瀝青路面基層材料抗裂性能研究

謝百慧, 張宿峰

(黑龍江省高速公路建設(shè)局，黑龍江 哈爾濱 150040)

裂縫是瀝青路面最普遍的一種損壞現(xiàn)象，也是造成瀝青路面早期病害的主要原因之一。路面一旦出現(xiàn)裂縫，隨著行車荷載的反復(fù)作用和自然因素的不斷影響，尤其是地表水的浸入會(huì)導(dǎo)致路面強(qiáng)度迅速降低，路面很快就會(huì)產(chǎn)生龜裂、坑槽等病害，嚴(yán)重影響路面的使用性能[1]。由于瀝青路面結(jié)構(gòu)始終處在交通荷載的循環(huán)作用下，其破壞主要表現(xiàn)為疲勞破壞特征，利用疲勞斷裂力學(xué)方法分析瀝青路面疲勞開(kāi)裂，可獲得有價(jià)值的結(jié)論[2]?；鶎邮菫r青路面的主要承重層，基層的質(zhì)量直接影響路面的使用性能和使用壽命[3]，路面結(jié)構(gòu)在行車荷載的作用下，基層極易產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂，從而在面層形成反射裂縫[4-5]。

本文針對(duì)瀝青路面抗裂性能，采取重復(fù)施加疲勞荷載對(duì)材料試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的方法[6]，對(duì)比分析ATB-25型瀝青混合料、AC25型瀝青混合料、水泥穩(wěn)定碎石及水泥乳化瀝青碎石4種常用瀝青路面的基層材料[7-8]，研究該類型試件在疲勞荷載作用下的抗開(kāi)裂性能，進(jìn)而得出其在動(dòng)靜載條件下的抗裂規(guī)律，為瀝青路面抗裂設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料性質(zhì)

本文試驗(yàn)所用的集料為黑龍江省地產(chǎn)安山巖，依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[9]、《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)[10]中的要求和方法對(duì)集料基本性質(zhì)進(jìn)行了檢測(cè)，如表1、表2所示。

試驗(yàn)所采用的礦粉為石灰?guī)r礦粉，礦粉外觀干燥、無(wú)結(jié)塊、潔凈無(wú)雜質(zhì)，其物理性質(zhì)和篩分結(jié)果如表3所示。

試驗(yàn)中采用的水泥為普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)如表4所示，瀝青分別采用SBS改性瀝青和中裂性陽(yáng)離子乳化瀝青，其性能指標(biāo)分別如表5、表6所示。

表1 粗集料物理性質(zhì)

表2 細(xì)集料基本性質(zhì)

表3 礦粉的物理性質(zhì)

表4 普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo)

表5 SBS改性瀝青性能指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

ATB-25型瀝青混合料、AC-25型瀝青混合料的礦料級(jí)配如表7所示。對(duì)該級(jí)配類型的ATB-25型瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，確定用油量為3.5%；對(duì)該級(jí)配類型的AC-25型瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，確定用油量為4.4%。水泥穩(wěn)定碎石礦料級(jí)配《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ034-2000)[11]推薦各檔級(jí)配范圍的中值如表7所示，對(duì)該級(jí)配類型下的水泥穩(wěn)定碎石材料進(jìn)行最佳含水量和最大干密度試驗(yàn)，確定水泥劑量為5%。

表6 乳化瀝青性能指標(biāo)

表7 ATB-25、AC-25瀝青混合料和水泥穩(wěn)定碎石的礦料級(jí)配 %

水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石集料的配合比采用表7中水泥穩(wěn)定碎石礦料級(jí)配。水泥乳化瀝青碎石的主要組成部分包括陽(yáng)離子乳化瀝青、普通硅酸鹽水泥，外加劑包括減水劑、增稠劑、消泡劑等[12-13]。水泥乳化瀝青碎石的材料配比如表8所示，其中以水泥用量為基準(zhǔn)1，水泥與乳化瀝青總用量為6%。

表8 水泥乳化瀝青碎石的材料配比

1.3 試件成型

按照我國(guó)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[14]和《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)[15]要求，分別成型ATB-25、AC-25、水泥穩(wěn)定碎石、水泥乳化瀝青碎石的車轍板試件，試件尺寸標(biāo)準(zhǔn)為30 cm×30 cm×5 cm。由于水泥穩(wěn)定類材料養(yǎng)生28 d后抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定[16]，因此,本研究對(duì)水泥穩(wěn)定碎石試件和水泥乳化瀝青碎石試件進(jìn)行28 d養(yǎng)生,然后將各試件切割成30 cm×7 cm×5 cm的小梁式試件。

1.4 試驗(yàn)方案

在室溫25℃條件下，對(duì)小梁式試件進(jìn)行靜載試驗(yàn)和動(dòng)載疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)均在電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

1.4.1 靜載試驗(yàn)

為滿足試驗(yàn)要求以及防止試驗(yàn)過(guò)程中試件在試驗(yàn)臺(tái)上發(fā)生滑動(dòng)，制作專用試驗(yàn)夾具，夾具設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，其中的螺栓是用來(lái)限制試件在橫向和縱向上的滑動(dòng)。

試驗(yàn)夾具底部為高強(qiáng)螺栓，能夠與疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行連接并固定；加載壓頭為10 cm×φ2 cm的圓柱體，壓頭頂端為螺栓，用來(lái)連接疲勞試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)夾具實(shí)物如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)夾具設(shè)計(jì)圖

圖2 試驗(yàn)夾具實(shí)物圖

在切割成的小梁試件下部粘接厚度為10 cm的兩塊鋼板，鋼板之間預(yù)留1 cm的縫隙，模擬基層底部開(kāi)裂。已粘接好的試驗(yàn)試件如圖3所示。

圖3 粘接鋼板后的試件

對(duì)小梁試件進(jìn)行3點(diǎn)彎曲標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)位移控制疲勞試驗(yàn)機(jī)，疲勞試驗(yàn)機(jī)的位移速率為0.833 3 cm/s。將試驗(yàn)試件一次壓斷，試驗(yàn)機(jī)荷載隨著加載時(shí)間呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，其中荷載最大值記為P。

1.4.2 動(dòng)載疲勞試驗(yàn)

動(dòng)載疲勞試驗(yàn)?zāi)康氖窃谄诤奢d的作用下，研究不同材料的小梁試件的抗疲勞開(kāi)裂性能。通過(guò)電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)在應(yīng)力控制的加載模式下進(jìn)行加載，應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)為半波正弦荷載。應(yīng)力控制的方式是在重復(fù)加載過(guò)程中試件所受到的最大應(yīng)力保持不變，而隨著試驗(yàn)的延續(xù)，試件的勁度模量減小，試件的應(yīng)變會(huì)隨著載荷作用次數(shù)的增加而增大。

本試驗(yàn)采用0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 5個(gè)不同等級(jí)的應(yīng)力水平進(jìn)行不同材料組合的疲勞試驗(yàn)，選擇的加載頻率為10 Hz，相當(dāng)于實(shí)際路面行車速度在60～65 km/h之間所產(chǎn)生的加載頻率。加載波形如圖4所示。

圖4 加載波形示意圖

試驗(yàn)中，將已切割成的小梁試件固定在夾具上，加載壓頭位置保證在裂縫正上方，如圖5所示。加載波形為半正弦波，載荷峰值為靜載試驗(yàn)所確定的最大破壞荷載P乘以一個(gè)應(yīng)力水平系數(shù)μ。當(dāng)試件開(kāi)始產(chǎn)生裂縫時(shí)，記錄加載波形的次數(shù)為初裂次數(shù)N1；當(dāng)裂縫上下貫通整個(gè)試件時(shí)，記錄波形次數(shù)為終裂次數(shù)N2。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 靜載試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)每種類型的材料分別進(jìn)行3組靜載試驗(yàn)，取最大破壞荷載平均值P，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

圖5 試件放置位置

表9 試件靜載試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，4種材料的最大破壞荷載，從大到小依次為：水泥乳化瀝青碎石>水泥穩(wěn)定碎石> AC-25> ATB-25，穩(wěn)定碎石類基層材料的剛度大于瀝青混合料。

2.2 動(dòng)載疲勞試驗(yàn)

將靜載試驗(yàn)所得最大破壞荷載P分別乘以系數(shù)μ作為半正弦波荷載的峰值對(duì)其進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，每組試驗(yàn)取5個(gè)試件，得到各材料試件產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的平均初裂次數(shù)N1和平均終裂次數(shù)N2，如表10所示。

將4種類型材料的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，分別得出試件在疲勞荷載的作用下N1和N2隨應(yīng)力水平μ的變化關(guān)系，如圖6所示。

表10 試件動(dòng)載疲勞試驗(yàn)結(jié)果

圖6 4種材料N1、N2隨μ的變化關(guān)系

從圖6中可以看出，在荷載分級(jí)相同的情況下，AC-25型試件產(chǎn)生開(kāi)裂的初裂次數(shù)和裂縫貫穿整個(gè)試件的終裂次數(shù)最大，其次是ATB-25型試件，而水泥穩(wěn)定碎石試件的初裂次數(shù)和終裂次數(shù)最小，即在疲勞荷載的作用下，水泥穩(wěn)定碎石材料的抗開(kāi)裂性能最差。比較初裂次數(shù)曲線和終裂次數(shù)曲線之間的間距可以發(fā)現(xiàn)，AC-25、ATB-25型試件在初期產(chǎn)生開(kāi)裂后相對(duì)在更多的加載波形次數(shù)下裂縫貫穿整個(gè)試件，而水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石和水泥穩(wěn)定碎石試件在產(chǎn)生開(kāi)裂后不久裂縫就貫穿整個(gè)試件，并且水泥劑量越大，兩條曲線之間的間距越小，即水泥劑量越大，對(duì)試件終裂次數(shù)的影響越大，裂縫貫穿的速度越快。由力學(xué)分析可知，瀝青混合料基層基于其柔性特征，在受到上方施加的應(yīng)力時(shí)，從基層上部到層底應(yīng)力逐漸遞減，層底開(kāi)裂幾率減小，有效抑制了裂縫的產(chǎn)生；而水泥穩(wěn)定類材料基于半剛性特征，在上方受到壓力時(shí)，基層上部和層底同時(shí)受到應(yīng)力作用，相比而言，層底受到的傳遞應(yīng)力更大，導(dǎo)致易發(fā)生開(kāi)裂。因此瀝青混合料基層具有更優(yōu)的抗裂性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究選用ATB-25、AC-25、水泥穩(wěn)定碎石和水泥乳化瀝青碎石等4種常用的瀝青路面基層材料，通過(guò)利用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行重復(fù)施加疲勞荷載的方式，模擬路面行車荷載，研究不同材料的抗開(kāi)裂性能。通過(guò)試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：

1)靜載狀態(tài)下4種材料的最大破壞荷載，從大到小依次為：水泥乳化瀝青碎石>水泥穩(wěn)定碎石> AC-25> ATB-25，穩(wěn)定碎石類基層材料的剛度大于瀝青混合料。

2)4種不同類型的基層材料中，瀝青混合料的抗開(kāi)裂性能較好，其中AC-25型瀝青混合料抗開(kāi)裂性能最好，ATB-25型瀝青混合料抗開(kāi)裂性能次之，水泥穩(wěn)定碎石的抗開(kāi)裂性能最差。

3)通過(guò)初裂次數(shù)與終裂次數(shù)的差值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，增加水泥劑量對(duì)水泥穩(wěn)定碎石類材料終裂次數(shù)影響顯著，裂縫貫穿速度明顯增大。