孫耀鶴
(河南省交通檢測技術(shù)研究院有限公司,河南 鄭州 450000)
隨著經(jīng)濟(jì)提升,我國交通行業(yè)進(jìn)入一個高速發(fā)展的階段[1],對道路行駛舒適性提出更高的要求[2],目前,道路路面材料主要以熱拌瀝青混合料為主[3],部分道路采用水泥混凝土路面,其中瀝青路面以施工便捷、行車平穩(wěn)舒適等優(yōu)點(diǎn),受到廣泛推廣。瀝青是典型的粘彈性材料[4],溫度敏感性高,高溫地區(qū)的瀝青路面受到車輛反復(fù)的動荷載,瀝青路面產(chǎn)生滑動和車轍,降低路面使用壽命,因此,國內(nèi)外學(xué)者提出灌入式半柔性路面材料[5],該路面材料是指在大孔隙瀝青混合料(空隙率20%~30%)中[6],灌入以水泥為主要材料的特種漿料,與集料間產(chǎn)生嵌擠作用,共同提高復(fù)合材料路面在高溫作用下抵抗變形的能力[7]。灌入式復(fù)合路面材料的高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能和抗滑耐磨能力性能有顯著提升[8],然而特殊漿體在復(fù)合材料性能中起到關(guān)鍵性作用,本文通過復(fù)配不同漿體,采用UTM-25 試驗(yàn)機(jī)分別對不同的灌入式半柔性復(fù)合路面材料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞性試驗(yàn),對不同漿體的復(fù)合材料疲勞性能進(jìn)行對比,擬合疲勞壽命曲線圖。
灌入式復(fù)合路面材料在空隙率20%以上,其中集料中粗集料占比大,瀝青吸附面積小,應(yīng)使用性能優(yōu)異的瀝青以增加黏附性[9],提高混合料的空隙率,本文采用SBS 改性瀝青Ⅰ-C 型,其檢測結(jié)果如表1 所示。
表1 SBS 改性瀝青試驗(yàn)結(jié)果
集料選用平頂山市石龍區(qū)石料廠玄武巖,礦粉選用石灰石礦粉,各項試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3 所示。
表2 集料試驗(yàn)結(jié)果
表3 礦粉試驗(yàn)結(jié)果
依據(jù)集料碎石的篩分情況進(jìn)行合成級配,本文研究GRAC-13 型基底瀝青混合料,合成結(jié)果如表4 所示。
表4 GRAC-13 配合比設(shè)計
日本半柔性路面設(shè)計規(guī)范中,對灌漿料的性能提出目標(biāo)值,并以目標(biāo)值為設(shè)計目標(biāo)[10-11],確定普通型灌漿料配合比,其配合比見表5。
表5 普通型灌漿料配合比
乳化瀝青砂漿(CA 砂漿),是在普通型灌漿料中加入乳化瀝青,利用水泥水化和乳化瀝青破乳后形成交織結(jié)構(gòu),具有一定強(qiáng)度并且有彈性的復(fù)合漿料[12],其配合比及性能如表6 所示。
表6 CA 型灌漿料配合比
疲勞試驗(yàn)一般分為三種類型:第一種是模擬路面實(shí)際狀態(tài)下在真實(shí)汽車輪胎碾壓作用下的疲勞試驗(yàn),其中最常用的是美國AASHO 試驗(yàn)路,但其研究周期長,用時四年才完成試驗(yàn)。第二種是足尺路面結(jié)構(gòu)在模擬汽車行駛荷載作用下的疲勞試驗(yàn),其中最常用的是小型加速加載設(shè)備等,該設(shè)備投資大,研究時間長。第三種是JTG E20-2011 規(guī)范中對瀝青混合料疲勞試驗(yàn)的要求,該方法快捷準(zhǔn)確,因此本文中所采用該方法對復(fù)合材料路面的疲勞壽命進(jìn)行評價。
依據(jù)JTG E20-2011 規(guī)范中對瀝青混合料的疲勞性能采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行評價,將不同灌漿料的GRAC-13 基底瀝青混合料進(jìn)行制樣[13],如圖1 所示。
圖1 GRAC-13 基底瀝青混合料試樣
由溫度效應(yīng)理論可知,瀝青在高溫狀態(tài)下流動能力強(qiáng),灌漿料中摻入不同種聚合物降低材料本身剛性強(qiáng)度可能最有效,因此在制樣過程中,選擇先將基地瀝青混合料制備完成后,采用可自由流體的灌漿料注入。
制樣過程:依據(jù)設(shè)計空隙率為25%,制作試樣,后將乳化瀝青水泥漿(CA 灌漿)與普通型灌漿料注入,養(yǎng)護(hù)成型,具有一定強(qiáng)度再切割成試驗(yàn)尺寸,如圖2 所示。
圖2 制備試樣
采用UTM機(jī)器進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),選擇單向無側(cè)向抗壓,模具選擇試驗(yàn)的夾具頭,采用應(yīng)力控制模式,應(yīng)力比設(shè)置0.2、0.4、0.6、0.8,荷載是通過一根1.27cm 的加載壓條作用在試樣上,試驗(yàn)前預(yù)壓30 秒,預(yù)壓荷載2KPa,試驗(yàn)溫度15℃、30℃、45℃、60℃,記錄疲勞壽命次數(shù)[14-15]。
根據(jù)2.1 節(jié)中試驗(yàn)方法,對不同灌漿料的復(fù)合材料進(jìn)行疲勞試驗(yàn),結(jié)果如表7 所示。
選用普通灌漿料、CA 灌漿料的對數(shù)疲勞壽命平均值進(jìn)行線性擬合,如圖3、圖4 所示。
由表7 可得出來乳化瀝青水泥灌漿料的疲勞壽命整體比普通水泥灌漿料高,這是由于乳化瀝青在破乳過程中,促進(jìn)水泥水化,與水泥水化產(chǎn)物形成交織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而提高灌入式路面材料抗疲勞能力;同時,隨著溫度的升高,兩種灌漿料的疲勞壽命降低較大,最大降低54.5%,說明溫度對疲勞壽命影響較大,但摻入乳化瀝青的灌漿料后,最大降低51%,提高疲勞性能2%左右。
表7 不同灌漿料的復(fù)合材料疲勞壽命
由圖3、圖4 可得出應(yīng)力比與對數(shù)疲勞壽命存在線性關(guān)系,且乳化瀝青水泥灌漿料的疲勞壽命整體高于普通型灌漿料,同時隨著溫度升高,疲勞壽命降低明顯,從45℃至60℃時,下降速率最快,乳化瀝青水泥灌漿料溫度敏感性低。
圖3 普通灌漿料對數(shù)疲勞壽命擬合圖
圖4 CA 灌漿料對數(shù)疲勞壽命擬合圖
3.1 摻入乳化瀝青后水泥復(fù)合灌漿料溫度敏感性降低,其中乳化瀝青破乳過程促進(jìn)水泥水化作用,整體性提高復(fù)合材料的性能,并且作為乳化瀝青水泥灌漿料可提高復(fù)合路面材料的疲勞性能。
3.2 應(yīng)力比與對數(shù)疲勞性能存在線性關(guān)系,可使用四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)采集的疲勞壽命,整理為對數(shù)疲勞性能來對比不同灌漿料抗疲勞性能的能力。