雙層連續(xù)和間斷攤鋪的瀝青混合料路用性能

張海濤， 武 健， 成豪杰， 呂麗華， 丁 衛(wèi)

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

傳統(tǒng)瀝青路面間斷攤鋪與壓實(shí)技術(shù)使瀝青混合料上下結(jié)構(gòu)層之間相互獨(dú)立，不能很好地保證結(jié)構(gòu)層間材料的聯(lián)結(jié)性與整體性.而瀝青混合料連續(xù)攤鋪技術(shù)可以使上下層2種級(jí)配的瀝青混合料同時(shí)攤鋪與壓實(shí)，穩(wěn)定成型后成為一個(gè)協(xié)同的整體受力結(jié)構(gòu)且施工效率高[1-2].中國(guó)的道路交通量不斷增加，同時(shí)瀝青路面損害也越來(lái)越嚴(yán)重.道路使用年限降低，在一定程度上說(shuō)明傳統(tǒng)瀝青路面施工方法已不能滿足瀝青路面性能與行車(chē)的需求.研究認(rèn)為，除了改進(jìn)結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)外，還應(yīng)通過(guò)改變施工工藝來(lái)提高瀝青路面的使用性能.為了對(duì)比連續(xù)攤鋪與間斷攤鋪瀝青混合料的路用性能，本研究通過(guò)模擬現(xiàn)場(chǎng)攤鋪方式，分別制作2種級(jí)配組合的雙層馬歇爾試件和雙層車(chē)轍試件，在常溫、低溫及凍融3種試驗(yàn)條件下，進(jìn)行連續(xù)攤鋪與間斷攤鋪瀝青混合料的劈裂、剪切、彎曲試驗(yàn)和高溫車(chē)轍試驗(yàn)的對(duì)比研究[3-6]，以期為連續(xù)攤鋪瀝青路面的設(shè)計(jì)與施工提供一定的技術(shù)依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與配合比設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

采用90#基質(zhì)瀝青，性能指標(biāo)如表1[7]所示.

表1 90#基質(zhì)瀝青性能指標(biāo)Table 1 Performance index of 90# matrix asphalt

1.2 集料

采用AC-13，AC-16，AC-20這3種密級(jí)配瀝青混凝土，以“上細(xì)下粗”鋪筑原則設(shè)計(jì)2類(lèi)試件：上層AC-13+下層AC-16(簡(jiǎn)寫(xiě)為AC13/AC16)和上層AC-16+下層AC-20(簡(jiǎn)寫(xiě)為AC16/AC20).集料技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示，集料的級(jí)配組成如表3所示.

表2 集料技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Technical properties index of aggregates

表3 集料的級(jí)配組成Table 3 Gradation composition of aggregates

1.3 配合比設(shè)計(jì)

按照Marshall方法進(jìn)行AC-13，AC-16，AC-20 3種瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，確定它們的最佳瀝青用量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，分別為5.4%，5.0%，4.4%.

2 試件制作與試驗(yàn)方法

2.1 試件制作

考慮到瀝青層最小厚度限制和施工壓實(shí)要求等因素，通過(guò)技術(shù)論證，試驗(yàn)采用50mm×50mm的雙層結(jié)構(gòu)方案.試件結(jié)構(gòu)為“AC-13/AC-16”與“AC-16/AC-20”2種形式，試件高度為100mm(上、下層各50mm).

為準(zhǔn)確對(duì)比連續(xù)攤鋪和間斷攤鋪瀝青混合料的路用性能，按現(xiàn)場(chǎng)施工方式制作雙層馬歇爾試件和雙層車(chē)轍板試件[8-9].同時(shí)為了在相同條件下對(duì)比連續(xù)攤鋪和間斷攤鋪的差異，兩者均不做黏結(jié)處理.

2.1.1雙層馬歇爾試件

(1)連續(xù)攤鋪 利用2臺(tái)瀝青混合料攪拌機(jī)同時(shí)攪拌，先將下層AC-16(或AC-20)瀝青混合料裝入試模中，對(duì)其單面擊實(shí)75次；再裝入上層AC-13(或AC-16)瀝青混合料，然后對(duì)其單面擊實(shí)75次.

(2)間斷攤鋪 利用1臺(tái)瀝青混合料攪拌機(jī)攪拌，先將下層AC-16(或AC-20)瀝青混合料裝入試模中，對(duì)其單面擊實(shí)75次，冷卻到室溫，再將上層AC-13(或AC-16)瀝青混合料裝入試模，然后對(duì)上層單面擊實(shí)75次.

由上可知，2種攤鋪方式下的試件均單面擊實(shí)150次，與實(shí)際的瀝青路面壓實(shí)工藝相同.圖1為2種攤鋪方式下的馬歇爾試件.

圖1 間斷與連續(xù)攤鋪馬歇爾試件Fig.1 Discontinuous and continuous paving Marshall specimens

50mm×50mm雙層馬歇爾試件的下層瀝青混合料的密度和孔隙率測(cè)試結(jié)果如表4所示.由表4可見(jiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件相比，雙層馬歇爾試件的下層瀝青混合料密度和孔隙率基本滿足設(shè)計(jì)與施工要求(密度略小，孔隙率略大).

表4 雙層馬歇爾試件密度和孔隙率檢測(cè)結(jié)果Table 4 Test results of density and porosity of double layer Marshall specimens

2.1.2雙層車(chē)轍板試件

雙層車(chē)轍板試件的制作工藝與雙層馬歇爾試件相同.車(chē)轍板試模尺寸為300mm×300mm×100mm.連續(xù)攤鋪時(shí)，先用輪碾機(jī)對(duì)下層瀝青混合料AC-16(或AC-20)初步碾壓(整平)，然后對(duì)上層瀝青混合料AC-13(或AC-16)碾壓24次；間斷攤鋪時(shí)，先用輪碾機(jī)對(duì)下層瀝青混合料AC-16(或AC-20)碾壓12次，冷卻到室溫，再對(duì)上層瀝青混合料AC-13(或AC-16)碾壓12次.這樣2種攤鋪方式下的雙層車(chē)轍板試件均碾壓24次.

圖2為單層和雙層車(chē)轍板試件.

圖2 車(chē)轍板試件Fig.2 Single and double layer deck specimen

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1抗剪試驗(yàn)

(1)劈裂抗剪試驗(yàn) 試驗(yàn)采用雙層馬歇爾試件，著重研究瀝青混合料層間聯(lián)結(jié)面，而非材料本身的抗剪強(qiáng)度.因此，根據(jù)連續(xù)攤鋪與間斷攤鋪瀝青混合料層間接觸的特點(diǎn)，采用改裝的瀝青混合料劈裂試驗(yàn)裝置，進(jìn)行2種試件層間劈裂抗剪性能的對(duì)比試驗(yàn)研究.劈裂抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)方法是將試件從原來(lái)的劈裂方向水平旋轉(zhuǎn)90°，將壓條對(duì)準(zhǔn)試件上下層的聯(lián)結(jié)面，加載進(jìn)行無(wú)側(cè)限劈裂抗剪強(qiáng)度測(cè)試[10-11].加載速率為1mm/min，試驗(yàn)溫度分別為常溫、低溫、凍融3種.試件剪切時(shí)的工作狀態(tài)如圖3(a)所示.

瀝青混合料層間劈裂抗剪強(qiáng)度τss按式(1)計(jì)算.

(1)

式中：Fs為剪切力，N；As為抗剪面積，mm2；Fmax為試驗(yàn)力最大值，N；D為試件直徑，mm，本試驗(yàn)取為101.6mm.

(2)直剪試驗(yàn) 為了模擬瀝青路面在荷載作用下的面層層間受力狀況，采用自制模具的直剪試驗(yàn)(見(jiàn)圖3(b))，加載速率采用1mm/min，試驗(yàn)溫度分別為常溫、低溫、凍融3種.直剪試驗(yàn)的瀝青混合料層間抗剪強(qiáng)度τds按式(2)計(jì)算.

(2)

圖3 抗剪試驗(yàn)工作狀態(tài)Fig.3 Working state of shear test

2.2.2劈裂試驗(yàn)

試驗(yàn)采用雙層馬歇爾試件，試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》.劈裂試驗(yàn)工作狀態(tài)如圖4所示.

圖4 劈裂試驗(yàn)工作狀態(tài)Fig.4 Working state of split test

2.2.3小梁彎曲試驗(yàn)

在雙層車(chē)轍板試件基礎(chǔ)上，用切割法制作小梁試件，其尺寸為250mm×60mm×70mm.加載速率為50mm/min，試驗(yàn)條件分別為常溫、低溫、凍融3種.小梁試件與彎曲試驗(yàn)工作狀態(tài)如圖5所示.

圖5 小梁試件與彎曲試驗(yàn)工作狀態(tài)Fig.5 Beam specimen and working state of bending test

2.2.4高溫車(chē)轍試驗(yàn)

試驗(yàn)采用雙層車(chē)轍板試件，試驗(yàn)方法參照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗剪試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1劈裂抗剪試驗(yàn)

劈裂抗剪試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

表5 劈裂抗剪試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Splitting shear test results

由表5可以看出，2種試件在連續(xù)攤鋪方式下的劈裂抗剪強(qiáng)度均大于間斷攤鋪方式，這是因?yàn)檫B續(xù)攤鋪方式使上下層集料相互連接得更好，增加了層間抗剪性能；AC13/AC16試件的劈裂抗剪強(qiáng)度整體上比AC16/AC20試件大，這是細(xì)集料更加密實(shí)，黏結(jié)性更好的緣故.由表5還可見(jiàn)，2種試件的低溫劈裂抗剪強(qiáng)度最高，常溫次之，凍融最低，其中，低溫時(shí)各試件在2種攤鋪方式下的劈裂抗剪強(qiáng)度差距最為顯著.對(duì)比常溫和凍融這2種情況，AC13/AC16連續(xù)攤鋪試件的凍融劈裂抗剪強(qiáng)度相對(duì)于常溫下降幅度最少(接近50%)，其余下降幅度均超過(guò)50%.常溫和低溫的劈裂抗剪強(qiáng)度比例約為1∶9.這是因?yàn)樵诘蜏丨h(huán)境下，集料中的水分會(huì)凝結(jié)成冰晶體，增大層間連接性能，而經(jīng)過(guò)凍融處理后的試件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，層間連接性能自然降低.

3.1.2直剪試驗(yàn)

直剪試驗(yàn)結(jié)果如表6所示.

表6 直剪試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Direct shear test results

由表6可以看出，相同上下層級(jí)配組合的試件，連續(xù)攤鋪的直剪強(qiáng)度均大于間斷攤鋪的直剪強(qiáng)度，這是因?yàn)檫B續(xù)攤鋪方式使上下層集料相互連接得更好，增加了層間抗剪性能；AC13/AC16試件的直接抗剪強(qiáng)度多數(shù)比AC16/AC20試件小，因?yàn)榇旨系墓羌芙Y(jié)構(gòu)起主要作用，使破壞荷載增大，作為分力的剪切力自然也增大，所以AC16/AC20試件的直接抗剪強(qiáng)度更大.

由表6還可以看出，不同溫度條件下低溫直剪強(qiáng)度最高，常溫次之，凍融最低.對(duì)比常溫和凍融兩種情況，AC13/AC16連續(xù)型試件的凍融直接抗剪強(qiáng)度相對(duì)于常溫下降百分比最少(接近50%)，其余下降均超過(guò)50%.常溫和低溫的直接抗剪強(qiáng)度比例約為1∶9.因?yàn)樵诘蜏丨h(huán)境下，集料中的水分會(huì)凝結(jié)成冰晶體，增大層間連接性能，而經(jīng)過(guò)凍融處理后的試件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，層間連接性能自然降低.

3.1.32種抗剪強(qiáng)度對(duì)比分析

連續(xù)攤鋪方式下試件的劈裂抗剪強(qiáng)度和直剪強(qiáng)度均大于間斷攤鋪方式，但幅度不等.劈裂抗剪試驗(yàn)結(jié)果表明，AC13/AC16試件的抗剪強(qiáng)度比AC16/AC20試件大，而直剪試驗(yàn)表明，AC13/AC16試件的抗剪強(qiáng)度多數(shù)比AC16/AC20試件小.這是因?yàn)榕芽辜粼囼?yàn)沒(méi)有正壓力，AC13/AC16試件中的細(xì)集料密實(shí)性起主要作用，粗集料組成的框架結(jié)構(gòu)起次要作用，即黏結(jié)力C和密實(shí)性起主要作用，內(nèi)摩擦角φ起次要作用；采用直剪試驗(yàn)時(shí)，試件在剪切力作用的同時(shí)還受到正壓力的作用，此時(shí)粗顆粒中的內(nèi)摩擦角φ充分體現(xiàn)出來(lái)，承擔(dān)主要作用，而黏結(jié)力C和密實(shí)性起次要作用.

3.2 劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

劈裂強(qiáng)度τs試驗(yàn)結(jié)果如表7所示.

表7 劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of splitting test

由表7可以看出，常溫下的連續(xù)攤鋪試件劈裂強(qiáng)度比間斷攤鋪試件高；低溫下的AC16/AC20試件連續(xù)攤鋪和間斷攤鋪時(shí)劈裂強(qiáng)度變化不大.原因是AC16/AC20試件集料顆粒較大，低溫環(huán)境下瀝青變脆，其黏結(jié)力減弱，混合料強(qiáng)度主要依靠集料間的嵌擠作用.

由表7還可以看出，不同溫度條件下的試件劈裂強(qiáng)度存有如下比例，即τs(常溫)∶τs(低溫)∶τs(凍融)=2∶6∶1.低溫劈裂強(qiáng)度比凍融劈裂強(qiáng)度大的原因在于試件中存在的冰晶體提供了一部分劈裂強(qiáng)度.

3.3 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1不同級(jí)配組合的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

不同級(jí)配組合的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示.由圖6可以看出，相同級(jí)配組合的試件，連續(xù)攤鋪方式下的彎拉強(qiáng)度均大于間斷攤鋪方式下的彎拉強(qiáng)度；同種攤鋪方式下，AC13/AC16試件的彎拉強(qiáng)度比AC16/AC20試件大.這是因?yàn)椴捎眠B續(xù)攤鋪方式使集料連接得更加密實(shí)，尤其是中細(xì)集料組合，油石比大，黏結(jié)性能更好，彎拉強(qiáng)度也隨之增大.

圖6 不同級(jí)配組合的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.6 Beam bending test results comparison of different gradations

圖7 不同溫度條件的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.7 Beam bending test results comparison of different temperature conditions

3.3.2不同溫度條件的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

不同溫度條件下的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示.由圖7可以看出，不同溫度條件下，連續(xù)攤鋪試件的彎拉強(qiáng)度均比間斷攤鋪試件高；低溫彎拉強(qiáng)度最高，常溫次之，凍融最低，其中，低溫下2種攤鋪方式的彎拉強(qiáng)度差距最為明顯.因?yàn)檫B續(xù)攤鋪方式下，集料更加密實(shí)，整體性更強(qiáng)，尤其在低溫條件下，水分由液體凝結(jié)成固體，使集料強(qiáng)度增加.

3.4 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8 不同級(jí)配組合的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.8 Wheel tracking test results comparison of different gradations

不同級(jí)配組合的車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示.由圖8可以看出，相同級(jí)配組合的試件，連續(xù)攤鋪方式下的高溫抗車(chē)轍能力比間斷攤鋪方式的好.AC13/AC16試件的高溫抗車(chē)轍能力比AC16/AC20試件的大.因?yàn)檫B續(xù)攤鋪是一次壓實(shí)成型，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，強(qiáng)度增大，尤其是中細(xì)顆粒組合下，試件的抗塑變能力增強(qiáng)，抗車(chē)轍能力也有所增強(qiáng).

4 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)間斷攤鋪方式相比，連續(xù)攤鋪方式可在一定程度上提高瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度.對(duì)于細(xì)級(jí)配組合試件(AC13/AC16)，常溫條件下其劈裂強(qiáng)度可提高25.5%，低溫條件下其劈裂強(qiáng)度可提高20.0%；對(duì)于粗級(jí)配組合試件(AC16/AC20)，常溫條件下其劈裂強(qiáng)度可提高49.6%，低溫條件下其劈裂強(qiáng)度無(wú)明顯提升.連續(xù)攤鋪的層間瀝青能夠更多地有效黏合，提高了層間混合料的整體強(qiáng)度，從而提高其劈裂強(qiáng)度.

(2)連續(xù)攤鋪相對(duì)于間斷攤鋪可以提高瀝青混合料的層間抗剪強(qiáng)度.常溫條件下，AC13/AC16試件連續(xù)攤鋪的劈裂抗剪強(qiáng)度為間斷攤鋪的2.0倍，AC16/AC20試件連續(xù)攤鋪的抗剪強(qiáng)度為間斷攤鋪的2.5倍.可見(jiàn)連續(xù)攤鋪相對(duì)于間斷攤鋪在抗剪方面的改善效果要好于在抗劈裂方面的改善效果.

(3)不同攤鋪方式的瀝青混合料對(duì)凍融剪切均較敏感.AC13/AC16連續(xù)攤鋪試件凍融抗剪強(qiáng)度相對(duì)于常溫抗剪強(qiáng)度下降了近50%，而另外3種試件抗剪強(qiáng)度下降幅度均大于50%.該結(jié)論對(duì)于低溫地區(qū)的瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，即在低溫地區(qū)，AC13/AC16連續(xù)攤鋪優(yōu)于AC13/AC16間斷攤鋪和AC16/AC20連續(xù)攤鋪與間斷攤鋪型.設(shè)計(jì)瀝青路面結(jié)構(gòu)時(shí)，可以考慮最不利的凍融設(shè)計(jì)方法，以AC13/AC16連續(xù)攤鋪進(jìn)行設(shè)計(jì).

(4)連續(xù)與間斷攤鋪的瀝青混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青混合料的劈裂、剪切和彎曲等強(qiáng)度值大體上符合以下規(guī)律：凍融<常溫<低溫.就高溫車(chē)轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)而言，同種級(jí)配下，連續(xù)攤鋪均優(yōu)于間斷攤鋪，且攤鋪方式的影響因子要大于級(jí)配組合.這說(shuō)明連續(xù)攤鋪形式可以提高瀝青路面的承載能力.

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