸增多，級配的總比表面積減少，礦料與乳液的接觸面積越少，富余乳液增多，破乳速度越慢，強(qiáng)度形成也就越慢，因此黏聚力隨級配的變粗而變小。

3.2 路用性能的影響研究

微表處混合料在攤鋪成型后需要保證其具有良好的路用性能，包括耐磨性、配伍性、抗水損害性能，用于填補(bǔ)車轍的微表處混合料要有較好的抵抗車轍的能力。該文對不同7 mm篩孔通過率的級配進(jìn)行了濕輪磨耗試驗(yàn)、負(fù)荷輪黏砂試驗(yàn)、輪轍變形試驗(yàn)，研究不同7 mm篩孔通過率對微表處混合料路用性能的影響。

3.2.1 濕輪磨耗試驗(yàn)

濕輪磨耗試驗(yàn)可以模擬微表處路面在潮濕狀態(tài)下的耐磨性能，其耐磨性可以反映出混合料的配伍性和抗水害能力。

濕輪磨耗值越小，說明微表處混合料的耐磨性越好，從而反映出混合料的配伍性和抗水損害能力越好。規(guī)范要求1 h濕輪磨耗值不應(yīng)大于540 g/m2；另外6 d濕輪磨耗值可以檢驗(yàn)微表處混合料的抗水損害能力，規(guī)范要求6 d濕輪磨耗值不應(yīng)大于800 g/m2。因該文為了研究7 mm篩孔通過率對微表處耐磨性和抗水損害性能的影響，進(jìn)行了1 h濕輪磨耗試驗(yàn)和6 d濕輪磨耗試驗(yàn)，在成型4種級配的濕輪磨耗試件時礦料不通過4.75 mm篩孔,同時固定外加用水量為6%，水泥摻量為1.5%，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同時長、不同油石比下4種級配的濕輪磨耗值

由試驗(yàn)結(jié)果可知：在相同級配下，濕輪磨耗值隨油石比的增大而降低，耐磨性變好；當(dāng)油石比大于7.5%后濕輪磨耗值的下降速度減慢；混合料級配越粗，濕輪磨耗值越小,微表處混合料6 d濕輪磨耗的規(guī)律與1 h濕輪磨耗的規(guī)律一致，但磨耗值增大。分析認(rèn)為，在相同級配下，隨油石比增大，用于裹覆礦料的瀝青增多，混合料瀝青膜厚度增加，礦料間的連接更加緊密，因此濕輪磨耗值逐漸降低；礦料級配隨7 mm篩孔通過率的變小，4.75～7 mm篩孔集料的減少,7～9.5 mm篩孔集料的增多，礦料總的比表面積減小，用于裹覆礦料的瀝青變多，混合料的瀝青膜變厚，因此礦料間的黏結(jié)性更好，此外，級配4含有較多的7～9.5 mm集料，這種大的礦料嵌擠在混合料中，其堅(jiān)硬的表面更能抵御磨耗管的磨耗，而含細(xì)集料較多的級配由于石料本身較小，在磨耗管作用下很容易被磨耗掉。試件在水浴中放置越久，水對混合料的損害越明顯，因此6 d濕輪磨耗值遠(yuǎn)大于1 h濕輪磨耗值。

3.2.2 輪轍變形試驗(yàn)

單層微表處攤鋪成型后厚度一般為10 mm左右，其本身不會形成車轍，但微表處混合料具有很好的填充效果，可以用來修補(bǔ)不同厚度的車轍，因此當(dāng)微表處混合料用于填充車轍時，需要檢驗(yàn)其抵抗車轍的能力。寬度變形率是微表處混合料在負(fù)載作用下橫向變形的大小，它能夠反映微表處混合料抵抗車轍能力的好壞，當(dāng)PLD(寬度變形率)和PVD(車轍深度率)越小時，說明其抵抗車轍的能力越好。該文固定外加用水量為6%，水泥摻量為1.5%，在不同油石比下對4種級配進(jìn)行了輪轍變形試驗(yàn)，結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 不同油石比下4種級配的寬度變形率PLD

圖4 不同油石比下4種級配的車轍深度率PVD

從結(jié)果可以看出：相同級配的寬度變形率和車轍深度率隨油石比的增加而變大，4種級配在油石比大于6.5%后寬度變形率大于規(guī)范要求的5%，且在油石比大于7%之后寬度變形率和車轍深度率的變形速率加快；在相同油石比下，混合料級配越粗，其寬度變形率和車轍深度率越大，且這種規(guī)律在高油石比下更加明顯。分析認(rèn)為：當(dāng)相同級配隨油石比增大，混合料內(nèi)部的自由瀝青增多，混合料試件在重載作用下的抵抗橫向變形和剪切變形的能力變?nèi)酰瑢挾茸冃温屎蛙囖H深度率變大；在同一油石比下，從級配1到級配4，由于7 mm篩孔通過率的變小，4.75～7 mm篩孔集料的減少,7～9.5 mm篩孔集料的增多，級配越粗，比表面面積越小，因此混合料內(nèi)自由瀝青越多，抵抗車轍變形的能力變?nèi)?。從級配上看，雖然級配1到級配3較細(xì)，但這3種級配都是連續(xù)級配，混合料成型后比較密實(shí)，有較好的抵抗車轍的能力；雖然級配4最粗，但是由于缺少4.75～7 mm篩孔的集料，是一種不連續(xù)級配，因此7～9.5 mm的粗集料懸浮在小顆粒和瀝青膠漿之間，無法在混合料中形成嵌擠的結(jié)構(gòu)，當(dāng)較粗的集料受到應(yīng)力后會推移周圍較細(xì)的集料，使得寬度變形率和車轍深度率大于其他3種級配。

3.2.3 負(fù)荷輪黏砂試驗(yàn)

負(fù)荷車輪黏砂試驗(yàn)用于確定微表處混合料中瀝青用量的上限，瀝青用量越多，其黏砂量就越大，可與1 h濕輪磨耗試驗(yàn)一起確定微表處混合料的最佳瀝青含量，該文保持其他條件不變，對4種微表處級配進(jìn)行了負(fù)荷車輪黏砂試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同油石比下4種級配的黏附砂量

由試驗(yàn)結(jié)果可知:相同級配下，黏附砂量隨油石比的增大而增大，且近似線性增長；在相同油石比下，黏附砂量隨級配的變粗而變大。分析認(rèn)為：在相同級配下，隨油石比的增加，集料表面瀝青膜變厚，因此黏砂量增大，在相同油石比下，由于級配隨7 mm篩孔通過率變小，4.75～7 mm篩孔集料的減少,7～9.5 mm篩孔集料的增多，級配越粗，比表面積越小，混合料內(nèi)的富余瀝青越多，瀝青膜越厚，黏砂量越大。

通過1 h濕輪磨耗值和負(fù)荷輪黏砂量可以使用“圖解法”確定出級配1～4的微表處混合料的最佳油石比分別為7%、6.8%、6.6%、6.5%。

3.3 長期性能影響研究

加速加載型的磨耗試驗(yàn)?zāi)芎芎迷u價各種瀝青混合料的抗滑和耐磨性能，為了在相對較短時間內(nèi)對7 mm篩孔通過率對微表處長期性能的影響進(jìn)行研究，并使試驗(yàn)具有操作性，該文使用重慶交通大學(xué)孔令云教授開發(fā)的小型加速加載試驗(yàn)裝置(圖6)對微表處的長期性能進(jìn)行研究，該裝置可用于對瀝青混合料耐磨性能測試、功能性涂層材料的耐久性測試等，裝置專利號為201120042515X，裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)速度為60次/min,可以調(diào)整鐵片負(fù)重使輪胎對試件的壓力為0.7 MPa[10]。

圖6 小型加速加載裝置

3.3.1 試驗(yàn)方法

(1) 試件成型

成型尺寸300 mm×300 mm×50 mm的AC-13車轍板，從模具中取出車轍板后在車轍板周圍粘貼1 cm厚的泡沫膠，攤鋪1 cm厚的混合均勻的微表處混合料在下車轍板上，用刮板刮平后放入60 ℃烘箱至少16 h后拿出，冷卻至常溫，相同配比的微表處每次成型3塊相同的試件，按順序編號后備用。

(2) 試驗(yàn)步驟

① 在成型AC-13車轍板后稱取其重量記為m1；② 在攤鋪微表處混合料烘干后，稱取試件的總質(zhì)量，記為m2，使用擺式儀和手工鋪砂法分別測量微表處的擺值和構(gòu)造深度；③ 將試件安放在加速加載試驗(yàn)儀上，開啟儀器，當(dāng)加速加載次數(shù)分別達(dá)到1 000、2 000、5 000、1萬、2萬、5萬、10萬次時關(guān)閉儀器，取下3塊車轍板，分別稱取試件的重量，測量微表處表面的擺值及構(gòu)造深度，按式(1)計(jì)算微表處混合料的質(zhì)量損失率：

(1)

式中：m1為車轍板質(zhì)量(g)；m2為車轍板和微表處試件的總質(zhì)量(g)；m3為加速加載試驗(yàn)時試件的總質(zhì)量(g)；M為微表處混合料的質(zhì)量損失(%)。

3.3.2 長期抗滑性能

為了研究4種級配的長期抗滑性能，該文在4種級配各自的最佳油石比下進(jìn)行了加速加載試驗(yàn)，采集了不同加速加載次數(shù)后的微表處試件的擺值和構(gòu)造深度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7、8所示。

由圖7、8可知：同一級配的擺值隨加速加載次數(shù)的增加而逐漸降低，在沒有進(jìn)行加速加載時，4種級配的擺值相差不大，當(dāng)作用1 000次時，擺值下降得最多，但在作用10萬次后，4種級配的擺值接近；同一級配的構(gòu)造深度隨加速加載次數(shù)的增加而逐漸降低，4種級配的構(gòu)造深度的衰減在加速加載2 000次前較為規(guī)律，在加速加載2 000～2萬次之間構(gòu)造深度在較小范圍內(nèi)不斷波動變化，2萬次之后衰減速率開始變得穩(wěn)定，在構(gòu)造深度衰減較為規(guī)律時可以看出構(gòu)造深度排序?yàn)椋杭壟?>級配3>級配2>級配1。

圖7 不同加速加載次數(shù)下4種微表處的擺值

圖8 不同加速加載次數(shù)下4種微表處的構(gòu)造深度

分析認(rèn)為：該文在成型加速加載試件時，攤鋪微表處混合料后用刮板將微表處混合料的表面進(jìn)行了刮平處理，使得混合料表面集料的分布較為平整，加上4種級配只有占整體質(zhì)量20%的4.75 mm篩孔以上的集料不相同，因此4種級配成型后的擺值和構(gòu)造深度相差不大；在車輪加速加載作用下，混合料初次成型時粗糙的表面紋理被迅速破壞，因此在作用1 000次時，4種級配的擺值下降得最多，下降速率最快；當(dāng)繼續(xù)進(jìn)行加速加載試驗(yàn)時，微表處混合料表面的細(xì)集料由于黏附性不夠被磨耗掉，表面逐漸變得光滑，粗集料在車輪作用下不斷移位，棱角位置發(fā)生改變，因此擺值和構(gòu)造深度發(fā)生較小范圍的波動，當(dāng)混合料被不斷揉捻、壓密后，整體結(jié)構(gòu)變得穩(wěn)定，擺值和構(gòu)造深度的衰減也變得穩(wěn)定；隨7 mm篩孔通過率的減小，4.75～7 mm篩孔集料用量變少，7～9.5 mm篩孔集料用量增多，級配不斷變粗，其中混合料中較小的集料由于黏附性不足容易在車輪加速加載作用下被磨耗掉，而粗的集料周圍有較多細(xì)集料填充，不容易被磨耗掉，而粗集料的棱角又較為突出，因此較粗的級配在加速加載作用下擺值和構(gòu)造深度大于較細(xì)的級配，在試驗(yàn)中由于試驗(yàn)精度不夠出現(xiàn)了擺值和構(gòu)造深度不斷擺動的問題，但擺值和構(gòu)造深度變化的趨勢較好地反映了4種級配長期抗滑性能的好壞。

3.3.3 長期耐磨性能

為了研究4種級配的長期耐磨性能，該文在4種級配各自的最佳油石比下進(jìn)行了加速加載試驗(yàn)，采集了不同加速加載次數(shù)后試件的重量，計(jì)算得到了質(zhì)量損失的變化情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同加速加載次數(shù)下4種微表處的磨耗損失

由圖9可知：4種級配的質(zhì)量損失隨作用次數(shù)的增加而變大，且磨耗損失由高到低依次為：級配1、級配2、級配3、級配4，微表處混合料在作用1 000次時磨耗損失的增長速率最快，之后增長速率逐漸變得穩(wěn)定。分析認(rèn)為：4種級配在最初成型時其表面紋理最為豐富，輪胎與微表處混合料的表面接觸時，對其表面的相對摩擦力最大，表面的細(xì)集料在摩擦力的作用下會迅速脫落，因此在最初的1 000次作用時磨耗損失的增長速率最快，當(dāng)輪胎繼續(xù)作用時，其表面的細(xì)集料被磨損后，粗集料逐漸顯露出來，粗集料堅(jiān)硬的表面更能有效地抵抗輪胎的摩擦作用，因此含粗集料多的級配的磨耗損失小于含粗集料少的級配，另外由于級配越粗，其混合料內(nèi)部的瀝青膜越厚，礦料間黏結(jié)更加緊密，因此在加速加載作用下的質(zhì)量損失也越小。

4 結(jié)論

(1) 通過對4種不同7 mm通過率的級配進(jìn)行了可拌和時間試驗(yàn)和黏聚力試驗(yàn)，結(jié)果表明在相同油石比下，隨7 mm篩孔通過率的降低，級配逐漸增粗，微表處混合料的可拌和時間變大，黏聚力變小，說明在其他條件不變時，增大合成級配7 mm篩孔的通過率可以提高微表處混合料的可拌和時間，但會減緩其形成速度。

(2) 通過對4種不同7 mm通過率的級配進(jìn)行了濕輪磨耗試驗(yàn)、輪轍變形試驗(yàn)和負(fù)荷輪黏砂試驗(yàn)，結(jié)果表明：在相同油石比下，隨7 mm篩孔通過率的降低，級配逐漸增粗，微表處混合料的濕輪磨耗值變小，寬度變形率和車轍深度率變大，黏附砂量變大，說明在其他條件不變時，增大合成級配7 mm篩孔的通過率可以提高微表處混合料的耐磨性，但是會降低其抗車轍性能。

(3) 在4種不同7 mm通過率的級配的最佳油石比下進(jìn)行了加速加載試驗(yàn)，結(jié)果表明：在其他條件不變時，隨7 mm篩孔通過率的降低，級配逐漸增粗，微表處混合料的擺值和構(gòu)造深度下降得越慢，質(zhì)量損失增長越慢，說明增大合成級配7 mm篩孔的通過率可以提高微表處混合料的長期抗滑性能和長期耐磨性能。