探討高速公路瀝青路面基層材料的抗裂性能

郭德盛

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550004）

0 引言

瀝青路面憑借穩(wěn)定性高、舒適、平整、降噪、耐磨等優(yōu)點，在高速公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛。但近年來隨著交通壓力的日益增大，部分運營中的高速公路產(chǎn)生了不同程度的路面裂縫，在行車荷載及外界環(huán)境共同影響下，路面強度大幅度下降，嚴重影響道路使用性能[1-2]。該文通過靜載試驗及動載疲勞試驗對ATB-25、AC-25 型瀝青混合料、水穩(wěn)碎石及水泥乳化瀝青碎石4 種基層材料實施抗裂性能分析，得出各種材料在行車荷載作用下的抗裂狀況，為今后瀝青道路設(shè)計及施工提供幫助。

1 原材料性質(zhì)

對試驗中涉及的所有集料相關(guān)指標實施檢測，完全符合規(guī)范要求；礦粉為磨細石灰?guī)r，潔凈、干燥、粒徑適合，相關(guān)性能指標滿足試驗要求；水泥采用普通硅酸鹽水泥，其性能指標檢測數(shù)據(jù)如表1 所示；瀝青選擇SBS 改性瀝青及中裂乳化瀝青，其性能指標檢測數(shù)據(jù)如表2、表3 所示。

表1 普通硅酸鹽水泥性能指標檢測值

表2 SBS 改性瀝青性能指標檢測值

表3 乳化瀝青性能指標檢測值

2 配合比設(shè)計

ATB-25 型、AC-25 型瀝青混合料及水穩(wěn)碎石礦料級配如表4 所示。分別對ATB-25、AC-25 型瀝青混合料實施配合比試驗，得出其用油量依次為3.5%和4.4%。對該級配條件下水穩(wěn)碎石實施最佳含水量及干密度試驗，得出其水泥用量為5%。

水泥乳化瀝青碎石配比根據(jù)表4 中水穩(wěn)碎石級配標準執(zhí)行。其具體組成包含陽離子乳化瀝青、普通水泥及外加劑等，其中外加劑有減水劑、增稠劑及消泡劑幾種類型[3-4]。水泥乳化瀝青碎石各成分含量如表5 所示，水泥劑量為基準1，水泥與乳化瀝青總體含量為6%。

表4 ATB-25、AC-25 瀝青混合料和水泥穩(wěn)定碎石的礦料級配 /%

表5 水泥乳化瀝青碎石的配比 /%

3 試件成型

根據(jù)最新實施的《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》《公路工程無機結(jié)合料試驗規(guī)程》，先后制備ATB-25、AC-25、水穩(wěn)碎石、水泥乳化瀝青碎石等各種材料的車轍板試件，其具體規(guī)格為30 cm×30 cm×5 cm。

因水穩(wěn)類材料齡期達到28 d 后其強度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此該試驗在水穩(wěn)碎石試件及水泥乳化瀝青碎石試件齡期達到28 d 后，再將試件裁剪成規(guī)格為30 cm×7 cm×5 cm 的梁式構(gòu)件。

4 試驗方案

在溫度為25 ℃環(huán)境中，采用電液伺服疲勞機對梁式構(gòu)件實施靜載試驗和動載疲勞試驗。

4.1 靜載試驗

為保證梁式構(gòu)件固定牢靠，避免試驗過程中出現(xiàn)滑移，最大限度確保試驗結(jié)果準確性、有效性，專業(yè)定制梁式構(gòu)件固定夾具，其標準設(shè)計圖如圖1；上部螺栓主要用于固定梁式試件，防止出現(xiàn)縱橫向移動。下部螺栓采用高強螺栓，主要作用是實現(xiàn)夾具與機器操作平臺的可靠連接；荷載作用壓頭采用直徑2 cm、長度為10 cm 的圓柱，其頂部通過螺栓與試驗設(shè)備固定在一起。在梁式構(gòu)件底面設(shè)置2 塊厚10 cm 的鋼板，并間隔1 cm 距離，用以模擬底部裂縫。

圖1 試驗夾具設(shè)計圖

對梁式構(gòu)件實施三點彎曲試驗。通過移動試驗設(shè)備，一次性破壞檢測構(gòu)件，嚴格控制試驗機移動速度，以0.833 3 cm/s 為宜[5]。設(shè)備荷載隨時間變化出現(xiàn)先增后降的變化趨勢，其峰值記作P。

4.2 動載疲勞試驗

動載疲勞試驗主要目的是通過疲勞荷載作用，對各種材料的梁式構(gòu)件實施抗裂性能檢測[6]。該試驗通過0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 五種級別的應(yīng)力標準，對各種材料構(gòu)件實施動載疲勞試驗，其加載頻率以10 Hz 為標準，等同于車速在60～65 km/h 狀態(tài)下形成的加載頻率。具體加載情況見圖2。

圖2 加載波形示意圖

疲勞試驗時，對處理合格的梁式構(gòu)件實施固定，確保牢固、可靠，并準確調(diào)整加載壓頭位置，使其位于裂縫正上方。加載波形為半正弦波，其載荷峰值為靜載試驗得到的最大破壞荷載P與應(yīng)力標準系數(shù)μ的乘積。當梁式構(gòu)件出現(xiàn)開裂時，記為初裂次數(shù)N1；當裂縫貫穿時，記為終裂次數(shù)N2。

5 試驗結(jié)果及分析

5.1 靜載試驗

根據(jù)各種材料構(gòu)件類型，將各構(gòu)件分為三組，并分別實施靜載試驗，獲得各組最大破壞荷載值，并求出均值P，具體試驗結(jié)果見表6。

表6 試件靜載試驗結(jié)果

通過表6 試驗數(shù)據(jù)能夠看出，水泥乳化瀝青碎石破壞荷載最大，水穩(wěn)碎石次之，ATB-25 型瀝青混合料最??；水穩(wěn)碎石類基層材料抗變形能力顯著高于瀝青類材料。

5.2 動載疲勞試驗

以靜載試驗得出的各種材料最大破壞荷載P與應(yīng)力水平系數(shù)μ的乘積作為半正弦波形最大荷載，并依次實施動載試驗。各組取5 件梁式構(gòu)件，分別得出各種材料構(gòu)件出現(xiàn)疲勞裂縫的平均初裂與終裂次數(shù)N1、N2，其具體結(jié)果如表7 所示。

表7 試件動載疲勞試驗結(jié)果

對動載疲勞試驗得出的各種材料構(gòu)件試驗結(jié)果進行整合，依次獲得各材料N1和N2與應(yīng)力水平μ之間的關(guān)系曲線，具體如圖3 所示。

通過圖3 能夠看出：

圖3 4 種材料N1、N2 隨μ的變化關(guān)系

（1）在相同荷載作用條件下，AC-25 型瀝青混合料構(gòu)件初裂與終裂次數(shù)最大，ATB-25 型瀝青混合料次之，水穩(wěn)碎石試件最小。

（2）通過初裂、終裂次數(shù)變化關(guān)系曲線能夠看出，AC-25、ATB-25 構(gòu)件在荷載作用下出現(xiàn)初裂后，經(jīng)多次加載波形其裂縫逐漸貫穿整個梁式構(gòu)件，持續(xù)時間較長，而水泥乳化瀝青穩(wěn)定碎石及水穩(wěn)碎石梁式構(gòu)件初裂產(chǎn)生后，較短時間內(nèi)裂縫便迅速貫穿整個梁式構(gòu)件，并且隨著水泥用量的增大，對構(gòu)件終裂次數(shù)影響更加明顯，裂縫發(fā)展更加迅速[7]。

（3）通過力學(xué)性能分析可知，瀝青混合料屬柔性材料，當遭受豎向荷載作用時，荷載由基層頂部逐步向底層擴散，且隨著深度的增大其荷載作用逐漸減弱，顯著降低基層底部裂縫產(chǎn)生概率，防止裂縫產(chǎn)生[8-9]。

（4）水穩(wěn)類材料屬于半剛性材料，當上部遭受荷載作用時，基層頂部與底部同步承受荷載作用，且底部荷載作用顯著高于頂部[10]。由此可知，瀝青類基層抗裂性能顯著高于水穩(wěn)碎石類。

6 結(jié)論

該文通過靜載試驗及動載疲勞試驗，分別對ATB-25型瀝青混合料、AC-25 型瀝青混合料、水穩(wěn)碎石及水泥乳化瀝青碎石4 種基層材料進行抗裂性能研究。得出如下結(jié)論：

（1）通過靜載試驗得出4 種材料最大破壞荷載關(guān)系，水泥乳化瀝青碎石破壞荷載最大，水穩(wěn)碎石次之，ATB-25 型瀝青混合料最小；水穩(wěn)碎石類基層材料抗變形能力顯著高于瀝青類材料。

（2）通過對比分析發(fā)現(xiàn)，瀝青類基層材料抗開裂性能顯著優(yōu)于水穩(wěn)碎石類，且AC-25 型瀝青混合料抗開裂性能最強，ATB-25 型瀝青材料次之。

（3）通過初裂、終裂次數(shù)變化情況分析可知，水泥用量對瀝青類材料終裂次數(shù)影響較小，對碎石類材料影響較大，且隨著水泥用量的增大，碎石類構(gòu)件終裂次數(shù)顯著增大，裂縫發(fā)展明顯加快。