道路橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的設(shè)計(jì)方法

陳 龍，王 成

(1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010;2.湖北省交通運(yùn)輸廳，湖北武漢 430030)

道路橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的設(shè)計(jì)方法

陳 龍1，王 成2

(1.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010;2.湖北省交通運(yùn)輸廳，湖北武漢 430030)

在城市道路建設(shè)中，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層可以解決舊水泥路面和瀝青面層粘結(jié)不牢固、混凝土罩面的反射裂縫等技術(shù)問題而得到了廣泛的應(yīng)用。在進(jìn)行橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的設(shè)計(jì)時(shí)，主要需要考慮模量和厚度，并保證使用的碎石和橡膠瀝青達(dá)到技術(shù)規(guī)定中的相關(guān)要求?；诖耍瑢Φ缆废鹉z瀝青應(yīng)力吸收層的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探討。

道路橡膠瀝青;應(yīng)力吸收層;設(shè)計(jì)方法

0 引言

橡膠瀝青應(yīng)力吸收層指的是采用具有良好抗變形能力的橡膠瀝青層鋪筑在瀝青路面和半剛性基層之間，通過設(shè)置橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，可以避免應(yīng)力全部在裂縫位置集中，控制反射裂縫的形成。其適用于低等級道路路面的養(yǎng)護(hù)、單獨(dú)性預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、舊路面和新路面罩面之間的界面層等。此外，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層還具有防水和粘結(jié)的效果。當(dāng)前，在道路瀝青應(yīng)力吸收層施工過程中，由于缺乏具體的規(guī)范要求，施工材料的使用量較為隨意，對工程施工的的效果和質(zhì)量影響較大，為了滿足施工質(zhì)量的要求，對橡膠瀝青應(yīng)力吸收層進(jìn)行設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 影響道路橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的主要因素

不管是將瀝青路面鋪設(shè)在水泥混凝土路面上，還是將瀝青路面鋪設(shè)在半剛性基層上，基本上都會產(chǎn)生反射裂縫，為了防止這些裂縫產(chǎn)生，一般會鋪設(shè)瀝青應(yīng)力吸收層。

1.1 瀝青加鋪層層底拉應(yīng)力對吸收層模量的影響

經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著吸收層模量的不斷增加，加鋪層層底部的拉壓應(yīng)力也會隨著變大。所以，要盡量降低應(yīng)力吸收層的模量。檢測證明，將橡膠應(yīng)力吸收層的模量控制在200～400 MPa最為合適。根據(jù)圖1可以看出，當(dāng)應(yīng)力吸收層的厚度越來越大的時(shí)候，瀝青加鋪層底的拉應(yīng)力會越來越小。在這種情況下，適當(dāng)加大吸收層的厚度，可以在一定程度上提高吸收層應(yīng)力的吸收效果。在實(shí)際施工過程中，因?yàn)橄鹉z瀝青應(yīng)力吸收層的厚度多保持在1.0～2.0的范圍以內(nèi)，整體的變化幅度不大，再加上橡膠瀝青撒布的碎石量、瀝青的粘度對模量的影響比較大，可以在設(shè)計(jì)的過程中，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行調(diào)整。

圖1 吸收層模量

1.2 瀝青加鋪層對應(yīng)力吸收層厚度和模量的影響

當(dāng)油石比例變大或環(huán)境溫度升高時(shí)，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的模量均會變小。因此，橡膠瀝青的防反射效果和氣候、材料成分均勻比較大的關(guān)系[1]。一般情況下，瀝青應(yīng)力吸收層的厚度和瀝青加鋪層剪應(yīng)力大小有一定的聯(lián)系，在應(yīng)力厚度不斷變大的情況下，加鋪層中剪應(yīng)力值也會變大，但是整體的變化幅度不明顯。

2 道路橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的總體設(shè)計(jì)思路

由于橡膠瀝青具有良好的耐低溫、耐高溫性能，瀝青混合料中使用的瀝青大約占到了7%。在實(shí)際研究的過程中，主要研究目標(biāo)要求混合料可以滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度8%以上，并且要求混合料空隙率在2%以內(nèi)，使用AC-10的混合料進(jìn)行施工。為了使用便利，可以適當(dāng)加大鋪筑的厚度，使用密實(shí)懸浮性級配，要求設(shè)計(jì)出的瀝青混合料可以在疲勞性能和高溫性能兩個(gè)方面相平衡，高溫車轍動穩(wěn)定度要超過500次/mm-1，并在1 500 μξ應(yīng)變控制條件下的抗疲勞壽命可以超過10萬次，水泥層和混合料的粘結(jié)強(qiáng)度要可以達(dá)到規(guī)定要求，并且滿足施工便利性的相關(guān)要求。

3 瀝青應(yīng)力吸收層原材料的設(shè)計(jì)

(1)橡膠瀝青材料的設(shè)計(jì)。本次試驗(yàn)選用40目膠粉作為橡膠瀝青材料，并摻入20%的瀝青。在實(shí)驗(yàn)室加工過程中，將其溫度保持在180℃以后，在恒溫環(huán)境下均勻攪拌90 min，然后使用旋轉(zhuǎn)粘度儀對橡膠瀝青177℃時(shí)的粘度大小，并將最終的檢測結(jié)果保持在2～4 Pa.s。檢測指標(biāo)見表1。

表1 橡膠瀝青性能檢測最終結(jié)果

(2)粗、細(xì)集料的設(shè)計(jì)。使用玄武巖作為粗集料，使用輝綠巖作為細(xì)集料，細(xì)集料的堅(jiān)固性為6.3%，技術(shù)要求小于12%，棱角性為35.8(s)，技術(shù)要求大于30，砂當(dāng)量為81.2，技術(shù)要求大于60，粗集料和細(xì)集料的質(zhì)量都達(dá)到了技術(shù)要求，可以用來鋪筑瀝青路面。

(3)檢測填料質(zhì)量的相關(guān)指標(biāo)。為了保證橡膠瀝青混合料中水的穩(wěn)定性，保證橡膠瀝青和石料之間的粘結(jié)效果。設(shè)計(jì)使用火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥作為混合料使用的填料水泥。

4 混合料的設(shè)計(jì)措施

4.1 級配的初步確定

結(jié)合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，分析不同集料之間的相互影響后，使用懸浮密實(shí)級配。使用具有良好抗剪切抗疲勞性能、良好柔韌性能的混合料進(jìn)行施工，初步確定級配時(shí)，主要結(jié)合應(yīng)力吸收層的基本特征來進(jìn)行設(shè)計(jì)，級配的上限、下限和中值級配AC10-1、AC10-2、AC10-3，見圖2。

圖2 應(yīng)力吸收層混合料級配曲線

采用上述級配，可以將細(xì)集料自身存在的缺點(diǎn)克服，可以使石料在各個(gè)料倉進(jìn)行均勻的分布，并且曲線為S形，具有良好的施工和易性，密度比較大，和路面穩(wěn)定級配的類型較為符合。

4.2 瀝青使用量的初步確定

由于要求瀝青應(yīng)力吸收層有良好的抗疲勞性，可以抵御因基層變形產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，控制基層裂縫的進(jìn)一步發(fā)展[2]。所以，要保證瀝青應(yīng)力層可以有良好的柔韌性，在選擇材料時(shí)，要使用富油層，從而保證其可以擁有良好的柔韌性，使混合料的疲勞壽命提升。本次試驗(yàn)分別按照8%、9%、10%的比例來初步確定瀝青用量，并對混合料進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2 。

表2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，在混合料中的粗集料無法互相接觸組成骨架，其只是發(fā)揮了撐開細(xì)料的作用，而礦粉和細(xì)料則主要發(fā)揮一個(gè)填充的效果。隨著2.36 mm以下的礦粉和細(xì)集料的含量越來越多，粗骨料的含量不斷減少，級配AC10-2的孔隙率會處于2%內(nèi);對于ARSA級配，在瀝青使用量一定的情況下，可以將空隙率保持在2%以內(nèi)，對于級配AC10-3，隨著礦粉含量、細(xì)集料含量的不斷變大，空隙率的下降幅度越來越小，只有原來的1.2%;根據(jù)表2可以看出，ARSA級配瀝青使用量為9%時(shí)，可以將空隙率降低到2%以內(nèi)。

5 瀝青應(yīng)力吸收層性能檢測

5.1 瀝青應(yīng)力吸收層抗疲勞試驗(yàn)檢測

經(jīng)過研究分析發(fā)現(xiàn)，薄層應(yīng)力吸收層可以利用應(yīng)變控制將路面使用環(huán)境下的疲勞性能控制反應(yīng)出來，這次試驗(yàn)主要使用IPC Globle公司的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)來開展試驗(yàn)，按照美國AASHTO T321-03的試驗(yàn)流程，瀝青應(yīng)力吸收層在15℃以內(nèi)進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)構(gòu)件的疲勞判斷標(biāo)準(zhǔn)為其勁度降低到初始勁度值的50%[3]，見表3。經(jīng)過試驗(yàn)證明，和常規(guī)瀝青混合料在750 μξ下的1～3萬次，此級配的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層混合料的抗疲勞性良好。當(dāng)加入的瀝青量為9%時(shí)，采用1 500 μξ的應(yīng)力時(shí)，抗疲勞次數(shù)超過了10萬次。

表3 應(yīng)力吸收層混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

5.2 檢測橡膠瀝青的高溫性能

在檢測道路橡膠瀝青的抗高溫性能時(shí)，以STRATA動穩(wěn)定度為參考標(biāo)準(zhǔn)，以500次以上的動穩(wěn)定度來進(jìn)行試驗(yàn)，見表4。

表4 應(yīng)力吸收層車轍試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表4來看，當(dāng)瀝青的使用量為10%時(shí)，使用級配的車轍試驗(yàn)動穩(wěn)定性比較差，并且車轍的深度比較深，在瀝青用量為8%時(shí)，橡膠瀝青應(yīng)力層的動穩(wěn)定性較高，證明此時(shí)混合料質(zhì)地較硬，無法達(dá)到應(yīng)力吸收層對柔韌性的要求，當(dāng)使用9%的瀝青時(shí)，混合料的動穩(wěn)定性良好，并具有良好的柔韌性。雖然，相較于ARSA來說，AC-10的動穩(wěn)定度良好，但是由于AC-10中含有的細(xì)集料比較多，導(dǎo)致瀝青膜度有所降低，對抗疲勞性的發(fā)揮也有一定的影響，而ARSA加入9%的瀝青后在高溫環(huán)境下也具有良好的穩(wěn)定性，所以建議使用ARSA。在進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)分析后，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層使用的膠結(jié)材料要可以達(dá)到表5中的技術(shù)要求。

表5 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層使用的級配范圍

6 結(jié)論

綜上所述，按照本文的設(shè)計(jì)方法制備的橡膠瀝青混合料在高溫環(huán)境下有良好的穩(wěn)定性，并且制備出的瀝青混合料動穩(wěn)定性高。在1 500 μξ的應(yīng)變控制下，其抗疲勞性可以超過10萬次以上，抗疲勞壽命良好，不僅擁有不俗的路用效果，還具有良好的適用性和施工性能。

[1] 李昆.改善瀝青路面抵抗反射裂縫性能分析與試驗(yàn)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2010.

[2] 施力，何愛軍，肖荊.高速公路用橡膠粉改性瀝青應(yīng)力吸收層的應(yīng)用研究[A].國際橡膠瀝青大會中文論文集[C].2009，94-95.

[3] 李兵，袁美俊.同步碎石應(yīng)力吸收層合理模量及厚度的確定[J].中外公路，2010(3):318-322.

U414

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1009-7716(2015)11-0054-03

2015-07-10

陳龍(1983-)，男，湖北武漢人，工程師，從事市政工程設(shè)計(jì)工作。