粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)與路用性能

葉 平，吳曠懷，蔡 旭，李 聰

(廣州大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

反射裂縫一直是半剛性基層瀝青路面和舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土面層(俗稱“白加黑”)中普遍存在的問題。國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)和理論分析表明，在半剛性基層頂部以及舊水泥路面與加鋪層之間設(shè)置應(yīng)力吸收層，在一定程度上能阻止或減緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，如美國(guó)Koch材料公司發(fā)明研制的STRATA應(yīng)力吸收層[1-3]、長(zhǎng)安大學(xué)研制開發(fā)的適用于中國(guó)本土的SAMPAVE應(yīng)力吸收層[4-6]和近年來興起的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層等[7-10]。然而，這些應(yīng)力吸收層的效果還是不盡人意。在路面結(jié)構(gòu)中，目前所用的應(yīng)力吸收層只是單一地作為一層功能層，起防治反射裂縫的作用，并且常采用砂粒式瀝青混合料，其抗車轍能力差，不能作為路面結(jié)構(gòu)層，層間連續(xù)性不佳。同時(shí)，由于舊路表面平整度較差，應(yīng)力吸收層的設(shè)計(jì)厚度較薄(一般為2～2.5 cm)，導(dǎo)致實(shí)際攤鋪的厚度不均勻，施工較困難，抗裂效果也不理想。

針對(duì)目前應(yīng)力吸收層存在的一些問題，本文提出一種粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料。該瀝青混合料可用于舊水泥路面加鋪瀝青層的底面層或者作為半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的下面層，設(shè)計(jì)厚度達(dá)3～10 cm，作為結(jié)構(gòu)層時(shí)兼具應(yīng)力吸收層功能，同時(shí)具有防水防裂、抗疲勞、防治反射裂縫等多重效果。粗粒式應(yīng)力吸收層克服了以往砂粒式應(yīng)力吸收層抗車轍變形能力差、設(shè)計(jì)厚度薄、難以均勻攤鋪施工的缺點(diǎn)，防裂效果大大提高；同時(shí)減少了結(jié)構(gòu)層數(shù)量，提高了結(jié)構(gòu)的層間連續(xù)性，有利于延長(zhǎng)路面的使用壽命；在實(shí)際工程應(yīng)用中能簡(jiǎn)化施工工序，縮短工期，降低工程總體造價(jià)。本研究采用主骨料填充法(CAVF法)對(duì)該粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)來研究其路用性能；最后分析車轍和低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果，提出一種可以確定該粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料最佳油石比范圍的方法，為此類材料的實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 原材料性能

1.1 集料

本設(shè)計(jì)選用花崗巖集料，規(guī)格分別為10～20 mm碎石、5～10 mm碎石和0～3 mm石屑，參照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)進(jìn)行性能檢驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 集料的基本性能

1.2 礦粉

有研究表明，用堿性的石灰?guī)r礦粉作填料有利于使瀝青與集料更好地黏結(jié)，提升混合料的馬歇爾穩(wěn)定度，改善路用效果[11]。故本研究選擇由廣州市政維修處提供的堿性石灰?guī)r礦粉作填料，其具體性能見表2。

1.3 瀝青

根據(jù)這種粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料需具有應(yīng)力吸收層功能的特點(diǎn)，要選用一種高黏度的改性瀝青，使混合料具有較高的強(qiáng)度和良好的拉伸變形能力[12-14]。本文所選高黏改性瀝青為殼牌新粵(佛山)瀝青有限公司的產(chǎn)品，其基本性能見表3。

表2 礦粉的各項(xiàng)指標(biāo)

表3 高黏改性瀝青的基本性能

2 級(jí)配設(shè)計(jì)

這種粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料必須采用大油石比(通常可達(dá)相近礦料級(jí)配普通瀝青混合料油石比的1～3倍，具體根據(jù)設(shè)計(jì)和工程需要而定)，以提高混合料的拉伸變形能力，增強(qiáng)應(yīng)力消散的效果，起到應(yīng)力吸收和防水防裂的作用。為了使該瀝青混合料能夠形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，從而提高其使用性能，本文采用CAVF法進(jìn)行礦料密(斷)級(jí)配的設(shè)計(jì)[15-17]，即先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和混合料的用途確定出油石比范圍在4.5%～7.5%，然后按0.5%的間隔對(duì)每一個(gè)油石比用 CAVF 法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)。其中粗骨料根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，細(xì)集料按泰波公式設(shè)計(jì)。

P=(d/D)n×100

(1)

式中：P為集料顆粒在篩孔尺寸d的通過百分率(%)；d為集料中顆粒的篩孔尺寸(mm)；D為集料的最大粒徑(mm)；n為級(jí)配指數(shù)，n=0.45。

CAVF法的設(shè)計(jì)思想是用粗集料作為骨架，細(xì)集料等對(duì)其進(jìn)行填充，使混合料形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式為[18]

式中：qc為粗集料用量百分比(%)；qf為細(xì)集料用量百分比(%)；qp為礦粉用量百分比(%)；qa為瀝青用量百分比(%)；ρ為粗集料骨架搗實(shí)狀態(tài)下的堆積密度(g·cm-3)；VDRC為搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率(%)；Vv為設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率(%)；ρa(bǔ)f為細(xì)集料的表觀相對(duì)密度；ρf為礦粉的表觀相對(duì)密度；ρa(bǔ)為高黏改性瀝青的相對(duì)密度。

搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率

VDRC=(1-ρ/ρb)×100%

(4)

式中：ρ為粗集料骨架搗實(shí)狀態(tài)下的堆積密度(g·cm-3)；ρb為粗集料毛體積密度(g·cm-3)。

本研究用的粗集料毛體積密度ρb=2.62 g·cm-3，粗集料骨架搗實(shí)狀態(tài)下的堆積密度ρ=1.58 g·cm-3，細(xì)集料的表觀相對(duì)密度ρa(bǔ)f= 2.64，高黏改性瀝青相對(duì)密度ρa(bǔ)=1.03，礦粉的表觀相對(duì)密度ρf=2.864。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和密級(jí)配瀝青混合料設(shè)計(jì)，取目標(biāo)空隙率Vv為5.0%，礦粉用量qp為5%，油石比分別為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.0%和7.5%，由式(5)可求得各油石比對(duì)應(yīng)的瀝青用量qa。

qa=q/(1+q)

(5)

式中：qa為瀝青用量(%)；q為油石比(%)。

將上述已知量代入式(2)～(4)可求得粗集料用量qc、細(xì)集料用量qf和粗集料骨架間隙率VDRC(39.7%)。各油石比的粗細(xì)集料用量如表4所示。結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)確定的粗集料級(jí)配和n=0.45時(shí)泰波公式確定的細(xì)集料級(jí)配(表5)，可以計(jì)算出各油石比下的設(shè)計(jì)級(jí)配，如表6所示。

表4 各油石比下的粗細(xì)集料用量

表5 粗集料、細(xì)集料的級(jí)配組成

表6 各油石比下礦料的合成級(jí)配

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

通過析漏試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、低溫小梁彎曲等室內(nèi)試驗(yàn)來初步研究粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的施工和易性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗車轍能力和低溫抗裂性等路用性能。

3.1 謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)

瀝青含量較高是粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的特點(diǎn)之一，因此首先要考慮材料的施工和易性。如果瀝青用量過大，混合料運(yùn)輸過程中會(huì)發(fā)生膠漿離析現(xiàn)象，所以有必要進(jìn)行謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)，確定出合理的瀝青用量范圍。析漏試驗(yàn)結(jié)果見表7。瀝青混合料在油石比4.5%～6.5%下析漏損失較小，油石比為7.0%和7.5%時(shí)析漏損失較大，故初步確定該瀝青混合料油石比范圍為4.5%～6.5%。

表7 謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)結(jié)果

3.2 標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)是評(píng)價(jià)該粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法之一。采用油石比4.5%～6.5%拌制粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，拌合溫度為185 ℃，擊實(shí)溫度為180 ℃，雙面擊實(shí)75次。測(cè)得各油石比馬歇爾試件的各項(xiàng)指標(biāo)，如表8所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，各油石比下馬歇爾試件的馬歇爾穩(wěn)定度和流值都符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中夏季炎熱地區(qū)重載交通下的馬歇爾穩(wěn)定度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(>8 kN)以及流值技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(20～40(0.1 mm))。

表8 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

本研究的目的是得到一種具有優(yōu)良路用性能的粗粒式骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)瀝青混合料，核心是確保瀝青混合料能夠形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，所以要驗(yàn)證其是否形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。若搗實(shí)狀態(tài)下粗集料骨架間隙率VDRC大于壓實(shí)狀態(tài)下混合料中粗集料骨架間隙率Vmix，則混合料為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。Vmix可由式(6)計(jì)算。

Vmix=100%-(γfPCA/ρbc)×100%

(6)

式中：γf為瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度；ρbc為粗集料的合成毛體積相對(duì)密度；PCA為瀝青混合料中粗集料的比例。

由式(6)求得，本設(shè)計(jì)中各個(gè)油石比的Vmix分別為36.56%、36.04%、35.54%、35.07%和34.55%。每個(gè)油石比瀝青混合料的Vmix均小于VDRC(39.7%)，故設(shè)計(jì)的粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料均為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。

3.3 浸水馬歇爾試驗(yàn)

粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的水穩(wěn)定性也是影響其使用性能的重要因素之一。采用浸水馬歇爾試驗(yàn)測(cè)定其殘留穩(wěn)定度值用以評(píng)價(jià)該瀝青混合料的水穩(wěn)定性，按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的方法擊實(shí)成形馬歇爾圓柱體試件，60 ℃恒溫水槽中養(yǎng)護(hù)48 h，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。由表9可見，各油石比試件浸水殘留穩(wěn)定度均大于85%，可以認(rèn)為此粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性。

表9 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.4 車轍試驗(yàn)

本研究的粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料，在用于舊水泥路面加鋪瀝青層的底面層或者作為半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的下面層時(shí)，必須具有足夠的抗車轍能力。故按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)進(jìn)行了瀝青混合料車轍試驗(yàn)，來驗(yàn)證粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的抗車轍能力。車轍試驗(yàn)結(jié)果見表10，可見動(dòng)穩(wěn)定度都保持在3 000 次·mm-1以上，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中夏季炎熱地區(qū)重載交通下的車轍動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求(>2 800 次·mm-1)，說明該粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料具有良好的抗車轍能力。

表10 高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果

3.5 低溫彎曲試驗(yàn)

本設(shè)計(jì)的目的是提出一種用作路面結(jié)構(gòu)層并兼具應(yīng)力吸收層功能的瀝青混合料，從而有效防止反射裂縫等問題。故按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)拌制各油石比下粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料，進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，用以評(píng)價(jià)該混合料的低溫抗裂性能[19]。試驗(yàn)結(jié)果見表11，可見-10 ℃下的最大彎拉應(yīng)變和抗彎拉強(qiáng)度分別在3 500～5 500 με和10.0～12.0 MPa之間，符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中冬季嚴(yán)寒區(qū)改性瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變的技術(shù)要求(>3 000 με)，滿足應(yīng)力吸收層抗反射裂縫需要的應(yīng)變和強(qiáng)度要求。因此，在抵抗低溫開裂和反射裂縫方面，該粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料具有良好的性能。

表11 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

為更加直觀地表現(xiàn)這種粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料的彎曲變形能力，選取彎拉應(yīng)變最大、各方面性能良好的6.5%油石比拌制瀝青混合料，輪壓成型板塊狀試件，切制1 cm左右厚度的小梁試件，進(jìn)行人工持續(xù)施壓，直至試件產(chǎn)生裂縫時(shí)停止，試件彎曲變形效果見圖1。

圖1 試件彎曲變形效果

4 確定最佳瀝青用量范圍

粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料用于舊水泥路面加鋪瀝青層的底面層或者作為半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的下面層時(shí)，在具有較強(qiáng)抗車轍能力的同時(shí)又要提供應(yīng)力吸收層的功能，因此需要具備良好的彎拉變形性能。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著油石比的增加，車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度反而降低，但-10 ℃下的最大彎拉應(yīng)變卻隨著油石比的增加而增大?？梢钥闯?，油石比的變化對(duì)該瀝青混合料高溫抗車轍能力和彎拉變形性能影響較大，所以需要確定油石比的最佳范圍，使其既具有較強(qiáng)的抗車轍能力，又有較好的彎拉變形性能。因此，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，以油石比為橫坐標(biāo)，以動(dòng)穩(wěn)定度、-10 ℃彎拉應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)，分別做出油石比與動(dòng)穩(wěn)定度和-10 ℃彎拉應(yīng)變的關(guān)系曲線，如圖2、3所示。

以動(dòng)穩(wěn)定度與油石比關(guān)系曲線的拐點(diǎn)確定最佳油石比范圍的最大值為5.8%，以-10 ℃彎拉應(yīng)變與油石比關(guān)系曲線的拐點(diǎn)確定最佳油石比范圍的最小值為5.6%?？梢钥闯?，當(dāng)油石比在5.6%～5.8%之間時(shí)，該粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料同時(shí)具備良好的抗車轍能力和低溫抗裂性能，滿足作為路面結(jié)構(gòu)層的同時(shí)又具備應(yīng)力吸收層功能的要求。

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度與油石比的關(guān)系曲線

圖3 最大彎拉應(yīng)變與油石比的關(guān)系曲線

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究用CAVF法設(shè)計(jì)了一種粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料，并開展室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)其路用性能進(jìn)行初步研究，得到以下結(jié)論。

(1)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，該瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗車轍能力和低溫抗裂性，滿足施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)由于這種材料瀝青含量較高，在實(shí)際工程應(yīng)用中需要考慮施工和易性，避免混合料運(yùn)輸過程中發(fā)生膠漿離析現(xiàn)象，造成材料的浪費(fèi)。

(3)車轍試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)油石比與動(dòng)穩(wěn)定度、-10 ℃低溫的最大彎拉應(yīng)變的變化關(guān)系，可以確定出該瀝青混合料的最佳油石比范圍，即當(dāng)油石比在5.6%～5.8%之間時(shí)，該瀝青混合料同時(shí)具備良好的抗車轍能力和低溫抗裂性能，滿足作為路面結(jié)構(gòu)層的同時(shí)又具備應(yīng)力吸收層功能的要求。

(4)工程實(shí)踐表明，疲勞損壞也是影響瀝青路面使用壽命的主要因素之一，故可對(duì)此類材料的疲勞性能做進(jìn)一步研究，并結(jié)合試驗(yàn)路段來檢驗(yàn)和完善該技術(shù)。