林科杰,彌海晨,向 豪,陳華鑫,張曉峰
(1.長安大學材料科學與工程學院,西安 710061;2.西安公路研究院,西安 710065)
瀝青路面的坑槽破損病害對道路的整體壽命、行車的舒適度以及行車安全性都有不利的影響。當瀝青路面出現(xiàn)坑槽病害時必須及時處理,避免出現(xiàn)消極影響[1-3]。
瀝青路面坑槽修補的常見方法包括熱補法和冷補法。熱補法雖然修補質(zhì)量較高,但它對施工環(huán)境、設(shè)備要求較高,同時對地點分散、修補工程量小的路面坑槽來說修補較為困難。此外,也存在能耗大、污染重等缺陷[4-6]。冷補法能較好地彌補熱補法的不足,但是冷補法所使用的常規(guī)冷補瀝青混合料仍然存在許多亟待解決的問題[7],例如:溶劑型和乳化型冷補瀝青混合料存在初期強度低、強度增長緩慢以及耐久性差等問題[8-10]。此外,更新穎的反應(yīng)型冷補瀝青混合料,其結(jié)合料的組分一般包括基質(zhì)瀝青、稀釋劑、熱固性樹脂,其不足之處在于冷補液制作復(fù)雜、儲存穩(wěn)定性差,這限制了反應(yīng)型冷補瀝青混合料的大規(guī)模應(yīng)用[11]。
目前有少數(shù)研究者對樹脂冷補料進行了研究。樹脂冷補料突破了三種常規(guī)冷補瀝青混合料均需要以瀝青作為主要結(jié)合料的常規(guī)思路。樹脂冷補料是以純樹脂或改性樹脂作為結(jié)合料的瀝青路面冷補料,具有初期強度高、與原路面粘結(jié)能力強、耐久性好的特點。Hyuk等[12]利用液態(tài)硫聚合物(LSP)和環(huán)氧樹脂的混合物作為結(jié)合料研制了一種瀝青路面修補材料(LSPA)。與普通瀝青混合料相比,LSPA的馬歇爾穩(wěn)定度提高了約2倍;此外,LSPA的高溫抗車轍性能優(yōu)異,且能快速固化減少修復(fù)時間。Shimizu等[13]研究了一種新型聚合物水泥砂漿用于修復(fù)瀝青路面的坑槽,該聚合物水泥砂漿的粘結(jié)性以及耐久性能優(yōu)良,在升溫和降溫的條件下,其粘結(jié)強度和動穩(wěn)定度相對穩(wěn)定,用于路面的修補效果較好。鄧玉訓(xùn)等[14]研究了集料類型、級配類型以及擊實方法和養(yǎng)生條件對高分子樹脂冷補料路用性能的影響。結(jié)果表明,高分子樹脂冷補料穩(wěn)定度與集料類型關(guān)系密切,礦料級配類型對冷補瀝青混合料高、低溫性能及水穩(wěn)定性的影響顯著。王銳[15]所研制的改性環(huán)氧樹脂冷補料,初期強度形成速率較快,具有良好的路用性能。目前研究者所使用的樹脂結(jié)合料大多是雙組份的,它不僅對工人的施工水平要求較高,而且會使施工過程更加復(fù)雜,從而不利于瀝青路面坑槽的快速修補[16]。
本文通過對樹脂冷補料的材料組成、膨脹現(xiàn)象、強度形成規(guī)律、路用性能指標、界面膠性能以及工程應(yīng)用進行研究,研制了一種環(huán)境敏感度低、初期強度高、壽命長、施工簡便同時滿足非開挖修補工藝的單組分樹脂冷補料。
本文所用結(jié)合料為單組分樹脂。其主要性能見表1。單組分樹脂使用簡便,無需添加固化劑,在潮濕條件下與空氣接觸后自然固化交聯(lián),生成具有三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的熱固性聚合物,其強度高,具有較好的柔性及耐候性。
表1 單組分樹脂材料性能Table 1 Properties of single component resin material
選用石灰?guī)r集料和礦粉。集料符合《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)要求,共三檔:5~10 mm、3~5 mm、機制砂。
添加劑為聚酯纖維,其可抑制冷補料膨脹并增加冷補料韌性。纖維長度是影響冷補料性能的關(guān)鍵因素,太長其拌和效果不佳,太短其阻裂性能較差,所以本文選用長度為6 mm的聚酯纖維[17]。
冷補料的固化劑為空氣中的濕氣,實驗中采用自來水以水霧的形式噴灑在冷補料中,加速冷補料固化。
通常冷補料宜密實、防水,與原路面接縫處的結(jié)合、粘結(jié)性能好,在礦料級配選擇上,宜選取AC-10型級配進行試驗研究,其合成級配結(jié)果見表2。
表2 AC-10型冷補料級配設(shè)計Table 2 Gradation design of AC-10 cold patch material
2.1.1 冷補料膨脹率
由于冷補料中的單組分樹脂在固化過程中會產(chǎn)生氣體,產(chǎn)生的氣體往往不能及時釋放出來,因此會導(dǎo)致冷補料產(chǎn)生一定的體積膨脹。為了明確冷補料固化過程中的膨脹情況,試驗采用膨脹率α對其膨脹大小進行量化表征。
2.1.2 冷補料膨脹率的測試方法
采用與馬歇爾試模相似的自制模具成型試件,如圖1所示,其高為60 mm,內(nèi)徑為100 mm。自制模具與馬歇爾試模的區(qū)別在于它可以將側(cè)面及底面自由拆卸,會使試件在脫膜過程中不受外力影響,保持試件脫模前后的形狀尺寸不變,從而能準確反應(yīng)試件成型過程中的膨脹情況。采用自制模具成型試件可使冷補料在固化時只朝著試件上底面方向膨脹,從而控制了下底面以及側(cè)面的膨脹,這樣可準確反映冷補料在單一方向上的膨脹大小。此外,使用自制模具成型的試件的密實程度與實地修補中的冷補料的密實程度更為接近,更能準確反映實地修補過程中冷補料的膨脹大小。
圖1 自制模具實物圖Fig.1 Self-made mold physical diagram
圖2 測試試件高度的等分方法示意圖Fig.2 Schematic diagram of divide equally method for testing specimen height
試件的成型方法如下:將1 kg的冷補料裝入自制模具中。裝料的同時進行插搗密實,然后采用橡膠錘進行擊實。為了保證冷補料與模具頂端在同一水平線上,用橡膠錘擊實后再使用平整光滑的鋼板對冷補料再次擊實、壓平。試件養(yǎng)護1 h后即可拆模。
試件高度的測試方法:測量時先將試件的上底面圓隨機分為6等份,如圖2所示。然后在等分線上靠近圓心附近的區(qū)域進行測量。每條等分線上測量2個值,所測結(jié)果先取最大值,記錄3組數(shù)據(jù),最后求這3組數(shù)據(jù)的平均值,得到每個試件的平均高度。
試件膨脹率的計算方法:所有試件剛成型好時的初始高度與自制模具高度一致,即為h0=60 mm,測量件固化后的高度h,可由公式(1)求得試件膨脹率α。
(1)
2.1.3 冷補料馬歇爾穩(wěn)定度測試方法
單組分樹脂冷補料的馬歇爾穩(wěn)定度較高,其數(shù)值超過了一般馬歇爾儀的量程。試驗過程中使用馬歇爾穩(wěn)定度壓頭在壓力機上測試單組分樹脂冷補料抵抗破壞的最大抗壓力值,即馬歇爾穩(wěn)定度,其加載速率為0.5 kN/s,測試方法見圖3。試驗過程中分別采用壓力機和馬歇爾儀測試了同一種普通瀝青混合料試件的穩(wěn)定度,兩種測試方法的數(shù)值波動在1 kN以內(nèi),表明采用壓力機測試冷補料穩(wěn)定度的方法具有可行性。
圖3 馬歇爾穩(wěn)定度測試方法Fig.3 Marshall stability test method
圖4 冷補料的膨脹率及馬歇爾穩(wěn)定度與用水量的關(guān)系Fig.4 Relationship between expansion rate and Marshall stability of cold patch and water consumption
因冷補料膨脹會影響其力學性能,所以在滿足強度要求下,確定冷補料的臨界膨脹率具有重要意義。一方面,在臨界膨脹率內(nèi)可確定冷補料各組分最佳用量;另一方面,在工程應(yīng)用中,臨界膨脹率可作為冷補料膨脹率的上限,對冷補料的工程應(yīng)用提出具體規(guī)范要求。
從圖4可以看出,(1)用水量增加,冷補料膨脹率增大。因此要控制膨脹率,用水量要適中。但是水作為固化劑,會影響冷補料初期固化速率。為此,在保證初期具有一定固化速率的條件下,用水量要盡可能少。(2)用水量增加,冷補料馬歇爾穩(wěn)定度降低。由于膨脹越嚴重,冷補料內(nèi)部出現(xiàn)的孔隙越多,穩(wěn)定度則隨之下降。(3)當用水量為12‰和15‰時,其冷補料膨脹率分別為6.63%和7.71%,穩(wěn)定度分別為59.3 kN、55.2 kN,這比用水量為0‰時對應(yīng)的穩(wěn)定度75.4 kN分別下降了21.4%、26.7%。參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004),對于普通瀝青混合料,需滿足浸水后的穩(wěn)定度損失率最大不能超過25%的要求。因此,要使冷補料因膨脹產(chǎn)生的穩(wěn)定度損失率不超過25%,那么冷補料的膨脹率不能超過6.6%。所以冷補料臨界膨脹率為6.6%時即可滿足強度要求。
單組分樹脂冷補料的馬歇爾穩(wěn)定度一般較大,通常都能滿足相關(guān)要求。而冷補料膨脹對其強度和穩(wěn)定性影響很大,所以在確定各組分最佳用量時以冷補料膨脹率作為主要控制指標。
影響冷補料膨脹率的因素主要有冷補液用量以及用水量,而聚酯纖維具有抑制冷補料膨脹的作用。為了探究以上三種因素對冷補料膨脹率的影響,試驗采用正交試驗方法,不考慮各因素間的交互作用,選用L9(33)的正交表,試驗的影響因素及水平梯度見表3。試驗成型9組試件,測量各組試件高度并計算膨脹率,同時對各影響因素下的膨脹率進行極差分析,其結(jié)果見表4。
表3 正交試驗的影響因素及水平梯度Table 3 Influencing factors and horizontal gradient of orthogonal test
表4 膨脹率的極差分析結(jié)果Table 4 Range analysis of expansion rate
極差分析結(jié)果表明,冷補料膨脹率影響因素的主次順序為:冷補液用量→用水量→聚酯纖維用量。膨脹率最小時各因素的最佳組合水平是A1B3C1。但冷補液用量為4.5%時,拌合效果不佳,冷補液對集料的浸潤效果不夠好,導(dǎo)致集料較松散。兼顧冷補料膨脹率和拌合效果,建議選擇的冷補液用量為5.0%。最終確定的最佳組合水平為A2B3C1,即冷補液用量為5.0%、聚酯纖維用量為4.0‰、用水量為2.0‰。
由表4中聚酯纖維用量對應(yīng)的R值可知,膨脹率隨聚酯纖維用量的增加而降低,可見聚酯纖維的摻入對冷補料膨脹率有減弱的作用。此外,當冷補液用量為5.0%、聚酯纖維用量為0‰、水用量為2.0‰時,對應(yīng)的冷補料膨脹率為5.86%,這比最佳組合水平下對應(yīng)的冷補料膨脹率3.21%升高了45.2%??梢娋埘ダw維降低冷補料的膨脹率的效果顯著。其原因可能是:(1)由于聚酯纖維自身的吸油特性,導(dǎo)致有效的冷補液量減少,膨脹減弱[18]。(2)聚酯纖維摻入后能增大比表面積,進而提高冷補液的分散性,從而膨脹不會過于集中,這對整體膨脹起著減弱作用。(3)聚酯纖維的直徑極小,且有一定硬度,可以提供一些細小的氣孔供氣體釋放,削弱了冷補料的膨脹。
圖5 不同養(yǎng)護溫度下的馬歇爾穩(wěn)定度隨養(yǎng)護時間的變化規(guī)律Fig.5 Marshall stability varies with maintenance time at different maintenance temperatures curing
為了研究冷補料在不同養(yǎng)護溫度和不同養(yǎng)護時間下的強度變化規(guī)律,將成型的試件在不同溫度下養(yǎng)護不同的時間,測試其穩(wěn)定度。冷補料的材料組成為各組分的最佳組合水平,在恒溫恒濕環(huán)境箱中養(yǎng)護試件。冷補料的養(yǎng)護濕度為RH=50%;養(yǎng)護溫度分別為-5 ℃、25 ℃、60 ℃;養(yǎng)護時間分別為2 h、4 h、6 h、1 d、2 d、3 d、7 d。在壓力機上測試各組試件的馬歇爾穩(wěn)定度,結(jié)果見圖5。
直到蔣海峰成家后,水仙芝還沒有走出失戀的陰影。凄風苦雨,一晃就年過三十了,她還守著玉體,不肯嫁人。最讓她痛苦的是,蔣海峰娶了紫云,而紫云的工作也在定遠縣,不過是一個普通教師。
由圖5可知,(1)三種養(yǎng)護溫度下,隨著養(yǎng)護時間的增加,冷補料的穩(wěn)定度都是先逐漸增加,然后趨于穩(wěn)定。冷補料在-5 ℃、25 ℃、60 ℃下養(yǎng)護3 d的穩(wěn)定度能分別達到養(yǎng)護7 d的93%、95%、98%,所以可以將冷補料的基本固化時間確定為3 d。(2)冷補料的初期強度較高。在-5 ℃、25 ℃、60 ℃下養(yǎng)護2 h后的穩(wěn)定度分別為16.4 kN、27.5 kN、42.3 kN,均遠遠超過《瀝青路面坑槽冷補成品料》(JT/T 972—2015)中馬歇爾試驗穩(wěn)定度不宜小于3 kN的要求。說明冷補料的初期強度形成速率較快,養(yǎng)護2 h即可開放交通。(3)養(yǎng)護溫度對冷補料形成強度的影響較為顯著。冷補料養(yǎng)護2 h、4 h、6 h、1 d、2 d的穩(wěn)定度是隨養(yǎng)護溫度的增加而增加,這與單組分樹脂固化反應(yīng)速率有關(guān),溫度越高,固化速率越快,對應(yīng)的穩(wěn)定度越高[19]。但是冷補料在60 ℃養(yǎng)護溫度下比-5 ℃、25 ℃的最終強度更低。其原因是:在高溫下單組分樹脂固化反應(yīng)速率較快,導(dǎo)致試件內(nèi)部某些區(qū)域的孔隙被堵住,從而試件內(nèi)部的大部分氣體來不及釋放,導(dǎo)致試件的膨脹加劇,而在低溫或室溫下,固化反應(yīng)速率緩和,試件內(nèi)部的一部分氣體可緩慢釋放,整體膨脹較弱,最終的穩(wěn)定度更大。另外,單組分樹脂高溫固化極易產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力[20],也會降低試件的最終穩(wěn)定度。
采用瀝青混合料車轍試驗方法測試單組分樹脂冷補料的動穩(wěn)定度,冷補料的材料組成為各組分的最佳組合水平,成型后的試件在室溫下養(yǎng)護3 d,車轍試驗結(jié)果見表5。
表5 高溫車轍試驗結(jié)果Table 5 Test results of high temperature rutting
由表5的結(jié)果可知,冷補料的高溫穩(wěn)定性很好,一方面是因為冷補料的級配類型為連續(xù)密級配,密實度高,集料的嵌擠能力較好,進而其車轍深度較低;另一方面,單組分樹脂固化完全后,變成熱固性聚合物,它具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),是一種不溶、不熔物,因此冷補料的高溫穩(wěn)定性很好[21]。
為了表征冷補料的低溫抗裂性能,采用瀝青混合料低溫彎曲試驗規(guī)范進行試驗。冷補料的材料組成為各組分的最佳組合水平,試驗溫度為-10 ℃,加載速率為50 mm/min,小梁試件尺寸均符合規(guī)范要求,進行五次試驗,對所得結(jié)果取平均值。其測試結(jié)果見表6。
表6 低溫彎曲試驗結(jié)果Table 6 Bending test results of low temperature
從低溫彎曲試驗結(jié)果來看,冷補料不僅能保證最大彎拉應(yīng)變大于2 500 με,同時其最大荷載、抗彎強度以及彎曲勁度模量也較高,其低溫抗裂性能較好。這主要得益于單組分樹脂固化后的聚合物具有較高模量,同時具有較好的柔韌性。
4.3.1 浸水馬歇爾試驗
按照瀝青混合料浸水馬歇爾試驗方法測試冷補料的浸水殘留穩(wěn)定度。冷補料的材料組成為各組分的最佳組合水平,試件在室溫下養(yǎng)護3 d,其浸水殘留穩(wěn)定度測試結(jié)果見表7。
表7 殘留穩(wěn)定度測試結(jié)果Table 7 Residual stability test results
由表7可知,冷補料的殘留穩(wěn)定度大于85%,滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的基本要求。冷補料具有較好的水穩(wěn)定性能。
4.3.2 凍融劈裂試驗
為了進一步表征冷補料的水穩(wěn)定性能,按照瀝青混合料的凍融劈裂試驗規(guī)范,測試冷補料的凍融劈裂強度,測試結(jié)果見表8。
表8 凍融劈裂強度測試結(jié)果Table 8 Test results of freeze-thaw splitting strength
由測試結(jié)果來看,冷補料的凍融劈裂強度比為83.1%,這一數(shù)值偏小,可能與單組分樹脂固化后的聚合物本身性能有關(guān),但是仍然能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的基本要求,水穩(wěn)定性能符合要求。
圖6 界面膠的旋轉(zhuǎn)粘度及拉拔強度與稀釋劑摻量的關(guān)系Fig.6 Relationship between the rotating viscosity and drawing strength of interfacial adhesive and the amount of diluent
為了使實地修補工藝更為簡便,本文采用非開挖坑槽的修補工藝。試驗采用單組分樹脂作為界面粘結(jié)劑。單組分樹脂與原路面的混合料除具有一般的粘結(jié)方式以外,同時它的濕氣固化機理使得其可以與原路面的混合料形成化學鍵,進而形成化學結(jié)合方式,使得粘結(jié)效果更好。
單組分樹脂界面膠粘度較大,會降低其整體粘結(jié)效果。試驗中,在單組分樹脂中分別摻入0%、5%、10%、15%、20%的稀釋劑,在25 ℃下測試其旋轉(zhuǎn)粘度值,同時測試界面膠與普通瀝青混合料的界面拉拔強度。測試結(jié)果見圖6。
由圖6可知,隨著稀釋劑摻量的增加,界面膠的粘度逐漸降低,與普通瀝青混合料的界面拉拔強度也逐漸降低。摻入15%稀釋劑的界面膠粘度為108 mPa·s,與未加稀釋劑的界面膠粘度2 497 mPa·s相比降低了96%,稀釋劑降低界面膠粘度的效果非常顯著,而拉拔強度仍能達到1.66 MPa。因此稀釋劑摻量為15%較為合理。圖7是修補實驗后現(xiàn)場宏觀圖,如圖7(b)、(c),冷補料與瀝青混合料粘結(jié)緊密,且稀釋后的界面膠(黃棕色固化物)具有較好的流動性,可滲透到坑槽內(nèi)部的裂縫并固結(jié)周邊松散集料,增強冷補料與瀝青混合料的粘結(jié)程度。界面膠較高的粘結(jié)強度可使冷補料與原路面粘結(jié)牢固,不易脫落,由于冷補料在低溫下的最大彎拉應(yīng)變值能達到2 500 με,因此與普通瀝青混合料相比其柔韌性也較好。因此當修補路面受到荷載時,冷補料與瀝青混合料可共同變形,能較好地保證坑槽的修補質(zhì)量。
圖7 (a)為修補好的車轍板,(b)、(c)均為界面膠滲透到坑槽內(nèi)部裂縫的宏觀圖Fig.7 (a) is the repaired track plate, (b), (c) are macrographs of interface glue penetrating into cracks in pothole
非開挖修補工藝施工簡單,可以縮短開放交通的時間,這能給道路的運營帶來更大的經(jīng)濟效益和社會效益。具體施工工藝按照下列步驟進行[22]:
(1)清理坑槽:清理松動的石屑,同時清掃并吹凈渣滓、塵土。石屑的清除要見到混合料的堅固面為止,同時保證坑槽內(nèi)部及周圍無明顯灰塵[23]。
(2)涂刷膠料:經(jīng)過稀釋后的界面膠流動效果好,以0.6~0.8 kg·m-2的涂布量對坑槽內(nèi)部及其邊緣3 cm以內(nèi)的區(qū)域進行均勻涂布。
(3)拌和冷補料:采用強力拌料機拌和冷補料。每鍋冷補料的拌和時間約2 min。
(4)攤鋪壓實:采用平板振動夯夯實冷補料。修補后的坑槽表面應(yīng)滿足中間略高于四周約1.5 cm的要求。當坑槽深度大于8 cm時宜采用分層鋪筑,每層厚度5 cm。
選擇陜西省西安市高新區(qū)丈八北路的坑槽進行修補。這條道路作為城市主干道,白天私家車輛及公交車輛眾多,夜晚有較多重載型貨車通行,坑槽病害時常出現(xiàn)。選擇這條公路上的坑槽進行修補,具有一定的代表性,修補效果見圖8。
圖8 坑槽修補的效果觀察Fig.8 Observation on the effect of pothole repair
坑槽修補完成后,養(yǎng)護2 h后立即通車。由圖8(b)可以看出冷補料表面無明顯壓痕,單組分樹脂冷補料具有較高的初期形成強度,可縮短開放交通的時間。從圖8(c)、(d)可以看出,冷補料的顏色與原路面相近,不會影響路面美觀;修補1年后的路面與修補3個月后的路面沒有明顯差別,修補1年后的路面沒有明顯破損、掉粒現(xiàn)象,冷補料與原路面的接縫處也無明顯脫落現(xiàn)象。在這條道路上又修補了幾個坑槽,經(jīng)過長期跟蹤觀察,使用冷補料所修補處的路面都完好無破損。因此,采用非開挖修補工藝具有一定的可行性,單組分樹脂冷補料具有良好的路用性能和使用耐久性。
(1)針對單組分樹脂固化時產(chǎn)生氣體使冷補料膨脹的現(xiàn)象,提出了冷補料膨脹率的測試方法。分析得出冷補料在滿足強度要求(強度損失率不大于25%)下的臨界膨脹率為6.6%。
(2)采用正交試驗方法,得到影響冷補料膨脹率的各因素的最佳組合水平,即冷補液用量為5.0%、聚酯纖維用量為4.0‰、水用量為2.0‰。
(3)冷補料在低溫、常溫及高溫下的初期形成強度較高,養(yǎng)護2 h的穩(wěn)定度至少達到16.4 kN,遠遠超過《瀝青路面坑槽冷補成品料》(JT/T 972—2015)中馬歇爾試驗穩(wěn)定度不小于3 kN的要求,養(yǎng)護2 h即可通車。單組分樹脂冷補料養(yǎng)護3 d后可形成最終強度。
(4)路用性能的測試結(jié)果表明,單組分樹脂冷補料的高溫穩(wěn)定性很好,動穩(wěn)定度能達到12 115次/mm。低溫抗裂性和水穩(wěn)定性能均滿足規(guī)范要求。
(5)對界面膠的研究結(jié)果表明,在25 ℃下,稀釋劑摻量為15%時,界面膠的粘度低至108 mPa·s,而拉拔強度可達到1.66 MPa,可以較好地保證非開挖修補工藝的修補質(zhì)量。
(6)采用非開挖施工工藝對瀝青路面坑槽進行了工程驗證,施工快速簡便。通過對路面的長期跟蹤觀察,冷補料與原路面的粘結(jié)效果良好,沒有明顯破損及掉?,F(xiàn)象,單組分樹脂冷補料的路用性能良好。