開普封層組成設(shè)計(jì)及性能試驗(yàn)研究

周麗霞，郭杰森，馬 翔

(1.江西省公路橋梁工程有限公司 南昌市 330029; 2.南京林業(yè)大學(xué) 南京市 210037)

0 引言

在我國通車的500多萬公里公路中低等級(jí)道路占絕對大的比例，但低等級(jí)道路卻面臨養(yǎng)護(hù)資金缺乏、養(yǎng)護(hù)條件惡劣的困境，因此，針對低等級(jí)道路的經(jīng)濟(jì)、快捷養(yǎng)護(hù)維修方案一直是行業(yè)內(nèi)的研究熱點(diǎn)。開普封層是起源于南非開普敦的一種預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)，因其施工速度快、造價(jià)低廉的特點(diǎn)，在國外得到了大規(guī)模的應(yīng)用[1]。中國于2004年渝鄰高速公路草坪道口接線鋪筑了第一條開普封層的試驗(yàn)段[2]，隨后開展了一系列相關(guān)研究工作，并在實(shí)體工程中得以推廣應(yīng)用[3-5]。從國內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用情況來看，開普封層的應(yīng)用產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，但實(shí)體工程中會(huì)出現(xiàn)泛油、結(jié)構(gòu)滑移、封層剝落等典型病害[6]。

開普封層是一種封層+表處的復(fù)合結(jié)構(gòu)，但在推廣應(yīng)用過程中封層和表處的材料類型并不完全相同，封層以碎石封層為主，一般為單層碎石封層，也有多層碎石封層的應(yīng)用[7]，碎石封層中的瀝青主要有熱瀝青、乳化瀝青兩種，表處主要有稀漿封層、微表處兩種，目前基本采用性能更優(yōu)的微表處作為上封層。為了評價(jià)材料組合方案對開普封層路用性能的影響，對下封層分別采用單層乳化瀝青碎石封層、單層橡膠瀝青碎石封層、雙層橡膠瀝青碎石封層；上封層均采用微表處組成的三種不同開普封層結(jié)構(gòu)開展室內(nèi)試驗(yàn)研究?；陂_普封層的典型病害，重點(diǎn)對其粘結(jié)性能和抗裂性能進(jìn)行研究。

1 材料組成設(shè)計(jì)

本研究所述開普封層是一種碎石封層與微表處組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，因此，對于開普封層的材料組成設(shè)計(jì)需要分別針對碎石封層和微表處開展。

1.1 碎石封層材料組成設(shè)計(jì)

碎石封層材料組成設(shè)計(jì)包括材料類型選擇和用量確定兩個(gè)方面的內(nèi)容，碎石封層由碎石和瀝青組成，在已有相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，本研究單層碎石封層碎石粒徑選用5～10mm，雙層碎石封層的碎石粒徑下層選用10～15mm、上層選用5～10mm，瀝青分別選用SBR乳化瀝青和橡膠改性熱瀝青。試驗(yàn)前對碎石、瀝青原材料進(jìn)行了性能檢測，檢測結(jié)果均能滿足技術(shù)規(guī)范[8]的相關(guān)要求。

確定碎石封層中材料用量的方法主要包括理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)配比法兩種[9]，碎石封層理論計(jì)算的方法主要有Kearby方法、McLeod方法、Lovering方法和美國瀝青協(xié)會(huì)方法等[10]；經(jīng)驗(yàn)配比法認(rèn)為通過理論計(jì)算得出的碎石用量是不合理的，而應(yīng)該在施工過程中，結(jié)合現(xiàn)場具體情況確定合理的材料用量。

在確定碎石用量的基礎(chǔ)上，采用不同瀝青用量成型平面尺寸為10cm×10cm的碎石封層試塊，將試塊用環(huán)氧樹脂粘結(jié)在車轍板上后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)，觀察試件表面的泛油狀況，將泛油臨界狀況下的瀝青用量作為最佳瀝青用量。

圖1 確定材料用量試驗(yàn)

基于上述方法，兩種碎石封層的材料用量如表1所示。

表1 碎石封層材料用量(單位：kg/m2)

1.2 微表處組成設(shè)計(jì)

微表處的組成設(shè)計(jì)包括原材料檢測、級(jí)配選擇與組成、材料用量確定等內(nèi)容，在各種原材料均按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范檢查并滿足要求的前提下，本研究所采用的微表處級(jí)配選用MS-3型，由0～3mm、3～5mm和5～10mm三種規(guī)格的玄武巖集料和礦粉組成，其組成比例為0～3mm∶3～5mm∶5～10mm∶礦粉=20∶30∶45∶5，級(jí)配曲線如圖2所示。

圖2 微表處級(jí)配曲線圖

基于上述組成級(jí)配及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，初選微表處的材料組成比例為礦料∶水∶水泥∶瀝青=100∶6∶2∶X，瀝青比例X為5.6～7.1之間間隔0.3取值進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括可拌和時(shí)間試驗(yàn)、黏聚力試驗(yàn)、濕輪磨耗試驗(yàn)、負(fù)荷車輪粘砂試驗(yàn)，最終確定瀝青用量為6.8%，該配比下微表處的各項(xiàng)性能指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 微表處混合料性能檢測結(jié)果

2 路用性能試驗(yàn)研究

2.1 粘結(jié)性能試驗(yàn)

與下部路面結(jié)構(gòu)的脫落是開普封層在使用過程中最典型的病害之一，為此，本研究通過剪切試驗(yàn)和拉拔試驗(yàn)對其與瀝青混凝土之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究過程中首先成型SMA-13瀝青混凝土車轍板試件，然后在SMA-13瀝青混凝土試件上成型開普封層，接著通過取芯得到直徑為10cm的開普封層與SMA-13瀝青混凝土的復(fù)合試件進(jìn)行粘結(jié)性能試驗(yàn)。試件分別在0℃、25℃和55℃條件下保溫后進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

從表3中的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著溫度升高，幾種開普封層結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度均降低，三種結(jié)構(gòu)在中、低溫條件下剪切強(qiáng)度以及拉拔強(qiáng)度之間的大小關(guān)系均為：雙層橡膠瀝青碎石封層>單層橡膠瀝青碎石封層>單層乳化瀝青碎石封層，其中單層橡膠瀝青碎石封層較單層乳化瀝青碎石封層強(qiáng)度顯著提升，而雙層橡膠瀝青碎石封層較單層橡膠瀝青碎石封層略有增加。在高溫條件下三種材料剪切強(qiáng)度相差不大，均很小，可能是55℃已經(jīng)接近所使用的瀝青材料的軟化點(diǎn)所致。

表3 開普封層粘結(jié)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 抗裂性能試驗(yàn)

開普封層多應(yīng)用于道路養(yǎng)護(hù)工程，使用一段時(shí)間后的舊路面結(jié)構(gòu)可能會(huì)存在各類裂縫類的病害，且開普封層厚度很薄，因此，需要評價(jià)開普封層的抗裂性，特別是針對我國的容易產(chǎn)生反射裂縫的半剛性基層瀝青路面而言，更有必要研究開普封層的抗裂性。

對于路面材料的抗裂性能評價(jià)，多采用反射裂縫模擬類的試驗(yàn)方法，但這類方法耗時(shí)較長，且對設(shè)備要求較高，采用沖擊韌性試驗(yàn)評價(jià)不同材料組合開普封層的抗裂性能，該試驗(yàn)對尺寸為250mm×35mm×35mm的小梁試件在-10℃的環(huán)境箱中保溫5h后進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)施加500mm/min的荷載，記錄試驗(yàn)過程中的位移-力曲線，通過峰值應(yīng)力以內(nèi)的曲線包羅的面積計(jì)算得到?jīng)_擊韌性值，圖3為三種封層結(jié)構(gòu)代表性的位移-力曲線圖，虛線部分為單層乳化瀝青碎石封層的沖擊韌性值包含的面積。

圖3 沖擊韌性試驗(yàn)位移-力曲線

從圖3可以看出，三種開普封層結(jié)構(gòu)的抗裂強(qiáng)度相差不明顯，但橡膠瀝青碎石封層組合的開普封層具有更大的破壞位移，且雙層較單層更大；從達(dá)到最大力后的位移-力曲線來看，單層乳化瀝青碎石封層表現(xiàn)出更明顯的脆性破壞，由此可見，橡膠瀝青碎石封層可以明顯增加其韌性，表現(xiàn)出更好的抗裂性能，三種材料計(jì)算得到的沖擊韌性值的大小關(guān)系為：單層橡膠瀝青碎石封層>雙層橡膠瀝青碎石封層>單層乳化瀝青碎石封層。

3 結(jié)論

本研究在材料組成設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對三種不同材料組成的開普封層進(jìn)行了粘結(jié)性和抗裂性能的對比分析，主要得到如下結(jié)論：

(1)采用橡膠瀝青取代乳化瀝青作為開普封層下封層的膠結(jié)料能夠顯著提升開普封層的粘結(jié)性和抗裂性能，養(yǎng)護(hù)方案選擇時(shí)可優(yōu)選橡膠瀝青碎石封層組成的開普封層；

(2)雙層橡膠瀝青碎石封層能進(jìn)一步提升單層橡膠瀝青碎石封層組成的開普封層的粘結(jié)性和抗裂性能，但具體應(yīng)用時(shí)還需要考慮養(yǎng)護(hù)經(jīng)費(fèi)，綜合經(jīng)濟(jì)效益選用；

(3)各類開普封層的施工工藝以及具體使用效果需要通過試驗(yàn)段的對比研究進(jìn)一步論證。