高速公路瀝青路面罩面修補(bǔ)材料抗裂性能試驗(yàn)研究

摘要：為了測試高速公路瀝青路面罩面修補(bǔ)材料抗裂性，本文采用萬能伺服液壓試驗(yàn)機(jī)對修補(bǔ)材料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性進(jìn)行測試。測試得出：當(dāng)摻加玄武巖纖維含量為10%時(shí)，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性為6 100次/mm，抗彎拉強(qiáng)度為11.56 MPa，最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 500 Re，彎曲勁度模量為3 300 MPa，凍融后修補(bǔ)材料劈裂強(qiáng)度為1.28 MPa，劈裂強(qiáng)度比為84.24%。因此，利用該材料進(jìn)行修復(fù)，高速公路路面的抗裂性最佳。本研究測試方法可為瀝青路面的維護(hù)和修復(fù)工作提供有益的參考，以達(dá)到延長路面壽命、改善行車安全與舒適度的目的。

關(guān)鍵詞：高速公路；瀝青路面；罩面修補(bǔ)材料；抗裂性能試驗(yàn)；萬能伺服液壓試驗(yàn)機(jī)

中圖分類號(hào)：TU535"" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A"" 文章編號(hào)：2096-2118（2024）06-0052-04

Experimental Study on Crack Resistance Performance of Asphalt

Pavement Cover Repair Materials for Highways

LIU Shangzhi

（China Railway 22nd Bureau Group Fourth Engineering Co.，Ltd.，Tianjin 301700，China）

Abstract：In order to test the crack resistance of asphalt pavement cover repair materials on highways，this article uses a universal servo hydraulic testing machine to test the high-temperature stability，low-temperature crack resistance，and water stability of the repair materials.The test results show that when the content of basalt fiber is 10%，the dynamic stability is 6 100 times/mm，the flexural tensile strength is 11.56 MPa，the maximum flexural tensile strain is 3 500 Re，the flexural stiffness modulus is 3 300 MPa，the splitting strength of the repair material after freeze-thaw is 1.28 MPa，and the splitting strength ratio is 84.24%.Therefore the use of this material to repair， the highway pavement has the best creak resistance.The testing method of this study can provide useful reference for the maintenance and repair of asphalt pavement，in order to extend the service life of the pavement，improve driving safety and comfort.

Keywords：highways；asphalt pavement；cover repair materials；crack resistance test；universal servo hydraulic testing machine

在高速公路網(wǎng)絡(luò)中，瀝青路面因其優(yōu)良的行車舒適性和耐久性而被廣泛應(yīng)用。然而，隨著使用年限的增加，青石路面易開裂，嚴(yán)重影響了道路的正常使用。為了確保高速公路的暢通和安全，對瀝青路面破損、裂縫進(jìn)行及時(shí)修補(bǔ)至關(guān)重要。在修補(bǔ)過程中，選擇合適的修補(bǔ)材料、確定其摻量是關(guān)鍵，尤其是材料的抗裂性能[1]。高速公路瀝青路面罩面修補(bǔ)材料的抗裂性能是決定修補(bǔ)質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素之一。抗裂性能良好的材料能有效地抵抗裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，保持路面的完整性。然而，由于高速公路所處的環(huán)境復(fù)雜多變，如溫度變化、濕度差異、車輛載荷等，對修補(bǔ)材料的抗裂性能提出了更高的要求[2-3]。為了深入了解各種修補(bǔ)材料的抗裂性能，本研究采用試驗(yàn)的方法，對不同瀝青路面罩面修補(bǔ)材料進(jìn)行了系統(tǒng)的測試和分析。試驗(yàn)涵蓋了材料的基本性能、黏結(jié)強(qiáng)度、耐久性等多個(gè)方面，力求全面評估材料的抗裂性能。希望通過本次研究，提高高速公路瀝青路面裂縫修補(bǔ)效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次罩面修補(bǔ)材料制備需要應(yīng)用水泥、乳化瀝青、玄武纖維等材料，具體如下。

1） 水泥

本試驗(yàn)選用天瑞牌普通硅酸鹽水泥P.O 42.5修補(bǔ)材料[4]，使其在材料中承擔(dān)促進(jìn)材料凝結(jié)硬化、提高材料強(qiáng)度和耐久性的作用。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對水泥摻量進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，其僅為集料質(zhì)量的5%。對水泥性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。

2） 集料

①粗集料指顆粒直徑gt;4.75 mm的碎（礫）石。在水泥混合料中，粗集料起到了重要的力學(xué)支撐作用，其性能對整個(gè)混合料的力學(xué)性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。因此，對粗集料的選擇必須謹(jǐn)慎，確保其質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)的粗集料應(yīng)潔凈、光亮，并始終保持干燥狀態(tài)，這樣的集料不僅能確保混合料的穩(wěn)定性[5]，還能提高路面的耐久性。為了滿足工程需求，粗骨料還應(yīng)具有明顯的棱角，不僅可以增強(qiáng)骨料間的嵌擠作用，提高混合料的穩(wěn)定性，還有助于提高路面的抗車轍性能。本文所選擇的集料最大粒徑為31.5 mm，此規(guī)格粒徑可以確保集料在混合料中起到良好的支撐作用，并滿足高速公路瀝青路面的施工要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所選粗集料的質(zhì)量，根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E 42—2005對其進(jìn)行了詳細(xì)的檢測。檢測內(nèi)容包括含泥量、針片狀含量和壓碎值，檢測結(jié)果詳見表2。

②細(xì)集料指的是粒徑lt;4.75 mm的集料，常見于天然砂或機(jī)制砂中。在瀝青混合料中，細(xì)集料與粗骨料按照一定的比例搭配，能夠獲得更高的密實(shí)度和更強(qiáng)的嵌鎖力。對于水泥穩(wěn)定碎石而言，細(xì)集料主要起到填充作用，有助于提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[6]。石屑是最佳的細(xì)集料選擇，但由于供應(yīng)緊張，往往會(huì)選擇砂或礦粉替代。本試驗(yàn)選用了鄭州市鄭發(fā)市政公司的粒徑在0 mm～2.36 mm之間的河沙和礦粉。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所選細(xì)集料的質(zhì)量，根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E 42—2005對其進(jìn)行了詳細(xì)的檢測。檢測內(nèi)容包括細(xì)度模數(shù)、含泥量、空隙率等關(guān)鍵指標(biāo)，檢測結(jié)果詳見表3。

③乳化瀝青是由瀝青、水、乳化劑和穩(wěn)定劑按照一定的比例混合而成，本次選取中海油70號(hào)B級基質(zhì)瀝青進(jìn)行配置，得到高固含量的乳化瀝青，并按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對各組瀝青蒸發(fā)殘留物進(jìn)行性能檢測[7]，得到乳化瀝青性能指標(biāo)見表4。

④玄武巖纖維，本次試驗(yàn)選玄武巖纖維作為外加材料，其特性包括低回潮率、出色的耐高低溫性能及優(yōu)良的抗拉性能等，其性能指標(biāo)見表5。

1.2 試驗(yàn)試件制備

依據(jù)上述檢測結(jié)果可完成修復(fù)材料配合比設(shè)計(jì)，具體見表6。

在按照設(shè)計(jì)的配合比稱取材料后，先將模具（包括圓筒鋼模、底座墊塊和套模）和材料一同放入烘箱內(nèi)加熱4 h以上。待試模從烘箱中取出后，仔細(xì)清潔試模內(nèi)壁、墊塊和套模，再將離型劑均勻地涂在內(nèi)壁上。然后，把制備好的乳化瀝青拌合料放入試模中，使用預(yù)熱過的刮刀進(jìn)行插搗，確保材料密實(shí)，使乳化瀝青混合料的頂面呈現(xiàn)微凸的弧形[8-9]，整個(gè)操作過程需在1.5 min內(nèi)完成。接下來，對試樣進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)。根據(jù)馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí)次數(shù)應(yīng)按壓實(shí)試驗(yàn)試樣的密度進(jìn)行計(jì)算。完成擊實(shí)后，將裝有乳化瀝青混合料的試模固定在擊實(shí)儀的平臺(tái)上，進(jìn)行進(jìn)一步擊實(shí)[10]。壓實(shí)結(jié)束后，將試樣在室溫下自然冷卻并取出。脫模后的試件需靜置24 h，再進(jìn)行其他相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)使用的脫模劑是由丙三醇和滑石粉按2：1的比例混合制成。對于成型的試件，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行檢查，其尺寸應(yīng)為250 mm×120 mm×150 mm，試件孔隙率應(yīng)lt;6%。對于不合格的試件，應(yīng)重新制備。本次設(shè)計(jì)修補(bǔ)材料是采用填補(bǔ)挖槽的方式進(jìn)行路面修復(fù)，即先將裂縫周圍的損壞材料挖除，并清理干凈，然后將修補(bǔ)材料填充進(jìn)挖槽中。為使其與舊路面進(jìn)行充分結(jié)合，在填充前，需在新修復(fù)部分的底部涂抹黏結(jié)劑以增強(qiáng)新舊材料之間的附著力，防止新舊路面之間的脫離，在填補(bǔ)過程中，確保填補(bǔ)材料充分填滿挖槽，且與舊路面表面平齊，使用壓實(shí)工具將填補(bǔ)材料壓實(shí)，使其與舊路面緊密結(jié)合。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

評估高速公路瀝青路面裂縫修補(bǔ)材料的抗裂性能，采用萬能伺服液壓試驗(yàn)機(jī)模擬實(shí)際路面復(fù)雜應(yīng)力條件進(jìn)行測試。試驗(yàn)中，通過計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)控制伺服液壓試驗(yàn)機(jī)，選擇位移加載模式以更好模擬材料實(shí)際受力情況。加載周期設(shè)為60 s，前50 s以0.5 mm/s速率加載，后10 s以0.05 mm/s速率加載，以接近真實(shí)受力條件，觀察材料性能變化及不同受力狀態(tài)下的表現(xiàn)，試件測試實(shí)物如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高溫穩(wěn)定性能

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，先檢驗(yàn)試件的高溫穩(wěn)定性，將試件置于恒溫環(huán)境中，使其達(dá)到并維持60 ℃的溫度，然后，利用伺服液壓試驗(yàn)機(jī)在試件上施加0.7 MPa的穩(wěn)定壓力。在此工況下，采用位移加載模式進(jìn)行測試，測試結(jié)果顯示，所有修補(bǔ)材料的高溫穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。分析數(shù)據(jù)可知，摻加玄武巖纖維對修補(bǔ)材料的高溫穩(wěn)定性有一定的影響。在標(biāo)準(zhǔn)荷載0.7 MPa和60 ℃工況下，隨著玄武巖纖維摻量的增加，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性表現(xiàn)并不是單調(diào)遞增或遞減的關(guān)系。從試驗(yàn)結(jié)果來看，摻加玄武巖纖維10%時(shí)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能最好，為6 100次/mm；而當(dāng)摻加15%時(shí)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性降低到4 400次/mm；之后摻加18%，20%，30%時(shí)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分別為3 600次/mm，4 300次/mm，5 400次/mm。由此結(jié)果可以初步推斷，摻加玄武巖纖維對修補(bǔ)材料高溫穩(wěn)定性的影響是非線性的，并不是摻量越多，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性越好。因此，在制備修補(bǔ)材料時(shí)，摻加玄武巖纖維為10%時(shí)，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能更好。

2.2 低溫抗裂性能

檢驗(yàn)試件的低溫抗裂性能，將試件置于-15 ℃的低溫環(huán)境中，利用伺服液壓試驗(yàn)機(jī)以50 mm/min的加載速度進(jìn)行試驗(yàn)，得到測試結(jié)果見表7。

在加載速度為50 mm/min，-15 ℃工況下開展5種修補(bǔ)材料的測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)摻加10%玄武巖纖維時(shí)應(yīng)用效果最優(yōu)，其抗彎拉強(qiáng)度為11.56 MPa，最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 500 Re，彎曲勁度模量為3 300 MPa。這意味著在加載速度為50 mm/min，-15 ℃工況下，摻加10%玄武巖纖維后的修補(bǔ)材料具有較高的抗彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量，能夠承受相對較大的應(yīng)變并保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，適合用于要求低溫抗裂特性的應(yīng)用場景。

2.3 水穩(wěn)定性能

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)要求，對5種修復(fù)材料進(jìn)行了抗水破壞性能評估，得出試驗(yàn)結(jié)果見表8。

分析表8數(shù)據(jù)可知，當(dāng)摻加玄武巖纖維10%時(shí)，凍融后修補(bǔ)材料劈裂強(qiáng)度為1.28 MPa，劈裂強(qiáng)度比為84.24%，隨著玄武巖纖維含量的增加，雖然劈裂強(qiáng)度略有下降，但仍保持較高水平，劈裂強(qiáng)度比也基本保持穩(wěn)定。然而，當(dāng)玄武巖纖維摻量達(dá)到30%時(shí)，劈裂強(qiáng)度比開始顯著下降，這會(huì)影響修補(bǔ)材料的整體性能表現(xiàn)。綜上，當(dāng)修補(bǔ)材料摻加玄武巖纖維10%時(shí)，材料應(yīng)用性能得到最優(yōu)，表現(xiàn)為較高的劈裂強(qiáng)度和相對穩(wěn)定的劈裂強(qiáng)度比，更適合用于公路路面裂縫修補(bǔ)。

3 結(jié)語

為提高高速公路瀝青路面破損的修復(fù)效果，應(yīng)尋找更優(yōu)的修補(bǔ)材料。玄武巖纖維是從玄武巖礦石中提取出來的纖維，具有一定的拉伸強(qiáng)度和耐熱性能。將其添加到材料中可以增強(qiáng)材料強(qiáng)度和改善材料耐熱性能。本研究將該材料添加到高速公路瀝青路面裂縫修復(fù)材料之中，探究不同摻量下各種材料的應(yīng)用性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)玄武巖纖維添加含量為10%時(shí)，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性為6 100次/mm，抗彎拉強(qiáng)度為11.56 MPa，最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 500 Re，彎曲勁度模量為3 300 MPa，凍融后修補(bǔ)材料劈裂強(qiáng)度為1.28 MPa，劈裂強(qiáng)度比為84.24%，應(yīng)用效果更佳。

參 考 文 獻(xiàn)

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編輯：楊 洋