重交通條件下白加黑路面粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料設(shè)計(jì)及其性能研究

羅雪平,陳楚鵬

(廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420)

0 引言

在“白加黑”工藝處治后的瀝青路面中,車輛荷載的反復(fù)作用下,其原有舊水泥路面接縫或橫縫處的瀝青層底部易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,進(jìn)而引發(fā)反射裂縫。此外,在平交路口處,由于車輛慢速、加減速現(xiàn)象頻繁,會(huì)不同程度地增大車輛荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向剪應(yīng)力及層間剪切應(yīng)力,特別是在重載狀態(tài)下,這種作用將進(jìn)一步放大,導(dǎo)致路面出現(xiàn)車轍病害,從而縮短路面的使用壽命。

針對(duì)此類路面病害的處治已有許多研究。Hao Liang[1]應(yīng)用切鋸橫縫及灌注封漿技術(shù)處治路面反射裂縫。周富杰等[2]通過室內(nèi)試驗(yàn)和相關(guān)理論計(jì)算分析得出,適當(dāng)增加瀝青加鋪層厚度可提高路面抗車轍能力及抗裂能力。郭紅兵[3]提出采用開級(jí)配大粒徑瀝青碎石混合料作為裂縫緩解層,并通過有限元模型分析及實(shí)際工程應(yīng)用情況驗(yàn)證其防裂效果。周志剛等[4]通過試驗(yàn)分析及有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn),在舊水泥路面與瀝青加鋪層之間鋪筑土工合成材料夾層能有效緩解瀝青層底部裂縫尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象,延緩反射裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。葉平[5]設(shè)計(jì)了粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料,并基于鋪筑試驗(yàn)段,驗(yàn)證了該混合料在處治瀝青路面反射裂縫的優(yōu)良效果。

在舊水泥路面與瀝青加鋪層之間鋪設(shè)應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層可起到抗開裂和抗車轍的作用,同時(shí)具有防水、防裂、抗疲勞等多重功能,是目前最常用、最有效的處治措施。然而,隨著現(xiàn)代交通量的不斷增大,重載超載現(xiàn)象頻繁發(fā)生,對(duì)應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層材料的性能提出了更高的要求。目前常用的粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層類型單一,未考慮不同交通環(huán)境對(duì)材料性能的不同需求。

因此,針對(duì)目前應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)存在的不足之處,本研究采用三種瀝青膠結(jié)料,基于CAVF級(jí)配設(shè)計(jì)法和半圓彎曲試驗(yàn)設(shè)計(jì)不同類型的粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料,基于室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)估其性能特點(diǎn),為不同交通荷載條件下的應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層材料的選擇提供參考和依據(jù)。

1 原材料

1.1 瀝青

本研究采用三種瀝青膠結(jié)料,分別為SBS改性瀝青(殼牌改性瀝青,PG等級(jí)為PG76-22)、SH-V改性瀝青(殼牌克裂王SH-V改性瀝青)、超高黏改性瀝青(大象熱拌超薄路面專用特種改性瀝青混合膠結(jié)料)。為了表述方便,以下簡(jiǎn)稱為SBS、SH-V和超高黏,其性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均符合規(guī)范要求,如表1所示。

表1 瀝青性能檢測(cè)結(jié)果表

1.2 集料和礦粉

本研究選用的粗細(xì)集料為牛江石場(chǎng)的碎石和機(jī)制砂,巖性用于石灰石,填料為石灰?guī)r礦粉。經(jīng)檢驗(yàn),集料和礦粉均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中的質(zhì)量要求。

2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)本研究背景可知,研究設(shè)計(jì)的材料主要用于解決重載交通條件下“白加黑”路面頻繁出現(xiàn)的車轍、反射裂縫等路面病害。因此,需要針對(duì)性地設(shè)計(jì)試驗(yàn),驗(yàn)證材料的抗剪強(qiáng)度和抗裂性能。相關(guān)研究表明,半圓彎曲試驗(yàn)簡(jiǎn)便易操作,試件在加載中的受力狀態(tài)與路面結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)較為一致,用于評(píng)估混合料的抗裂性能具備相當(dāng)?shù)暮侠硇约皟?yōu)越性[6]。因此,本研究提出一種基于主骨料空隙體積填充法(CAVF)級(jí)配設(shè)計(jì)法[7]和半圓彎曲試驗(yàn)相結(jié)合的配合比設(shè)計(jì)方法。

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)——CAVF法

分別選用SBS改性瀝青、SH-V改性瀝青和超高黏改性瀝青設(shè)計(jì)三種瀝青混合料,每種混合料根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)初定五個(gè)油石比。根據(jù)混合料的路用性能及相關(guān)規(guī)范要求,本研究設(shè)計(jì)了混合料的目標(biāo)孔隙率為5%,礦粉用量為5%。根據(jù)CVAF法計(jì)算不同油石比對(duì)應(yīng)的粗細(xì)集料用量,得到了三種瀝青混合料各油石比對(duì)應(yīng)的合成級(jí)配,共計(jì)15種,如表2所示。

表2 不同類型混合料各油石比下的具體級(jí)配組成表

由表2可以看出,隨著油石比的增大,粗集料用量逐漸增多,細(xì)集料逐漸減少,符合CAVF法的設(shè)計(jì)理念。粗集料主要擔(dān)任骨架作用,而瀝青、細(xì)集料和礦粉作為填充料填充骨架空隙,形成密實(shí)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

2.2 最佳油石比確定——半圓彎曲試驗(yàn)

在低溫條件下,對(duì)15種混合料進(jìn)行半圓彎曲試驗(yàn),得到試件破壞時(shí)的最大荷載和位移,進(jìn)一步計(jì)算得斷裂能(計(jì)算加載試驗(yàn)時(shí)的力—位移曲線最高點(diǎn)以下的面積)。斷裂能由破壞時(shí)的最大荷載和最大位移所決定,而斷裂能越大,反映瀝青混合料的抗裂能力越強(qiáng)[8]。根據(jù)相關(guān)研究表明,在低溫條件下,各混合料表現(xiàn)出極強(qiáng)的冷脆性,通常變形能力的變化幅度較小,此時(shí)其斷裂能主要由破壞時(shí)的最大荷載所決定。因此,為簡(jiǎn)化試驗(yàn),本研究在確定各混合料的最佳油石比時(shí),主要考慮其最大荷載的影響。通過擬合得到各混合料最大荷載與油石比的關(guān)系曲線,取曲線中最大荷載對(duì)應(yīng)的油石比為各混合料的最佳油石比。擬合各混合料最大荷載與油石比的關(guān)系曲線如圖1～3所示。

圖1 SBS型混合料擬合曲線圖

圖2 SH-V型混合料擬合曲線圖

圖3 超高黏型混合料擬合曲線圖

從混合料最大荷載與油石比擬合曲線可知,各擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均>0.9,表明擬合結(jié)果較好。其中SBS型、SH-V型及超高黏型混合料破壞時(shí)最大荷載分別為5.2%、5.5%及6.0%。因此,取以上油石比為各混合料設(shè)計(jì)的最佳油石比。

2.3 最佳配合比確定

基于前文得出的各混合料的最佳油石比,在各材料參數(shù)均不變的情況下,運(yùn)用CAVF法再次計(jì)算各混合料的最佳油石比下粗細(xì)集料用量,根據(jù)粗細(xì)集料級(jí)配組成,可以得出各混合料的最佳配合比組成,如表3所示。

表3 不同瀝青類型混合料的最佳配合比組成表

按表3確定的最佳配合比組成制備三種粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料并進(jìn)行半圓彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

由圖4半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果可知,在低溫條件下,三種混合料破壞時(shí)最大荷載約為10 MPa,從大到小依次為SBS型、SH-V型和超高黏型。三種混合料的斷裂能均超過20 000 N·mm,滿足材料在重交通條件下所需的強(qiáng)度和抗裂能力。其中,超高黏型混合料的斷裂能最大,說明其在荷載作用過程中可吸收的能量最多,在三種粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料中抗裂能力最好。

3 材料性能研究分析

為研究混合料性能,開展了馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)。基于試驗(yàn)結(jié)果,分析了不同混合料的抗車轍和抗裂性能特點(diǎn)。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)

三種瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

從馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可知,三種混合料的穩(wěn)定度及流值均滿足規(guī)范要求的各地區(qū)馬歇爾穩(wěn)定度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(>8 kN)和流值技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)15～40(0.1 mm)。其中,SH-V型的粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料的穩(wěn)定度最大,為11.90 kN,且流值最小,為25.5(0.1 mm);超高黏型的粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料的穩(wěn)定度最小,為9.6 KN,流值最大,為30.1(0.1 mm);SBS型的粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料的穩(wěn)定度及流值與SH-V型的相差不大。綜上所述,三種粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料中SH-V型的高溫穩(wěn)定性能較好,在高溫下更能保證行車的安全性和舒適性。

3.2 車轍試驗(yàn)

三種瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 車轍試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

由圖6車轍試驗(yàn)結(jié)果可知,三種混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均>4 000 次/mm,滿足規(guī)范要求的各地區(qū)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(>2 800 次/mm)。相比較而言,SH-V型的粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料的動(dòng)穩(wěn)定度次數(shù)最大,為6 363 次/mm,遠(yuǎn)大于SBS型和超高黏型的,表明SH-V型的粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料在高溫下?lián)碛休^好的穩(wěn)定性,能夠抵抗較大的車轍變形。

3.3 小梁彎曲試驗(yàn)

三種瀝青混合料的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比柱狀圖

由圖7試驗(yàn)結(jié)果可知,三種混合料的抗彎拉強(qiáng)度均超過10 MPa,且從大到小依次為SBS型、SH-V型和超高黏型。三種混合料破壞時(shí)梁底最大彎拉應(yīng)變約為2 000με,能夠滿足在車輛荷載及溫度周期性變化的耦合作用下所需的材料強(qiáng)度及應(yīng)變要求。其中,超高黏型混合料破壞時(shí)梁底彎拉應(yīng)變最大,達(dá)2 113.4με,說明該混合料具有良好的抗裂性能。在荷載作用下,其可以通過自身優(yōu)良的變形能力,吸收和消散舊水泥板裂縫處瀝青面層底部的應(yīng)力,從而延緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

4 結(jié)語

本研究采用三種瀝青膠結(jié)料,基于CAVF級(jí)配設(shè)計(jì)法與半圓彎曲試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)三種粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì);采用馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)探究各混合料的性能特點(diǎn),以滿足不同重載交通條件下的路面性能需求,得出以下結(jié)論:

(1)CAVF級(jí)配設(shè)計(jì)法與半圓彎曲試驗(yàn)相結(jié)合的配合比設(shè)計(jì)方法可用于粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料配合比設(shè)計(jì),混合料具有較高的強(qiáng)度及抗裂性能。

(2)馬歇爾試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果表明,SH-V型粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料在高溫下的抗車轍能力最為突出;超高黏型粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料擁有更好的抗裂能力。

(3)重載交通條件易出現(xiàn)車轍病害路段,宜優(yōu)選SH-V型粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層混合料;易出現(xiàn)反射裂縫路段,宜選用超高黏型粗粒式應(yīng)力吸收結(jié)構(gòu)層瀝青混合料。