含砂雾封层材料母液配比优化与性能研究.pdf

第 卷第期 年 月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o O c t 含砂雾封层材料母液配比优化与性能研究崔培强)李梦林)吴少鹏)屈庆余)谢君)(葛洲坝集团交通投资有限公司)(武汉理工大学硅酸盐国家重点实验室)武汉 )摘要:文中通过极差分析确定了含砂雾封层材料的配比,测试了母液的流变性能,验证了母液配比的合理性结果表明:正交试验方法可比较好地用于母液配比的优化中,不同性能指标间呈现出良好的线性关联性在不同改性剂的共同作用下,乳化沥青的流变行为由牛顿流体转变为赫巴流体,屈服应力越大,不沉粒径也越大,提升母液的布氏黏度是增强材料悬砂能力的有效途径按乳化沥青质量比,增黏剂、增稠剂、陶土以及流变助剂掺量分别为、是本研究中的母液最优配比关键词:预防性养护;含砂雾封层;正交试验;流变性能中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:崔培强(),男,博士,高级工程师,主要研究领域为道路养护技术通信作者:李梦林(),男,博士生,主要研究领域为道路养护技术基金项目:广西重点研发计划(A B )引言随着公路养护任务越来越重,在如何使有限的资金科学合理使用的问题上,推广应用预防性养护是一项有战略意义的养护决策雾封层是一种对原路面表面喷洒新鲜沥青以密封路表面的预防性养护技术,具有防止水渗入路面内部,阻止细料失落、松散、软化已老化的沥青,以及改善干涉外貌的功能此外雾封层技术还具有施工工艺简 单,封 闭 交 通 时 间 短,养 护 成 本 低 的 优点但是,传统雾封层施工后,路表面抗滑性能会大幅下降,影响行车安全性含砂雾封层是基于雾封层技术发展而来的预防性养护技术施工后,除流入微裂缝中的细砂起到封堵作用外,残留在表面的含砂雾封层材料因细砂的存在,能够形成新的构造深度,减少对原路面抗滑性能的负面影响考虑到普通乳化沥青 时的布氏黏度小于 m P as,黏稠度低,难以悬浮住细砂,当前,添加增黏剂、增稠剂、陶土、流变助剂是提升乳化沥青悬砂能力的重要途径根据应用需求,通常将含砂雾封层材料的制备分成两步:在工厂,生产由乳化沥青、增黏剂、增稠剂、陶土、流变助剂等制备成的具有悬砂功效的母液;在应用现场,通过机械搅拌的作用,将母液与细砂混合,制成含砂雾封层材料对于母液,除能悬砂外,还要有较好的储存与应用性能即母液不仅能长时间稳定储存,还能较容易从设备中喷洒出因此,如何科学地综合含砂雾封层材料多方面的性能,指导母液的配比优化,是含砂雾封层材料制备的关键在多因素的研究中,对每个因素的每个水平进行试验,需要消耗大量的人力物力,采用正交设计可简化问题的分析 目前,在含砂雾封层材料的开发上,吉增晖等 采用正交试验对含砂雾封层材料的细砂用量、洒布量、原液固含量进行了分析研究,并依此提出了耐久性含砂雾封层材料关键因素的控制范围,但并未涉及含砂雾封层材料原液,即母液的配比研究此外,在含砂雾封层材料母液的配比研究中,大多还是侧重于提升母液的悬砂性能,而综合母液性能与含砂雾封层材料应用性能的研究较少文中探究了不同改性剂对乳化沥青材料体系不同性能的影响规律,通过正交试验方法研究了不同因素对母液性能及含砂雾封层材料应用性能的影响,进而确定可用于母液制备的配比方案通过对不同配比母液流变特性的研究,计算母液中细砂的不沉粒径,验证正交试验结果的科学性 试验原材料及方法 试验原材料试验材料主要有乳化沥青、增黏剂、增稠剂、陶土、水性流变助剂、石英砂乳化沥青的固含量为,制备乳化沥青用的沥青为 基质沥青,乳化剂为酰胺类乳化剂,属于阳离子慢裂快凝型乳化沥青的技术指标如表所示表乳化沥青技术指标项目技术要求 测试结果破乳速度慢裂慢裂离子电荷阳离子()阳离子()筛上剩余量(mm)/乳液颗粒平均尺寸/m恩格拉黏度E 贮存稳定性d/d/蒸发残留物针入度(g,s)/m m 软化点/延度()/c m 溶解度(三氯乙烯)/增黏剂为水性丙烯酸乳液,固体含量 稠剂为瓜尔胶,属于非离子多聚糖陶土为 目硅藻土石英砂粒度为 m 试验方法本研究中增黏剂(A)、增稠剂(B)、陶土(C)、流变助剂(D)的掺量水平如表所示参考 公路工程沥青及沥青混合料试验规程与 微表处与稀浆封层施工技术指南,本文采用布氏黏度、悬浮指数、黏结强度、磨耗值这四个指标来反映材料的综合性能在对不同指标结果进行归一化处理时,采用极差变换法,计算公式如下ai j ai j m i ninai jm a xinai j m i ninai j()式中:i、j均为正整数,其中in,jm通过式()的计算,可使指标最优值赋值,指标最劣值赋予在这四个指标中,布氏黏度、悬浮指数、黏结强度归一化后的数值V I、S I、B I这三个属于极大型指标,数值越大,材料性能越好磨耗值归一化的数值W I为极小型指标,数值越小,材料性能越好表不同改性剂掺量水平与掺量对照表材料掺量水平掺量/材料掺量水平掺量/A C B D 布氏黏度由B r o o k f i e l d黏度仪测定,试验温度为 参考乳化沥青贮存稳定性的试验方法,设计母液悬浮试验,采用悬浮指数来评价母液悬砂能力按 母 液 的 质 量 比,加 入 粒 径 为 m的石英砂,并在 r/m i n的速率下,搅拌m i n,即可制得含砂母液随后将含砂母液倒入容积为 m L的容器中,静置h最后分别取出上层与下层的含砂母液,以上下两层母液的固含量比值作为悬浮指数悬浮指数越大,表明上下两部分含砂雾封层材料的固含量差值越小,母液悬砂能力越强悬浮指数测试的示意图见图图悬浮指数测试示意图F(w/w)()式中:F为悬浮指数;w为上部分固含量;w为下部分固含量黏结强度饰面砖黏结强度检测仪对实干后的含砂 雾 封 层 材 料 进 行 测 试,材 料 洒 布 量 为k g/m采用湿轮磨耗仪对浸水h后的试件进行试验,以质量损失值来计算磨耗值,可表征材料耐磨性的大小 其中混合料由mm单一粒径的玄武岩与乳化沥青拌和制得该级配制得的试件极易磨损,经含砂雾封层材料处理后的试件磨耗值越小,含砂雾封层材料耐磨性越好,对松散集第期崔培强,等:含砂雾封层材料母液配比优化与性能研究料的固结作用越强在多种改性剂共同作用下,乳化沥青材料体系的流变行为由牛顿性向黏塑性转变,流变模式符合H e r c h e l B u l k e ys流变模式因此,母液属于赫巴流体该流体的流变模式可表达为K n()式中:为剪应力;为流体屈服应力;K为稠度系数;n为流变指数;为切变率对于球形颗粒,当沉降速率等于零时,可以求得不沉粒径d为 d/(sf)g()式中:d为不沉粒径;为流体屈服应力;s为球形颗粒密度;f为流体密度;g为重力加速度 结果与分析 单一改性剂对乳化沥青性能的影响研究分别将四种改性剂按表中的四种掺量水平加入乳化沥青中进行改性,不同改性剂不同掺量水平下对四个指标的影响结果如图所示:由图可知,对于布氏黏度,影响程度较大的是改性 剂B与C,而改性 剂A与D基 本 无 影 响图改性剂对四指标的影响结果图对于悬浮指数,提升幅度较大的依旧是B与C,而A与D影响也较小对于黏结强度与磨耗值,有较大影响的改性剂A与D,而改性剂B与C的作用效果较小 含砂雾封层材料母液配比优化设计采取四水平五因素的正交试验的设计方法,进行试验设计(本研究中第五个因素为同一个因素),并对不同配比材料的综合性能进行测试试验结果如表所示表正交试验结果方案ABCD布氏黏度/(m P as)悬浮指数/黏结强度/MP a磨耗值/(gm)由表结果可知,不同配比方案制备的含砂雾封层材料综合性能结果不同,而且这四个指标是从不同的角度来反映材料的性能,存在一定的关联性 指标间相关性分析由于改性剂A、D主要影响黏结强度和磨耗值,B、C主要影响布氏黏度与悬浮指数因此,有必要分析研究黏结强度与磨耗值、布氏黏度与悬浮指数的相关性,为正交试验结果的分析提供依据相关性的结果如图所示由图可知,布氏黏度与悬浮指数之间有着较好的正相关性,即布氏黏度越大,悬浮指数也越大,悬砂效果越好;而黏结强度与磨耗值有着较好的负相关性黏结强度越大,磨耗值越小,耐磨性能与固结效果越好 正交试验结果根据式(),将表中的结果进行归一化处理,结果如表所示武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷图相关性结果分析图表归一化结果方案V IS IB IW I 根据表中的结果,依次研究不同因素对不同指标的影响并采用极差分析法来确定不同因素的主次顺序极差越大,该因素的影响程度越大可通过该结果来确定最优因素水平的组合)不同因素对布氏黏度的影响根据归一化的结果,不同因素对V I值的影响如图所示,对极差的影响如表所示图不同因素对V I值的影响表不同因素对V I值影响的极差因素ABCD极差 由V I值的正交结果可知,对于V I值,不同因素影响程度的顺序为:BCAD B与C的极差值很接近,这表明对于布氏黏度指标,起主要作用的是因素B与C对于该指标,最优的因素组合为:ABCD)不同因素对悬浮指数的影响根据归一化的结果,不同因素对S I值的影响如图所示,对极差的影响如表所示图不同因素对S I值的影响表不同因素对S I值影响的极差因素ABCD极差 由S I值的正交结果可知,对于S I值,不同因素影响程度的顺序为:CBAD起主要作用的因素是因素C对于该指标,最优的因素组合:ABCD)不同因素对黏结强度的影响根据归一化的结果,不同因素对B I值的影响如图所示,对极差的影响如表所示图不同因素对B I值的影响表不同因素对B I值影响的极差因素ABCD极差 由B I值的正交结果可知,对于B I值,不同因素影响程度的顺序为:ADBC起主要作用的因素是因素A对于该指标,最优的因素组合:ABCD)不同因素对磨耗值的影响结果根据归一化的结果,不同因素对W I值的影响如图所示,对极差的影响如表所示表不同因素对W I值影响的极差因素ABCD极差 由W I值的正交结果可知,对于W I值,不同因素影响程度的顺序为:ADCB起主要作用的因素是因素A对于该指标,最优的因素组合:ABCD第期崔培强,等:含砂雾封层材料母液配比优化与性能研究图不同因素对W I值的影响)不同因素对结果的综合性能的影响研究根据上述的正交结果,对于不同的指标,最优因素组合如表所示表最优因素组合综合表指标因素组合V IABCDS IABCDB IABCDW IABCD由于不同因素对材料性能的影响不一,因此需综合考虑这四种因素组合,进而确定一个最优的因素组合,用于材料的生产应用对于V I、S I这两指标,起主要影响作用的是因素B与C,而且两者的影响程度相当,因此在B、C的最优配比为B、C对于B I、W I这两个指标,起主要影响作用的是因素A,其次是D,因此因素A与D的最优方案是A、D因此,最优的因素为ABCD,即母液的最优配比为:按乳化沥青质量计,A的掺量为、B的掺量为、C的掺量为、D的掺量为 母液流变性能研究根据最优配比、方案、方案 制备了三种母液,然后再采用流变仪对母液的流变性能进行研究通过对不同母液不沉粒径的计算,进一步验证正交试验结果的合理性三种母液的流变结果如图所示;由图结果可知,三种母液的流变行为均能很好地符合赫巴流变模式根据式()可得,三种母液的屈服强度表 所示表 不同母液屈服强度结果类别最优配比方案方案 流体屈服强度/P a 采用密度计,对三种母液的密度进行测试,并根据式(),即可得到球形颗粒为石英砂时的不沉粒径g取值 m/s,石英砂的密度为 g/c m不同母液不沉粒径的计算结果见表 由表 可知,三种方案对应的不沉粒径依次为 、mm因此,通常含砂雾封层图不同配比母液的流变性能表 母液不沉粒径结果母液密度/(gc m)不沉粒径/mm最优配比 方案 方案 材料选用粒径为 m的细砂该粒径范围的细砂易喷出,可在旧路面形成新的构造深度,提升抗滑性能方案 制备母液的不沉粒径为 mm,介于 mm之间,对粒径为 m的石英砂仍具有较好的悬砂效果而另外两种母液的不沉粒径均大于 mm,能使粒径为 m的石英砂稳定悬浮在母液中,悬砂能力优异这三种母液中,最优配比的不沉粒径最大,即悬砂能力最强由于母液的流变行为符合赫巴流体的流变行为,因此具有剪切稀释的特性虽然母液静置时的屈服应力最大,但是在机械搅拌的作用下,母液黏稠度将会大幅度降低,不会对施工造成过大的负担,影响材料的应用而且该屈服应力下的母液,悬砂性能稳定,对于常用的粒径为 m砂具有极强的悬砂效果,这也很好地避免了细砂在母液中沉淀的问题这也进一步确定了正交试验结果的合理性武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷 结论)增稠剂和陶土能显著提升乳化沥青的布氏黏度和悬浮指数指标,而增黏剂和流变助剂对这两指标影响不大增黏剂和流变助剂的加入可增强乳化沥青的黏结强度,降低磨耗值,而增稠剂和陶土的作用效果极小)基于正交实验的极差分析可得含砂雾封层材料母液的最优配比:按乳化沥青质量计,增黏剂、增 稠 剂、陶 土、流 变 助 剂 的 掺 量 为、和)不同改性剂的共同作用使得乳化沥青由牛顿流体转变为赫巴流体,具有剪切变稀的特性母液的布氏黏度越大,屈服应力越大,细砂的不沉粒径也越大因此,在母液能稳定存放的前提下,尽可能地提升母液的布氏黏度是提升含砂雾封层材料悬砂性能的关键参 考 文 献王朝辉,张廉,韩晓霞中国道路预防性养护封层材料应用 进 展 及 评 价 J筑 路 机 械 与 施 工 机 械 化,():孙祖望,任民编著沥 青 路面 预防 性 养护 实用 技术M北京:中国建材工业出版社,张磊,徐勇雾封层技术的研究J交通标准化,():梁仲昌,康佳含砂雾封层与传统雾封层的区别浅析J科技创新与应用,():盛晓慧具有自愈合功能的沥青路面含砂雾封层性能试验研究D南京:南京林业大学,傅珍,常晓绒,代佳胜,等基于正交试验的S E B S/橡胶粉复合改性沥青性能分析J科学技术与工程,():高磊,吴旷怀基于正交试验的复合高黏高弹改性沥青制备及性能研究J公路,():李凯耐久性含砂雾封层在公路养护工程中的应用研究D扬州:扬州大学,高志明,吉增晖耐久型含砂雾封层技术在江苏省干线公路中的应用研究 J现代 交 通技 术,():张翔密级配沥青路面含砂雾封层设计体系与评价指标研究D西安:长安大学,叶新军,王永维,彭磊,等含砂雾封层耐磨耗性影响因素合理控制范围试验分析J现代交通技术,():刘永建,孙维林球形岩屑在赫巴流体中的沉降速度J石油钻采工艺,():,S t u d yo nO p t i m i z a t i o no fR a wL i q u i dR a t i oa n dP e r f o r m a n c eo fF o gS e a lw i t hS a n dM a t e r i a lC U IP e i q i a n g)L IM e n g l i n)WUS h a o p e n g)Q UQ i n g y u)X I EJ u n)(G e z h o u b aG r o u pT r a n s p o r t a t i o nI n v e s t m e n tC oL t d,W u h a n ,C h i n a)(S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fS i l i c a t eM a t e r i a l s o fA r c h i t e c t u r e s,W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h er a t i oo f f o gs e a lw i t hs a n dm a t e r i a lw a sd e t e r m i n e d t h r o u g ht h e r a n g e a n a l y s i s i n t h eo r t h o g o n a l t e s t,a n dt h e r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e so f r a wl i q u i dw a s t e s t e dt h r o u g hr h e o m e t e r T h e r e s u l t ss h o wt h a t t h eo r t h o g o n a l t e s tm e t h o dc a nb eu s e d i nt h eo p t i m i z a t i o no f r a wl i q u i dr a t i o,a n dt h e r e i sag o o d l i n e a rc o r r e l a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n tp e r f o r m a n c e i n d e x e s U n d e r t h es y n e r g yb e t w e e nd i f f e r e n tm o d i f i e r s,t h er h e o l o g i c a lb e h a v i o ro fe m u l s i f i e da s p h a l tc h a n g e sf r o m N e w t o n i a nf l u i dt oH e r c h e l b u l k e yf l u i d T h eg r e a t e r t h ey i e l ds t r e s s,t h e l a r g e r t h eu n s i n k a b l ep a r t i c l es i z e I n c r e a s i n gt h ev i s c o s i t yo fm o t h e r l i q u o r i sa ne f f e c t i v ew a yt oe n h a n c et h es a n ds u s p e n s i o nc a p a c i t yo fm a t e r i a l s A c c o r d i n gt ot h em a s s r a t i oo f e m u l s i f i e da s p h a l t,t h ec o n t e n to f t a c k i f i e r,t h i c k e n e r,c l a ya n dr h e o l o g i c a l a d d i t i v e sw e r e,a n d r e s p e c t i v e l y,w h i c hw a s t h eo p t i m a l r a t i oo f r a wl i q u o r i nt h i ss t u d y K e yw o r d s:p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e;f o gs e a lw i t hs a n d;o r t h o g o n a l t e s t;r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s第期崔培强,等:含砂雾封层材料母液配比优化与性能研究