凍融作用下瀝青混合料中骨料級配的差異分析

馬宏巖， 林銘彬， 侯亞麗(.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 福州 3506; 2.福建聯(lián)合石化公司技術(shù)與規(guī)劃部;

3.廈門大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院； 4.河南省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司交通規(guī)劃分院)

1 引言

在季節(jié)性凍土地區(qū)，隨著大氣溫度的季節(jié)性變化，瀝青路面反復(fù)經(jīng)歷凍融循環(huán)作用，極易出現(xiàn)開裂、坑槽、擁包等病害，其中以橫向開裂最為顯著。瀝青路面的開裂直接降低了公路的穩(wěn)定性和耐久性，一方面為水土等雜質(zhì)滲入基層結(jié)構(gòu)提供通道，引起路基軟化和凍脹融沉等次生病害的發(fā)生；另一方面，降低了道路結(jié)構(gòu)的承載能力和行車舒適程度，制約了公路的服務(wù)水平，縮減道路的服務(wù)壽命。因此，凍融作用下瀝青混合料的耐久性和穩(wěn)定性研究是道路工程領(lǐng)域備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

在凍融循環(huán)作用下，瀝青混合料表現(xiàn)出典型的黏彈特性，低溫開裂與材料性能、溫度、降溫速率等因素直接相關(guān)。在過去的幾十年內(nèi)，廣大研究人員通過開發(fā)試驗(yàn)手段和計(jì)算模型來描述和預(yù)估瀝青混合料的低溫開裂，在一定程度上改善了瀝青路面的抗裂性能，但仍舊沒有徹底解決這一問題。瀝青的溫縮特性、黏附能力以及骨料的級配特性都是影響瀝青混合料低溫抗裂性能的重要因素。目前，大量的研究仍集中在瀝青和瀝青混合料低溫性能的研究上，忽視了骨料級配在凍融前后的變化，且沒有對骨料級配與瀝青混合料低溫抗裂性能的關(guān)系進(jìn)行深入的剖析和探討。

該文以實(shí)際瀝青路面在若干次凍融循環(huán)作用后的骨料級配為對象，通過現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)，對比瀝青混合料在凍融作用后的骨料級配與設(shè)計(jì)級配的差異，分析凍融作用下瀝青混合料骨料級配偏差值與開裂指數(shù)的相關(guān)性。

2 病害調(diào)查與現(xiàn)場取樣

建(三江)虎(林)高速公路位于黑龍江省東部，年均最低氣溫低于-30 ℃，是典型的季節(jié)性凍土地區(qū)。

該文依托黑龍江省建虎高速公路，對瀝青路面實(shí)際的低溫開裂情況進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，并鉆取典型路段的結(jié)構(gòu)芯樣。進(jìn)而，在室內(nèi)對現(xiàn)場得到的瀝青結(jié)構(gòu)芯樣進(jìn)行級配分析，研究骨料級配與設(shè)計(jì)級配的偏差值與路面開裂指數(shù)間的相關(guān)性。

2.1 開裂狀況調(diào)查

建虎高速公路主線為瀝青路面結(jié)構(gòu)(圖1)，全長204.331 km。鋪筑用瀝青混合料的瀝青標(biāo)號為PG 70-28，25 ℃針入度為70(0.1 mm)，5 ℃延度為42 cm，軟化點(diǎn)為81.2 ℃。盡管瀝青的低溫性能滿足最低溫度的設(shè)計(jì)要求，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)該公路仍舊存在大量的低溫開裂問題，說明單純考慮瀝青材料無法確保瀝青路面的低溫抗裂能力。

圖1 建虎高速公路主線瀝青路面結(jié)構(gòu)組合

建虎高速公路于2009年5月開工，2011年10月竣工通車，通車后的第一個(gè)冬天便出現(xiàn)了大量的橫向裂縫，最大裂縫寬度達(dá)8 mm。2012年5月9日，技術(shù)人員對建虎高速公路C5、C6標(biāo)段進(jìn)行了開裂狀況調(diào)查，調(diào)查結(jié)果見表1。

表1 各路段低溫開裂情況匯總

表1中，開裂指數(shù)是指每100 m間距內(nèi)出現(xiàn)的橫向裂縫數(shù)量，開裂指數(shù)越大，說明路面的開裂越嚴(yán)重，材料的抗裂性能越差。根據(jù)調(diào)查得到的開裂指數(shù)將8組結(jié)構(gòu)芯樣按抗裂性能進(jìn)行排序?yàn)椋?#>2#≈3#≈4#>6#>1#≈5#≈7#。由排序可將8組芯樣的開裂程度劃分為4個(gè)等級：① 1#、5#、7#為第一等級；② 6#為第二等級；③ 2#、3#、4#為第三等級；④ 8#為第四等級。

2.2 結(jié)構(gòu)芯樣處理

面層與基層間的界面黏結(jié)作用使得結(jié)構(gòu)芯樣的下表面凹凸不平，而芯樣頂面也即路面表面的粗糙度較大，因此需要在試驗(yàn)室內(nèi)對結(jié)構(gòu)芯樣進(jìn)行切割打磨，得到表面平整的圓柱體試件(圖2)。由圖2可知：處理后的試件可清晰辨出裂縫在上下面層間的擴(kuò)展情況。

組號1#結(jié)構(gòu)芯樣處理后的表面形態(tài)見圖3。

由圖3可以看出：① 整體結(jié)構(gòu)密實(shí)，空隙分布均勻；② 上面層頂面有一條微小裂縫，寬度約3 mm；③下面層頂面可見一條約2 mm寬裂縫，沿深度方向貫穿整個(gè)結(jié)構(gòu)。由于該組芯樣對應(yīng)的開裂指數(shù)為5條/100 m，開裂情況較嚴(yán)重。綜上可知：路面結(jié)構(gòu)形態(tài)與開裂指數(shù)間具有較好的相關(guān)性。按此方法依次對其余7組結(jié)構(gòu)芯樣進(jìn)行形態(tài)評估，分析結(jié)果見表2。

圖2 瀝青路面結(jié)構(gòu)芯樣處理前后對比

圖3 第1組路面結(jié)構(gòu)芯樣

瀝青路面出現(xiàn)的低溫裂縫越多、裂縫寬度越大，開裂指數(shù)越大，材料的低溫性能越差。參照表2按表面開裂的嚴(yán)重程度對8組芯樣進(jìn)行排序?yàn)椋荷厦鎸樱?#>5#>1#>6#>2#≈3#>4#≈8#；下面層：7#>5#>1#>6#>3#>2#≈4#≈8#?？梢姡焊鹘M芯樣的排序關(guān)系與開裂程度的排序關(guān)系基本一致，說明結(jié)構(gòu)芯樣的表面形態(tài)(開裂程度)與開裂指數(shù)具有較好的相關(guān)性。

2.3 空隙率的差異分析

采用表干法測試路面結(jié)構(gòu)的空隙率，分析實(shí)測空隙率與設(shè)計(jì)空隙率的關(guān)系，結(jié)果見圖4。

表2 各組路面結(jié)構(gòu)芯樣表面形態(tài)匯總

圖4 結(jié)構(gòu)芯樣空隙率對比

由圖4可知：① 瀝青路面在若干次凍融循環(huán)作用后的實(shí)際空隙率與設(shè)計(jì)空隙率偏差較大；② 上面層空隙率在設(shè)計(jì)空隙率(4%)附近波動，波動范圍為2%～6%；③ 下面層空隙率普遍高于設(shè)計(jì)空隙率(4.5%)，最大空隙率為12%。

瀝青混合料空隙率的波動在一定程度上反映了骨料級配的差異性，由此可推測：8組瀝青結(jié)構(gòu)芯樣骨料級配的均勻性較差。因此，需進(jìn)一步分析骨料級配在凍融作用下的變化情況，及其與路面開裂狀況間的內(nèi)在關(guān)系。

3 骨料級配的差異分析

瀝青混合料中粗、細(xì)集料的比例關(guān)系是影響材料性能的關(guān)鍵因素。粗細(xì)集料的分界點(diǎn)按照1/4最大粒徑對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)粒徑確定。由圖1可知：上下面層結(jié)構(gòu)的材料類型分別為：AC-16和AC-20；因此，上下面層中粗細(xì)集料的分界篩孔分別為2.36 mm和4.75 mm。該文以粗集料的百分比(即100%與粗細(xì)集料分界篩孔累計(jì)通過率的差)為指標(biāo)，表征粗、細(xì)集料的比例關(guān)系，分析不同層位結(jié)構(gòu)凍融前后粗集料百分比的偏差值與開裂指數(shù)間的關(guān)系。

3.1 上面層級配的差異分析

采用infraTast 20-110型瀝青分析機(jī)對瀝青結(jié)構(gòu)芯樣進(jìn)行抽提和篩分處理，得到各組結(jié)構(gòu)芯樣的骨料級配，見表3。

由表3可知：① 各組芯樣的骨料級配均明顯偏離于設(shè)計(jì)級配；② 參照2.36 mm篩孔的累計(jì)通過率可知，結(jié)構(gòu)芯樣的粗集料含量普遍低于設(shè)計(jì)值(表4)。

按照粗集料含量偏差的絕對值進(jìn)行排序?yàn)椋?#>1#>7#>6#>2#>4#>3#>8#。

與前文4個(gè)等級一一對應(yīng)，證明：芯樣的開裂程度與級配偏差的絕對值成正比。

3.2 下面層級配的差異分析

表5為下面層結(jié)構(gòu)芯樣的級配曲線對比圖，其中粗細(xì)集料分界點(diǎn)為4.75 mm。

由表5可知：下面層骨料級配的變異性較上面層更為突出。粒徑大于4.75 mm的粗集料含量均低于設(shè)計(jì)值(表6)。

表3 瀝青路面上面層級配

表4 上面層粗集料含量偏差分析

注：設(shè)計(jì)值為70.8%。

按照粗集料含量偏差的絕對值進(jìn)行排序?yàn)?#>7#>5#>6#>3#>2#>4#>8#。

與前文4個(gè)等級一一對應(yīng)，證明：芯樣的開裂程度與代表粒徑級配偏差的絕對值成正比。

基于上述分析可知：瀝青混合料中粗集料含量越少，低溫開裂現(xiàn)象越嚴(yán)重。導(dǎo)致瀝青混合料中骨料偏細(xì)的原因有兩方面：① 施工監(jiān)控不嚴(yán)，現(xiàn)場配合比不達(dá)標(biāo)；② 強(qiáng)度不足、壓碎值不合格的粗集料在外載作用下破碎為細(xì)集料。雖然無法確定瀝青混合料級配不合格的原因，但可以確定的是，骨料級配的差異性是降低瀝青混合料低溫性能的內(nèi)在因素。

表5 瀝青路面下面層級配

表6 下面層粗集料含量偏差分析

注：設(shè)計(jì)值為57.1%。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)證明，凍融作用前后瀝青混合料骨料級配的變異程度與低溫開裂指數(shù)間具有較好的相關(guān)性。瀝青路面的開裂程度與凍融前后級配偏差的絕對值成正比。在瀝青滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，粗集料含量越少(骨料級配曲線越靠近上限值)，瀝青混合料的低溫抗裂性能越差，瀝青路面的低溫開裂越嚴(yán)重。嚴(yán)格控制施工配合比和礦質(zhì)骨料的強(qiáng)度是保證瀝青混合料低溫抗裂性能的關(guān)鍵。