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论文内容

BTA混合料水稳性能的正交试验分析

作者:赵岩 张新天 高金岐 时间:2016-07-18 12:46:30点击

赵岩 张新天 高金岐

(北京建筑大学 土木与交通工程学院 北京 100044

摘要:BTA混合料水稳性能是影响其路用性能的关键因素。本文通过室内试验利用正交分析方法研究了提高BTA混合料水稳性能的途径及其显著性。研究结果表明:在BTA中加入适量乳化沥青,用水泥替代部分矿粉以及采用合适的拌合用水量对提高BTA混合料的水稳定性能效果显著。

关键词:BTA;正交试验;性能评价指标;极差分析法;方差分析法

0 引言

BTA(全称Black Top polymer Asphalt)是一种用于道路面层水基的新型有机聚合物。以其作为结合料粘结石料构成新型聚合物混合料,与冷拌沥青混合料相似,主要用于道路、广场面层铺筑,是目前解决我国道路建设中,热拌沥青混合料施工和维修时,温度控制困难的一种替代材料。然而,在早期试验研究和工程应用中发现,BTA混合料的水稳定性能较差,严重影响了它的路用性能和推广应用。本文采用添加乳化沥青,用水泥替代部分矿粉以及调整拌合用水量的途径尝试提高BTA混合料的水稳定性,以正交试验分析方法优化其材料组合。采用浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融劈裂试验残留强度比两项评价指标,确定满足BTA混合料的水稳定性能的最佳方案。

试验材料准备

1.1 集料

矿料的各项技术指标根据《公路工程集料试验规程》[2]JTJ052-2000)规定方法进行检验,本试验所用矿料的各项技术指标如表1所示。

表1                            矿料各项技术指标实测结果

材料名称

测试项目

实测结果

标准

试验方法

粗集料

石料压碎值

18

≤26

T0316

洛杉矶磨耗损失

20

≤28

T0317

石料磨光值

---

≥42

T0321

坚固性

7

≤12

T0314

针片状含量

10

≤15

T0312

细集料

坚固性

8

≤12

T0340

矿粉

砂当量

78

≥65

T0340

1.2  乳化沥青

本试验中所用的基质沥青为SKAH-90#,乳化剂采用十八烷基三甲基氯化铵(1831),剂量为1. 5%,改性剂采用SBR胶乳,剂量为5%。基本技术指标如表2和表3所示。

2                           乳化沥青技术指标的实测结果

测试项目

单位

实测结果

规范要求

测试方法

蒸发/蒸馏残留物含量

%

63.2

62min

T0651-1993
  ASTM D 6997

破乳速率

%

慢裂

慢裂

  ASTM D 6936

储存稳定性, 1

%

0.5

1max

T0655-1993
  ASTM D 6930

储存稳定性, 5

%

2.1

5max

T0655-1993
  ASTM D 6930

筛上剩余量 , 1.18mm

%

0.02

0.1max

T0652-1993
  ASTM D 6933

恩氏粘度, 25 °C

Ev

6.2

3~30

T0622-1993
   ASTM D 1665

赛波特粘度, 25℃

SFs

37

 20-100

 T0623-1993
   ASTM D 7496

电荷

——

+

  正电荷 +

 T0653-1993
   ASTM D 7402

与矿料的粘附性/裹覆试验

—— 

 大于2/3

 2/3min

 T0654-1993
  ASTM D 244

3                                蒸发/蒸馏残留物性质

蒸发/蒸馏残留物性质

单位

实测结果

规范要求

测试方法

针入度 , 25℃, 100g, 5s

mm

71

40-120

 T0604-2000
   ASTM D 5-06

延度, 5℃,5cm/min.

cm

43

20min

  T0605-1993
       ASTM D 113-07

软化点

57.9

57min

   T0606-2000
  ASTM D-36

1.3 BTABlack Top polymer Asphalt

由于目前还没有关于BTA的明确试验规程及规范要求,研究工作中参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[3]JTG E20-2011)中乳化沥青相关试验对BTA技术指标进行测定判别,测定结果如表4

4                                BTA技术指标的实测结果

测试项目

单位

实测结果

规范要求

测试方法

蒸发/蒸馏残留物含量

%

48.8

——

T0651-1993
  ASTM D 6997

储存稳定性, 1

%

0.6

1max

T0655-1993
  ASTM D 6930

储存稳定性, 5

%

3.1

5max

T0655-1993
  ASTM D 6930

筛上剩余量, 1.18mm

%

0.02

0.1max

T0652-1993
  ASTM D 6933

电荷

——

+

  正电荷 +

 T0653-1993
   ASTM D 7402

与矿料的粘附性/裹覆试验

——

 大于2/3

 2/3min

 T0654-1993
  ASTM D 244

1.4  水泥

BTA混合料中加入适量水泥不仅可以调节拌合时间,改善混合料状态,还可以显著提高BTA混合料的路用性能。试验中采用的水泥为42.5号普通硅酸盐水泥,水泥的各项技术指标符合《公路水泥混凝土路面施工技术规范》[5]JTGF-2003)标准。

表5                                水泥各项技术指标的实测结果

测试

项目

标准稠度
%

初凝 时间
min

终凝  时间
min

安定性

(煮沸法)

力学性能/MPa

抗折强度

抗压强度

3d

28d

 3d

 28d

实测   结果

27.80%

200

350

合格

4.0

6.6

23.0

42.8

标准

——

≥45

≤390

合格

4.0

≥6.5

≥22.0

≥42.5

2   正交试验设计

    在对BTA混合料的早期研究过程中发现,BTA混合料存在刚度过大,松散剥落以及水稳定性差的缺陷,且BTA材料中的固含量较低,因此考虑加入部分乳化沥青以提高混合料中固态粘结剂的含量,增加其水稳定性,抗剥落性以及混合料的柔韧性。水泥的加入吸收了混合料或乳液中的水分发生水化反应,并产生水化热,加速了乳化沥青破乳和强度形成,缩短了强度形成时间。拌合时加入一定量的水不仅可以改善混合料拌合的和易性,而且可以弥补水泥因为混合料中水分不足而无法充分进行水化反应的缺陷。

目前针对BTA混合料的研究较少,且乳化沥青用量,水泥用量,拌合用水量之间的交互作用对BTA混合料水稳定性能的影响并不确定,因此在对其初步探索的过程中设计了3因素3水平的正交试验,考察因素及水平如表6所示。

6                                      因素水平表

因素水平

A          乳化沥青

B       水泥

C       水

因素水平

     A

乳化沥青

B       水泥

C       水

1

30%

2%

2%

1

A1

B1

C1

2

40%

3%

3%

2

A2

B2

C2

3

50%

4%

4%

3

A3

B3

C3

注:乳化沥青用量是指乳化沥青占BTA-乳化沥青乳液总量的百分比。

水泥和水用量是指水泥和水占矿料总量的百分比。

选用L934)正交表,按正交表要求安排9次试验,试验方案见表7,以BTA混合料的浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融劈裂试验残留强度比作为评价指标。

7                                       试验方案表

因素试验

A

乳化沥青

B

水泥

C

A1B1C1

30%

2%

2%

A1B2C2

30%

3%

3%

A1B3C3

30%

4%

4%

A2B1C2

40%

2%

3%

A2B2C3

40%

3%

4%

A2B3C1

40%

4%

2%

A3B1C3

50%

2%

4%

A3B2C1

50%

3%

2%

A3B3C2

50%

4%

3%

3  试验数据分析

3.1 基于浸水马歇尔试验残留稳定度的判别分析

浸水马歇尔试验残留稳定度越大表示BTA混合料受水损害时的抗剥落能力越强;反之,则越弱,所以将浸水马歇尔试验残留稳定度作为评判其水稳定性标准之一。浸水马歇尔试验残留稳定度测试结果及极差分析结果见表8,方差分析结果见表9

8                          浸水马歇尔试验残留稳定度试验结果

列号

 

试验号

A

乳化沥青用量/%

B

水泥用量/%

C

用水量/%

试验指标

转化率/%

1

2

3

1

1

1

1

85

2

1

2

2

98

3

1

3

3

99

4

2

1

2

88

5

2

2

3

96

6

2

3

1

70

7

3

1

3

96

8

3

2

1

100

9

3

3

2

83

K1

282

269

255

 

K2

254

294

269

K3

279

252

291

k1

94

90

85

k2

85

98

90

k3

93

84

97

R

9

14

12

由极差分析可知,三因素对BTA混合料浸水马歇尔试验残留稳定度的影响规律为C>A>B,最佳配比为C3A3B2

9                         浸水马歇尔试验残留稳定度方差分析表

方差来源

平方和

自由度

均方

F

显著性

A

157

2

79

9.88

B

297

2

149

18.63

*

C

219

2

110

13.75

e

119

2

60

 

 

总和

792

8

 

 

 

9方差分析表明,水泥用量对BTA混合料的浸水马歇尔试验残留稳定度影响显著,乳化沥青用量和拌合用水量的影响次之。

3.2 基于冻融劈裂试验残留强度比的判别分析

冻融劈裂试验是进行冻融循环前后测定BTA混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的残留强度比,比值越大,说明其抵抗水损害的能力越强,反之,则越弱,因此可以将冻融劈裂试验残留强度比作为评判BTA混合料水稳定性的另一标准。冻融劈裂试验的残留强度比测试结果及极差分析结果见表10,方差分析结果见表11

10                              冻融劈裂试验残留强度比试验结果

列号

 

试验号

A

乳化沥青用量/%

B

水泥用量/%

C

用水量/%

试验指标

转化率/%

1

2

3

1

1

1

1

57

2

1

2

2

66

3

1

3

3

82

4

2

1

2

55

5

2

2

3

71

6

2

3

1

73

7

3

1

3

50

8

3

2

1

63

9

3

3

2

58

K1

205

162

193

 

K2

199

200

179

K3

171

213

203

k1

68

54

64

k2

66

67

60

k3

57

71

68

R

11

17

8

由极差分析可知,三因素对BTA混合料冻融劈裂试验残留强度比的影响规律为B>A>C,最佳配比为B3A1C3

11                         冻融劈裂试验残留强度比方差分析表

方差来源

平方和

自由度

均方

F

显著性

A

220

2

110

13.75

B

468

2

234

29.25

*

C

97

2

49

6.13

e

36

2

18

 

 

总和

821

8

 

 

 

    表11方差分析表明,水泥用量对BTA混合料的冻融劈裂试验残留强度比影响显著,乳化沥青的用量影响次之,拌合用水量的影响最小。

3.3 综合优化与验证

选定的BTA混合料水稳定性的评判标准试验结果应满足《公路沥青路面施工技术规范》[4]中关于沥青混合料水稳定性检验的技术要求(表12):

12                            沥青混合料水稳定性检验技术要求

试验项目

规范要求

试验方法

浸水马歇尔试验残留稳定度(%),不小于

75

T0709

冻融劈裂试验的残留强度比%),不小于

70

T0729

经过分析各因素水平的极差和方差,得出浸水马歇尔试验残留稳定度最高的配比为A1B2C3,冻融劈裂试验残留强度比最大时的配比为A1B3C3。根据各因素作用的主次,综合考虑各因素水平的影响,最后确定最优的方案为A1B2C3,即加入30%的乳化沥青,3%的水泥和4%的拌合用水。

按照最优方案进行了验证试验。由表13可知在此方案下的BTA混合料水稳定性能满足规范要求。

13                         BTA混合料最优方案水稳定性测试结果

试验项目

测试结果

规范要求(不小于)

浸水马歇尔试验残留稳定度(%

83

75

冻融劈裂试验的残留强度比%

75

70

4   结论

    1)试验表明,水泥用量,乳化沥青掺量,拌合用水量三因素之间存在交互作用,为了取得最佳的试验效果,需要采用正交试验法进行分析验证。

    (2)正交试验结果显示,BTA混合料浸水马歇尔试验残留稳定度影响因素中,影响显著程度:水泥用量>拌合用水量>乳化沥青掺量。BTA混合料冻融劈裂试验残留强度比影响因素中,影响显著程度:水泥用量>乳化沥青掺量>拌合用水量。综合考虑残留稳定度和劈裂强度比,水泥用量是BTA混合料水稳定性的重要影响因素。

3)通过设计正交试验对BTA混合料中乳化沥青掺量,水泥用量和拌合用水量三项内容进行优化,可以找到水稳定性满足规范要求的最佳组合,即30%的乳化沥青用量,3%的水泥用量和4%的拌合用水量。

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