高寒山區瀝青路面常溫灌縫材料的制備及性能研究

晏 超 陳輝強

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400074)

0 引 言

我國西部山區氣候寒冷、晝夜溫差大以及紫外輻射強,瀝青路面更易出現開裂病害問題[1-4].在行車荷載、水,以及惡劣的環境因素作用下,瀝青路面裂縫極可能演變成為龜裂、網裂和坑槽等嚴重病害[5].

采用灌縫材料灌縫的方法是瀝青路面裂縫處治中性價比最優的方式[6-8],而高寒山區特殊氣候環境與重載交通環境對灌縫材料要求更高[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-降溫循環過程中熱脹冷縮,要求灌縫材料具有優良的變形能力與耐疲勞性能;③重載交通環境要求灌縫材料具有優異的黏結性能.熱灌類材料使用較早且應用較為普遍,但其在高寒山區自身易出現低溫開裂和疲勞開裂等病害,在灌縫施工中也會因溫度下降過快而導致其黏度迅速增大在裂縫表面凝固,無法充分滲入裂縫深處,影響灌縫材料與裂縫壁的黏結強度[11].常溫灌縫材料施工簡便,在低溫條件下也具有良好的流動性和滲透性,能夠滲入裂縫深處,但大多數常溫灌縫材料黏結性能與變形能力稍顯不足,不適用于高寒山區.因此,文中將綜合高寒山區氣候對灌縫材料性能及施工方面的要求,研制一種低溫性能優良、施工性能優良及與裂縫壁有良好黏結性能的常溫型灌縫材料(簡稱CW-GHG,下同).

1 試驗部分

1.1 試驗材料

基質瀝青選用與改性劑有良好相容性的GS90#,性能指標見表1.改性劑選用岳陽某公司生產的星型SBS(YH-801).增黏劑選用廣州某公司生產的古馬隆樹脂,性能指標見表2.溶劑選用濟南銘威化工有限公司生產的工業異構級二甲苯.

表2 古馬隆樹脂質檢報告單

1.2 制備工藝

工藝制備流程對灌縫材料性能有明顯影響,經室內試驗參考對比,確定常溫型灌縫材料制備流程如下.

步驟1以基質瀝青為基準,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速在(100±20) r/min范圍內攪拌3 min,停止攪拌,靜置至溶液呈無顆粒透明狀態,得到溶液A.

步驟2再將一定量的古馬隆樹脂加入溶液A中,繼續以相同轉速攪拌3 min,靜置溶液至無顆粒狀態,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,繼續以(50±10) r/min的轉速攪拌5 min,即制得常溫型灌縫材料CW-GHG .

1.3 性能測試

三大指標、彈性恢復率及常溫黏度試驗參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的方法.低溫柔韌度參考GB/T 16777—2008《建筑防水涂料試驗方法》的方法進行測試.測力延度參考NB/SH/T 0814—2010《瀝青材料測力延度試驗法》的方法進行測試,采用SYD-4508G-1型瀝青延度試驗器.拉伸試驗參考GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》中的拉伸試驗方法,分析灌縫材料的拉伸強度與斷裂伸長率.拉拔試驗采用MTS萬能試驗機進行測試,參考試驗規范ASTM C1583-04的方法進行測試.抗剪強度采用萬能試驗機進行測試,參考JTG/T3364—02-2019《公路鋼橋面鋪裝設計與施工技術規范》的方法進行測試.

2 試驗與結果討論

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、古馬隆樹脂及瀝青均屬熱塑性樹脂,低摻量的SBS與古馬隆樹脂對常溫型灌縫材料黏度影響與基質瀝青對常溫型灌縫材料黏度影響差異較小,故文中通過研究二甲苯用量對基質瀝青黏度影響來確定二甲苯用量的大致范圍.試驗設計見表3,試驗結果見圖1.

表3 二甲苯摻量變化試驗表

圖1 25℃條件下二甲苯用量對基質瀝青黏度的影響

參考文獻[12]中改性瀝青在135℃時黏度不超過3 Pa·s和常溫瀝青在60℃時黏度不超過3 Pa·s的要求,結合室內相關流動度試驗,建議常溫灌縫材料在25℃黏度要求也不大于3 Pa·s,兼顧二甲苯的揮發速度,因此初步確定二甲苯用量范圍不低于25%(以基質瀝青100份為基準).

2.1.2正交試驗設計

采用正交試驗設計方法,通過三大指標、5℃彈性恢復率及25℃布氏黏度確定常溫型灌縫材料各組成材料的合理摻量.以SBS、古馬隆樹脂及二甲苯為3因素,分別為A,B,C,其摻量(質量百分比)變量確定三個水平,按L9(33)正交表安排試驗,得到正交試驗方案設計表見表4.

表4 常溫灌縫材料的正交試驗方案設計 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,除黏度外都無法直接進行試驗,需將其恒溫蒸發至重量不發生變化,再測試蒸發殘留物的三大指標與彈性恢復率.測試結果見表5.

表5 常溫灌縫材料的正交試驗結果

2.1.3正交試驗數據處理及分析

對表5進行極差分析,結果見表6.其中Kn為某一因素下第n個水平所對應的試驗指標和,kn為對應Kn的平均值.

表6 正交試驗直觀分析結果

在正交試驗數據處理中,極差R越大,則對應的影響因素越重要.由表6中通過正交試驗處理后的數據,分析各因素對各指標影響的主次關系,見表7.

表7 各因素的影響順序與最優水平

針對于高寒山區所使用的常溫灌縫材料,以5℃延度和5℃彈性恢復率作為選擇摻量的關鍵指標.結合表6～7,因素A對5℃延度及5℃彈性恢復率指標影響最大,最優水平都為2;因素B對5℃延度指標影響排在第二位,對5℃彈性恢復率的影響排在第三位,最優水平分別為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℃黏度指標確定最優水平為2.常溫灌縫材料確定各因素最優水平為A2B1C2,即SBS摻量為5%,古馬隆樹脂摻量為7%,二甲苯摻量為30%.

2.2 常溫灌縫材料的性能評價

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的圓棒放入已調好溫度的冰箱中,保溫2 h,打開冰箱后在3～4 s內將試片繞圓棒半周,出現裂紋時的溫度即為低溫柔韌度.試驗結果見圖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CW-GHG具有比另外兩種灌縫材料更優良的低溫柔韌性,對高寒山區瀝青路面裂縫的形變具有良好追從性.

2) 5℃彈性恢復試驗 彈性恢復率即測定采用延度試驗儀拉伸一定長度后可恢復變形的百分率,3種灌縫材料的5℃彈性恢復率測試結果見圖3.由圖3可知:CW-GHG低溫下的彈性恢復率高達61%,分別約為RB和SRH彈性恢復率的3.21倍和1.74倍,遠遠高于其他兩種灌縫材料,表明其在試驗溫度下具有較好的低溫韌性和彈性.

圖3 彈性恢復率

3) 測力延度 三種灌縫材料在5℃時拉伸速率為50 mm/min試驗條件下的測力延度曲線圖見圖4.

圖4 三種灌縫材料測力延度曲線

采用測力延度計算公式計算三種灌縫材料的性能指標,具體結果見表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℃試驗溫度下,三種灌縫材料拉伸柔量與屈服應變能的大小順序均為:RB>SRH>CW-GHG,表明低溫性能的優劣順序為:CW-GHG>SRH>RB;韌性比值是測力延度試驗中的重要評價指標,韌性比越大,則灌縫材料低溫抗裂性能就越強,在試驗溫度下,CW-GHG韌性比值遠大于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種灌縫材料測力延度的計算結果

2.2.2變形能力

參考規范GB/T2567—2008中的拉伸試驗方法分別測試了三種灌縫材料在-15、0和15℃溫度下的斷裂伸長率,測試結果列于表9.

表9 3種灌縫材料在不同溫度下的斷裂伸長率

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

2.2.3黏結性能

自制模擬裂縫壁的試件進行拉拔試驗,從成型AC-13瀝青混凝土車轍板上取規格為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,不規則斷裂面即為實際路面中與灌縫材料黏結的裂縫壁,兩對應裂縫壁由灌縫材料黏結制成試件.圖5為試樣制備前后及試驗過程.

圖5 拉拔試驗

分別測試3種灌縫材料黏合后的試件在-20、0及20℃下的斷面黏結強度,因無法準確得知斷裂面面積,故計算過程中采用斷裂面投影面積,為減小試驗數據誤差,每組試驗平行試樣5個,取平均值為拉拔試驗結果,見圖6.

圖6 裂縫黏結強度試驗結果

由圖6可知:3種灌縫材料都表現出了較強的溫度敏感性,拉拔強度均隨著溫度升高而出現顯著的降低.因計算過程中采用接觸面投影面積,拉拔試驗結果較實際值偏大,但變化規律保持一致.試驗表明在同一溫度下,3種灌縫材料的拉拔強度大小順序為:CW-GHG>RB>SRH,CW-GHG在試驗溫度內表現出比另兩種灌縫材料更優異的黏結性能.

2.2.4灌縫體系的抗剪性能

對道路裂縫進行灌縫處理后,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位位移對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.試驗采用MTS萬能試驗機,試驗溫度為-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結果.

圖7 最大剪切力試驗結果

由圖7可知:在試驗溫度范圍內,灌縫材料最大剪切力隨著溫度上升而表現出線性減小的變化規律.溫度由-20℃升高至20℃范圍內,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,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為CW-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,灌縫材料達到最大剪切力值發生剪切破壞時,對應的變形量相應增大.這是由于溫度從-20℃升至20℃過程中,灌縫材料流變性增強,發生剪切破壞時所需要變形就越大.剪切破壞變形量能夠表征灌縫材料抵抗變形能力,在試驗溫度內,RB和SRH的變形曲線比CW-GHG更早達到抗剪承載力極限,且峰值剪切力明顯更低,這說明CW-GHG具有更優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在發生剪切破壞過程中所消耗的能量比另外兩種灌縫材料高,這表明CW-GHG具有更優良的抗剪切能力.

表10 不同溫度下灌縫材料破壞功

3 結 論

1) 通過正交試驗設計方法確定了常溫型灌縫材料CW-GHG合理配比為m(90#基質瀝青)∶m(SBS)∶m(古馬隆樹脂)∶m(二甲苯)=100∶5∶7∶30.

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

3) 試驗溫度由-20℃升至20℃時,CW-GHG黏結強度由1.297降至0.623 MPa,且在同一溫度下高于RB與SRH的黏結強度,表明CW-GHG與裂縫壁具有更優良的黏結性能.

4) 最大剪切力與破壞功這兩個指標都表明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.