高寒山區(qū)瀝青路面常溫灌縫材料的制備及性能研究

晏 超 陳輝強(qiáng)

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 重慶 400074)

0 引 言

我國(guó)西部山區(qū)氣候寒冷、晝夜溫差大以及紫外輻射強(qiáng),瀝青路面更易出現(xiàn)開(kāi)裂病害問(wèn)題[1-4].在行車荷載、水,以及惡劣的環(huán)境因素作用下,瀝青路面裂縫極可能演變成為龜裂、網(wǎng)裂和坑槽等嚴(yán)重病害[5].

采用灌縫材料灌縫的方法是瀝青路面裂縫處治中性價(jià)比最優(yōu)的方式[6-8],而高寒山區(qū)特殊氣候環(huán)境與重載交通環(huán)境對(duì)灌縫材料要求更高[9-10]:①極端氣溫低,要求灌縫材料具有良好的低溫性能;②晝夜溫差大,裂縫在升溫-降溫循環(huán)過(guò)程中熱脹冷縮,要求灌縫材料具有優(yōu)良的變形能力與耐疲勞性能;③重載交通環(huán)境要求灌縫材料具有優(yōu)異的黏結(jié)性能.熱灌類材料使用較早且應(yīng)用較為普遍,但其在高寒山區(qū)自身易出現(xiàn)低溫開(kāi)裂和疲勞開(kāi)裂等病害,在灌縫施工中也會(huì)因溫度下降過(guò)快而導(dǎo)致其黏度迅速增大在裂縫表面凝固,無(wú)法充分滲入裂縫深處,影響灌縫材料與裂縫壁的黏結(jié)強(qiáng)度[11].常溫灌縫材料施工簡(jiǎn)便,在低溫條件下也具有良好的流動(dòng)性和滲透性,能夠滲入裂縫深處,但大多數(shù)常溫灌縫材料黏結(jié)性能與變形能力稍顯不足,不適用于高寒山區(qū).因此,文中將綜合高寒山區(qū)氣候?qū)嗫p材料性能及施工方面的要求,研制一種低溫性能優(yōu)良、施工性能優(yōu)良及與裂縫壁有良好黏結(jié)性能的常溫型灌縫材料(簡(jiǎn)稱CW-GHG,下同).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

基質(zhì)瀝青選用與改性劑有良好相容性的GS90#,性能指標(biāo)見(jiàn)表1.改性劑選用岳陽(yáng)某公司生產(chǎn)的星型SBS(YH-801).增黏劑選用廣州某公司生產(chǎn)的古馬隆樹(shù)脂,性能指標(biāo)見(jiàn)表2.溶劑選用濟(jì)南銘威化工有限公司生產(chǎn)的工業(yè)異構(gòu)級(jí)二甲苯.

表2 古馬隆樹(shù)脂質(zhì)檢報(bào)告單

1.2 制備工藝

工藝制備流程對(duì)灌縫材料性能有明顯影響,經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)參考對(duì)比,確定常溫型灌縫材料制備流程如下.

步驟1以基質(zhì)瀝青為基準(zhǔn),稱取一定摻量的二甲苯與SBS改性劑,室溫下控制攪拌裝置轉(zhuǎn)速在(100±20) r/min范圍內(nèi)攪拌3 min,停止攪拌,靜置至溶液呈無(wú)顆粒透明狀態(tài),得到溶液A.

步驟2再將一定量的古馬隆樹(shù)脂加入溶液A中,繼續(xù)以相同轉(zhuǎn)速攪拌3 min,靜置溶液至無(wú)顆粒狀態(tài),得到溶液B.

步驟3將GS90#瀝青在100℃烘箱中保溫至熔融,取定量瀝青加入至溶液B中,繼續(xù)以(50±10) r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5 min,即制得常溫型灌縫材料CW-GHG .

1.3 性能測(cè)試

三大指標(biāo)、彈性恢復(fù)率及常溫黏度試驗(yàn)參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的方法.低溫柔韌度參考GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗(yàn)方法》的方法進(jìn)行測(cè)試.測(cè)力延度參考NB/SH/T 0814—2010《瀝青材料測(cè)力延度試驗(yàn)法》的方法進(jìn)行測(cè)試,采用SYD-4508G-1型瀝青延度試驗(yàn)器.拉伸試驗(yàn)參考GB/T 2567—2008《樹(shù)脂澆鑄體性能試驗(yàn)方法》中的拉伸試驗(yàn)方法,分析灌縫材料的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率.拉拔試驗(yàn)采用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,參考試驗(yàn)規(guī)范ASTM C1583-04的方法進(jìn)行測(cè)試.抗剪強(qiáng)度采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,參考JTG/T3364—02-2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》的方法進(jìn)行測(cè)試.

2 試驗(yàn)與結(jié)果討論

2.1 常溫型灌縫材料的制備

2.1.1二甲苯用量范圍

考慮到SBS、古馬隆樹(shù)脂及瀝青均屬熱塑性樹(shù)脂,低摻量的SBS與古馬隆樹(shù)脂對(duì)常溫型灌縫材料黏度影響與基質(zhì)瀝青對(duì)常溫型灌縫材料黏度影響差異較小,故文中通過(guò)研究二甲苯用量對(duì)基質(zhì)瀝青黏度影響來(lái)確定二甲苯用量的大致范圍.試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表3,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.

表3 二甲苯摻量變化試驗(yàn)表

圖1 25℃條件下二甲苯用量對(duì)基質(zhì)瀝青黏度的影響

參考文獻(xiàn)[12]中改性瀝青在135℃時(shí)黏度不超過(guò)3 Pa·s和常溫瀝青在60℃時(shí)黏度不超過(guò)3 Pa·s的要求,結(jié)合室內(nèi)相關(guān)流動(dòng)度試驗(yàn),建議常溫灌縫材料在25℃黏度要求也不大于3 Pa·s,兼顧二甲苯的揮發(fā)速度,因此初步確定二甲苯用量范圍不低于25%(以基質(zhì)瀝青100份為基準(zhǔn)).

2.1.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,通過(guò)三大指標(biāo)、5℃彈性恢復(fù)率及25℃布氏黏度確定常溫型灌縫材料各組成材料的合理?yè)搅?以SBS、古馬隆樹(shù)脂及二甲苯為3因素,分別為A,B,C,其摻量(質(zhì)量百分比)變量確定三個(gè)水平,按L9(33)正交表安排試驗(yàn),得到正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表見(jiàn)表4.

表4 常溫灌縫材料的正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 單位:%

制得九種配比的常溫型灌縫材料,因常溫型灌縫材料在常溫下呈液態(tài),除黏度外都無(wú)法直接進(jìn)行試驗(yàn),需將其恒溫蒸發(fā)至重量不發(fā)生變化,再測(cè)試蒸發(fā)殘留物的三大指標(biāo)與彈性恢復(fù)率.測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 常溫灌縫材料的正交試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

對(duì)表5進(jìn)行極差分析,結(jié)果見(jiàn)表6.其中Kn為某一因素下第n個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和,kn為對(duì)應(yīng)Kn的平均值.

表6 正交試驗(yàn)直觀分析結(jié)果

在正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中,極差R越大,則對(duì)應(yīng)的影響因素越重要.由表6中通過(guò)正交試驗(yàn)處理后的數(shù)據(jù),分析各因素對(duì)各指標(biāo)影響的主次關(guān)系,見(jiàn)表7.

表7 各因素的影響順序與最優(yōu)水平

針對(duì)于高寒山區(qū)所使用的常溫灌縫材料,以5℃延度和5℃彈性恢復(fù)率作為選擇摻量的關(guān)鍵指標(biāo).結(jié)合表6～7,因素A對(duì)5℃延度及5℃彈性恢復(fù)率指標(biāo)影響最大,最優(yōu)水平都為2;因素B對(duì)5℃延度指標(biāo)影響排在第二位,對(duì)5℃彈性恢復(fù)率的影響排在第三位,最優(yōu)水平分別為1、2,綜合考慮因素B選擇水平1;因素C直接影響常溫灌縫材料的施工和易性,以25℃黏度指標(biāo)確定最優(yōu)水平為2.常溫灌縫材料確定各因素最優(yōu)水平為A2B1C2,即SBS摻量為5%,古馬隆樹(shù)脂摻量為7%,二甲苯摻量為30%.

2.2 常溫灌縫材料的性能評(píng)價(jià)

2.2.1低溫性能

1) 低溫柔韌度 稱取(80.0±0.1)g的灌縫材料,倒在規(guī)格為10 mm×10 mm的牛皮紙上,用抹刀抹平,冷卻后將其切取出8 mm×2 mm的試片,將試片與直徑1 cm的圓棒放入已調(diào)好溫度的冰箱中,保溫2 h,打開(kāi)冰箱后在3～4 s內(nèi)將試片繞圓棒半周,出現(xiàn)裂紋時(shí)的溫度即為低溫柔韌度.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 低溫柔韌度

低溫柔韌度越低,灌縫材料的低溫柔性越優(yōu)良.由圖2可知:三種灌縫材料低溫柔韌度的大小依次為:CW-GHG>SRH>RB.CW-GHG的低溫柔韌度是SRH的1.31倍,是RB的2.13倍,可見(jiàn)CW-GHG具有比另外兩種灌縫材料更優(yōu)良的低溫柔韌性,對(duì)高寒山區(qū)瀝青路面裂縫的形變具有良好追從性.

2) 5℃彈性恢復(fù)試驗(yàn) 彈性恢復(fù)率即測(cè)定采用延度試驗(yàn)儀拉伸一定長(zhǎng)度后可恢復(fù)變形的百分率,3種灌縫材料的5℃彈性恢復(fù)率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3可知:CW-GHG低溫下的彈性恢復(fù)率高達(dá)61%,分別約為RB和SRH彈性恢復(fù)率的3.21倍和1.74倍,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種灌縫材料,表明其在試驗(yàn)溫度下具有較好的低溫韌性和彈性.

圖3 彈性恢復(fù)率

3) 測(cè)力延度 三種灌縫材料在5℃時(shí)拉伸速率為50 mm/min試驗(yàn)條件下的測(cè)力延度曲線圖見(jiàn)圖4.

圖4 三種灌縫材料測(cè)力延度曲線

采用測(cè)力延度計(jì)算公式計(jì)算三種灌縫材料的性能指標(biāo),具體結(jié)果見(jiàn)表8.

由表8可知:拉伸柔量反映了材料在低溫條件下的變形和拉伸作用,其值越大,則低溫性能越差;屈服應(yīng)變能是荷載試樣所做的功,其值越大,則低溫性能越差.在5℃試驗(yàn)溫度下,三種灌縫材料拉伸柔量與屈服應(yīng)變能的大小順序均為:RB>SRH>CW-GHG,表明低溫性能的優(yōu)劣順序?yàn)?CW-GHG>SRH>RB;韌性比值是測(cè)力延度試驗(yàn)中的重要評(píng)價(jià)指標(biāo),韌性比越大,則灌縫材料低溫抗裂性能就越強(qiáng),在試驗(yàn)溫度下,CW-GHG韌性比值遠(yuǎn)大于SRH和RB,這表明其比另外兩種灌縫材料具有更好的低溫抗裂性能.

表8 3種灌縫材料測(cè)力延度的計(jì)算結(jié)果

2.2.2變形能力

參考規(guī)范GB/T2567—2008中的拉伸試驗(yàn)方法分別測(cè)試了三種灌縫材料在-15、0和15℃溫度下的斷裂伸長(zhǎng)率,測(cè)試結(jié)果列于表9.

表9 3種灌縫材料在不同溫度下的斷裂伸長(zhǎng)率

由表9可知:3種灌縫材料的斷裂伸長(zhǎng)率均隨著溫度的上升而上升,且CW-GHG的斷裂伸長(zhǎng)率在試驗(yàn)溫度內(nèi)遠(yuǎn)大于其他兩種灌縫材料,試驗(yàn)表明CW-GHG在低溫條件下比另外兩種灌縫材料具有更優(yōu)良的拉伸和變形能力,更適宜在高寒山區(qū)修補(bǔ)裂縫使用.

2.2.3黏結(jié)性能

自制模擬裂縫壁的試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn),從成型AC-13瀝青混凝土車轍板上取規(guī)格為10 cm×3.5 cm×3.5 cm的試樣,在其中部制造裂縫,沿裂縫將其分為兩部分,不規(guī)則斷裂面即為實(shí)際路面中與灌縫材料黏結(jié)的裂縫壁,兩對(duì)應(yīng)裂縫壁由灌縫材料黏結(jié)制成試件.圖5為試樣制備前后及試驗(yàn)過(guò)程.

圖5 拉拔試驗(yàn)

分別測(cè)試3種灌縫材料黏合后的試件在-20、0及20℃下的斷面黏結(jié)強(qiáng)度,因無(wú)法準(zhǔn)確得知斷裂面面積,故計(jì)算過(guò)程中采用斷裂面投影面積,為減小試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差,每組試驗(yàn)平行試樣5個(gè),取平均值為拉拔試驗(yàn)結(jié)果,見(jiàn)圖6.

圖6 裂縫黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖6可知:3種灌縫材料都表現(xiàn)出了較強(qiáng)的溫度敏感性,拉拔強(qiáng)度均隨著溫度升高而出現(xiàn)顯著的降低.因計(jì)算過(guò)程中采用接觸面投影面積,拉拔試驗(yàn)結(jié)果較實(shí)際值偏大,但變化規(guī)律保持一致.試驗(yàn)表明在同一溫度下,3種灌縫材料的拉拔強(qiáng)度大小順序?yàn)?CW-GHG>RB>SRH,CW-GHG在試驗(yàn)溫度內(nèi)表現(xiàn)出比另兩種灌縫材料更優(yōu)異的黏結(jié)性能.

2.2.4灌縫體系的抗剪性能

對(duì)道路裂縫進(jìn)行灌縫處理后,就形成了裂縫壁-灌縫材料-裂縫壁的體系,在行車荷載的作用下兩邊裂縫壁的錯(cuò)位位移對(duì)灌縫材料的抗剪性能提出較高要求[14].

將自制成型的AC-13瀝青混凝土車轍試件切割成50 mm×50 mm×100 mm的試塊,選擇切割面作為裂縫壁,制備灌縫寬度為1 mm的試件.試驗(yàn)采用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)溫度為-20、0及20℃,拉伸速率為50 mm/min,傾斜角為60°.圖7為三種灌縫材料在三種溫度下的最大剪切力試驗(yàn)結(jié)果.

圖7 最大剪切力試驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知:在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),灌縫材料最大剪切力隨著溫度上升而表現(xiàn)出線性減小的變化規(guī)律.溫度由-20℃升高至20℃范圍內(nèi),CW-GHG的最大剪切力從18.63 kN降到4.25 kN,下降幅度為77.19%;RB的最大剪切力從15.76 kN降到2.75 kN,下降幅度為82.55%;SRH最大剪切力從13.51 kN降至1.82 kN,降幅為86.53%.由此可知:溫度對(duì)于灌縫材料的最大剪切力影響顯著,溫度越低灌縫材料越硬實(shí),需要較大的力才能使其破壞.三種灌縫材料的降幅大小順序?yàn)镃W-GHG

圖8為不同溫度下3種灌縫材料的剪切變形圖.

圖8 不同溫度下3種灌縫材料剪切力-變形量曲線圖

由圖8可知:隨著溫度的上升,灌縫材料達(dá)到最大剪切力值發(fā)生剪切破壞時(shí),對(duì)應(yīng)的變形量相應(yīng)增大.這是由于溫度從-20℃升至20℃過(guò)程中,灌縫材料流變性增強(qiáng),發(fā)生剪切破壞時(shí)所需要變形就越大.剪切破壞變形量能夠表征灌縫材料抵抗變形能力,在試驗(yàn)溫度內(nèi),RB和SRH的變形曲線比CW-GHG更早達(dá)到抗剪承載力極限,且峰值剪切力明顯更低,這說(shuō)明CW-GHG具有更優(yōu)良的抗剪切變形能力.

表10為3種灌縫材料在不同溫度下的破壞功,由表10可知:在同一溫度下,不同灌縫材料間相比,CW-GHG在發(fā)生剪切破壞過(guò)程中所消耗的能量比另外兩種灌縫材料高,這表明CW-GHG具有更優(yōu)良的抗剪切能力.

表10 不同溫度下灌縫材料破壞功

3 結(jié) 論

1) 通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法確定了常溫型灌縫材料CW-GHG合理配比為m(90#基質(zhì)瀝青)∶m(SBS)∶m(古馬隆樹(shù)脂)∶m(二甲苯)=100∶5∶7∶30.

2) CW-GHG低溫柔度為-17,5℃延度為68.7cm,5℃彈性恢復(fù)率為61%,-15℃斷裂伸長(zhǎng)率能達(dá)到12.7%,表明其具有優(yōu)良的低溫性能、拉伸性能和變形能力,適宜高寒山區(qū)修補(bǔ)裂縫使用.

3) 試驗(yàn)溫度由-20℃升至20℃時(shí),CW-GHG黏結(jié)強(qiáng)度由1.297降至0.623 MPa,且在同一溫度下高于RB與SRH的黏結(jié)強(qiáng)度,表明CW-GHG與裂縫壁具有更優(yōu)良的黏結(jié)性能.

4) 最大剪切力與破壞功這兩個(gè)指標(biāo)都表明CW-GHG與裂縫壁組成的灌縫體系具有較好的抗剪切能力,由剪切破壞變形量可知CW-GHG還具有良好的抗剪切變形能力.