瀝青碎石封層抗剪性能影響因素研究

王 雷

(衡水市公路勘測(cè)設(shè)計(jì)所)

瀝青碎石封層抗剪性能影響因素研究

王 雷

(衡水市公路勘測(cè)設(shè)計(jì)所)

瀝青公路碎石封層病害防護(hù)是公路養(yǎng)護(hù)中重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，病害產(chǎn)生的原因及其影響因素的研究就顯得尤為重要。通過實(shí)驗(yàn)室對(duì)碎石封層抗剪性能的影響因素研究，分析了瀝青類型、碎石粒徑、構(gòu)造深度及試驗(yàn)溫度對(duì)抗剪性能的影響;實(shí)驗(yàn)表明在影響碎石封層抗剪性能的因素中，溫度的變化和下臥層界面構(gòu)造類型的不同對(duì)碎石封層抗剪性能的影響最大。

公路工程;瀝青路面;碎石封層;抗剪性能

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了深入研究分析碎石封層的抗剪能力，本設(shè)計(jì)考慮了AH－70基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青及Sasobit溫拌瀝青三種瀝青類型;試驗(yàn)溫度選擇為0℃，20℃，25℃，40℃，60℃;碎石粒徑選擇為4.75 ～9.5 mm 和6.3 ～9.5 mm 兩種。

抗剪試驗(yàn)采用便攜式剪切儀，試件為圓柱形，下臥層的試件為AC－13試件，拉拔試件為同一直徑的水泥混凝土試件。試驗(yàn)時(shí)在AC－13試件上鋪灑瀝青和碎石，待碎石封層與下臥層完全結(jié)合后，在碎石封層上涂抹一層環(huán)氧樹脂養(yǎng)護(hù)成型，而后與水泥試件粘結(jié)，測(cè)試其抗剪性能。

本次試驗(yàn)所采用的瀝青、集料及水泥均滿足現(xiàn)行規(guī)范的技術(shù)指標(biāo)要求。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 碎石粒徑對(duì)碎石封層抗剪強(qiáng)度的影響

已有研究表明，在橋面鋪裝中，粘層材料的強(qiáng)度是由材料用量決定的，而碎石封層與橋面鋪裝的粘層材料在抗剪機(jī)理上有一定的相似性，也有很多橋面防水粘結(jié)層直接采用碎石封層的例子。

本試驗(yàn)中控制實(shí)驗(yàn)溫度為25℃，選擇了三種瀝青類型，集料的粒徑在4.75 ～9.5 mm 和6.3 ～9.5 mm 變化，在對(duì)應(yīng)的灑布量下成型試件，進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。

試驗(yàn)時(shí)，針對(duì)不同的瀝青類型和粒徑規(guī)格共進(jìn)行了6組試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于三種瀝青類型，雖然其抗剪強(qiáng)度不同，但其呈現(xiàn)出現(xiàn)相似的規(guī)律，即6.3～9.5 mm粒徑碎石料的最大抗剪強(qiáng)度要明顯大于碎石粒徑為4.75～9.5 mm料的碎石封層。碎石粒徑的不同，其相應(yīng)的瀝青用量也不同相同，碎石粒徑大瀝青用量對(duì)應(yīng)隨之變大，碎石封層的厚度也隨著碎石粒徑的增大而增大。碎石封層的整體抗剪能力也會(huì)隨著提高，這樣的碎石封層剪切變形較為困難。

2.2 構(gòu)造深度對(duì)碎石封層界面抗剪強(qiáng)度的影響

碎石封層的抗剪能力與封層及下部的粘結(jié)性能有很大的關(guān)系，下部的摩擦性能越好，與封層的粘結(jié)能力越好，對(duì)應(yīng)的抗剪性能也越好。本次試驗(yàn)為了模擬下部的粗糙度，對(duì)下臥層試件經(jīng)過表面拉毛處理后，人工模擬不同的構(gòu)造深度。試驗(yàn)時(shí)碎石封層采用6.3～9.5 mm粒徑碎石，對(duì)應(yīng)的瀝青撒布量和碎石撒布量分別為8.56 ml，101.63 g。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

從圖1的結(jié)果可以看出，對(duì)于三種瀝青類，當(dāng)構(gòu)造深度增大時(shí)，其對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度也相應(yīng)增大，表明當(dāng)構(gòu)造深度較好時(shí)，其抗剪性能的變化是非常明顯的。按照剪切強(qiáng)度的摩爾庫(kù)侖定律:tanα，碎石封層的抗剪強(qiáng)度與材料的粘結(jié)力、內(nèi)摩阻角有直接的關(guān)系，下部構(gòu)造深度的增大會(huì)使得碎石與下部接觸時(shí)的內(nèi)摩擦角增大，根據(jù)摩爾庫(kù)侖定律，碎石封層的抗剪性能也會(huì)增大。

圖1 構(gòu)造深度對(duì)碎石封層抗剪性能影響

進(jìn)一步分析構(gòu)造深度對(duì)碎石封層抗剪性能的影響，可采用半對(duì)數(shù)方程τ=Kln(TD)+L來表征，方程如圖中所示。式中系數(shù)值K可以反映碎石封層的抗剪性能。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果資料，對(duì)三種瀝青碎石封層的抗剪性能與構(gòu)造深度的關(guān)系進(jìn)行了半對(duì)數(shù)方程的擬合，從其系數(shù)值K可知，SBS改性瀝青的K最小，AH－70瀝青的K最大，Sasobit改性瀝青的系數(shù)K居于中值。這表明雖然瀝青的種類對(duì)碎石封層的抗剪性能影響較大，但這種影響程度遠(yuǎn)不如構(gòu)造深度的影響明顯，改性瀝青對(duì)抗剪性能的影響隨著構(gòu)造深度的增大越來越小。

從碎石封層的抗剪強(qiáng)度也可看出，當(dāng)構(gòu)造深度較小時(shí)，三種瀝青碎石封層的抗剪強(qiáng)度差別較大，基質(zhì)瀝青碎石封層的抗剪強(qiáng)度最小，SBS改性瀝青的碎石封層抗剪強(qiáng)度最大;但當(dāng)構(gòu)造深度持續(xù)增加時(shí)，三種瀝青抗剪強(qiáng)度的差距越來越小，特別是SBS改性瀝青和Sasobit瀝青的抗剪強(qiáng)度已經(jīng)趨于一致。

2.3 溫度對(duì)碎石封層抗剪強(qiáng)度的影響

考慮了溫度條件不同時(shí)碎石封層的剪切性能變化。試驗(yàn)時(shí)下臥層的平均構(gòu)造深度為 TD=0.61，碎石粒徑為6.3～9.5 mm，成型試件后，考察溫度條件為 0 ℃，20 ℃，25℃，40℃，60℃時(shí)的抗剪強(qiáng)度變化，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)溫度對(duì)碎石封層抗剪性能影響

試驗(yàn)結(jié)果表明了三種瀝青類型的碎石封層在溫度不同時(shí)呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。在試驗(yàn)溫度較低時(shí)，碎石封層的抗剪強(qiáng)度最大;但當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，碎石封層的抗剪強(qiáng)度衰減明顯，在溫度超過40℃時(shí)，抗剪強(qiáng)度最小。

碎石封層的抗剪強(qiáng)度和溫度的關(guān)系可采用指數(shù)方程來表征。從曲線變化趨勢(shì)可發(fā)現(xiàn)，不同瀝青種類擬合方程后的a值是不同的，可看出基質(zhì)瀝青的a值最小，SBS改性瀝青的a值最大，對(duì)應(yīng)的是基質(zhì)瀝青的抗剪強(qiáng)度最小，而SBS改性瀝青的抗剪強(qiáng)度最大。

溫度的持續(xù)升高對(duì)碎石封層的抗剪性能影響明顯，當(dāng)從0℃升高到60℃時(shí)，三種瀝青的碎石封層抗剪性能急劇衰減，表明溫度的作用是影響碎石封層抗剪性能的重要因素。雖然三種瀝青的碎石封層抗剪性能存在著不同，SBS改性瀝青碎石封層的抗剪強(qiáng)度要好，在高溫作用下，瀝青種類對(duì)碎石封層的影響非常小。

通過本次試驗(yàn)可以得出，對(duì)于碎石封層的使用應(yīng)該充分考慮工程地區(qū)的高溫因素及其交通荷載特征，在持續(xù)高溫及重載作用下，瀝青逐漸趨于軟化狀態(tài)，對(duì)集料的粘附性不足，容易出現(xiàn)車轍推移等剪切病害。

3 結(jié)論

通過室內(nèi)剪切實(shí)驗(yàn)對(duì)瀝青碎石封層的抗剪性能進(jìn)行研究。試驗(yàn)采取了不同的瀝青類型、碎石粒徑及下部構(gòu)造深度及剪切溫度，以碎石封層的最大抗剪強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)碎石封層的抗剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)，主要得出以下結(jié)論。

(1)碎石粒徑的大小對(duì)碎石封層抗剪性能的影響比較顯著，粒徑越大碎石封層的最大抗剪強(qiáng)度也越大。

(2)構(gòu)造深度對(duì)碎石封層抗剪性能也有一定的影響，隨著構(gòu)造深度的增大，碎石封層與試件的層間粘結(jié)程度增大，且可以提高剪切破壞面的內(nèi)摩阻角。

(3)剪切時(shí)的溫度對(duì)碎石封層的抗剪性能影響最為明顯，當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，碎石封層的抗剪性能隨之大幅度的降低，雖然采用SBS改性瀝青可以在一定的程度上減緩這種衰減趨勢(shì)，但當(dāng)溫度升高到40℃時(shí)，改性瀝青碎石封層的抗剪性能也衰減到與基質(zhì)瀝青碎石封層類似。這就要求在碎石封層使用時(shí)，需要重點(diǎn)關(guān)注高溫作用下的碎石封層抗剪性能變化。

［1］張宗輝.同步碎石封層技術(shù)在道路養(yǎng)護(hù)和建設(shè)中的應(yīng)用前景［J］.施工技術(shù)，2004，(3):51－56.

［2］閏修海，于金成，王建國(guó)等.纖維封層技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用［J］.北方交通，2008，(8):50 －54.

［3］顧海榮.碎石封層中瀝青和碎石用量的計(jì)算方法［J］.公路，2008，(4):156 －159.

U416.217

C

1008－3383(2014)04－0004－01

2013－10－30

王雷 (1984－)，男 ，河北衡水人，助理工程師，研究方向:道橋工程及道橋設(shè)計(jì)。