瀝青穩(wěn)定碎石基層厚度對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響研究＊

楊大田 楊錫武

（重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院 重慶 400074）

0 引 言

瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層［1］與半剛性基層相比，不易產(chǎn)生收縮開(kāi)裂和水損害；作應(yīng)力消散層，可以有效地減少路面應(yīng)力集中現(xiàn)象，延緩路面放射裂縫的產(chǎn)生；與面層材料結(jié)構(gòu)相似，可以與瀝青混凝土面層粘結(jié)牢固，且模量接近，路面結(jié)構(gòu)的受力、變形更為協(xié)調(diào).瀝青穩(wěn)定碎石基層具有修筑時(shí)間短、路面結(jié)構(gòu)均勻、受水與冰凍影響較小、維修費(fèi)用較低、路面材料能全部被重復(fù)利用和使用壽命延長(zhǎng)等特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展和應(yīng)用前景.

《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)劃》［2］（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）規(guī)定瀝青混凝土單層壓實(shí)厚度不得大于100 mm，ATB－25單層攤鋪壓實(shí)最小厚度為70mm，ATB－30單層攤鋪壓實(shí)最小厚度為90mm，從國(guó)內(nèi)外來(lái)看，瀝青穩(wěn)定類基層典型設(shè)計(jì)厚度一般為150mm［3］.根據(jù)《規(guī)范》，若按單層進(jìn)行施工，很難達(dá)到壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)；若按雙層施工，則又受集料最大公稱粒徑的影響，易于壓碎集料，改變混合料級(jí)配，從而改變路用性能.

李麗民［4］等用標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)儀測(cè)試了50 mm和70mm 2種厚度試件的動(dòng)穩(wěn)定度，發(fā)現(xiàn)70 mm試件的動(dòng)穩(wěn)定度比50mm試件的大.左劼［5］也采用標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)儀測(cè)試了50mm厚度試件的動(dòng)穩(wěn)定度.對(duì)于瀝青穩(wěn)定碎石基層，厚度50 mm車轍板試件不滿足《規(guī)范》規(guī)定的2～3倍公稱最大粒徑，因此，用厚度50mm的試件進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)，其結(jié)果有待進(jìn)一步論證.由于國(guó)內(nèi)車轍試驗(yàn)儀普遍采用杠桿加載，試件的標(biāo)準(zhǔn)厚度為50mm，所以只有在這種厚度情況下，測(cè)試輪與試件間的接觸壓強(qiáng)才不發(fā)生變化［6］，測(cè)得動(dòng)穩(wěn)定度才可靠.楊大田［7］等利用通用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)，對(duì)高度在80～100mm之間的瀝青穩(wěn)定碎石試件進(jìn)行單軸動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)施加的軸向荷載不受試件高度影響，成功地評(píng)價(jià)瀝青穩(wěn)定碎石高溫穩(wěn)定性能.單軸動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)是在通用材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件表面施加一個(gè)垂直壓力，這種實(shí)驗(yàn)設(shè)備不受試件厚度影響.

基于以上原因，利用單軸動(dòng)態(tài)貫入蠕變?cè)囼?yàn)方法研究瀝青穩(wěn)定碎石基層厚度對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能是可行的，它們之間相互關(guān)系對(duì)瀝青穩(wěn)定碎石基層施工十分必要，可為瀝青穩(wěn)定碎石基層施工提供技術(shù)參考，有利于瀝青穩(wěn)定碎石基層推廣應(yīng)用，同時(shí)，也采用間接拉伸疲勞試驗(yàn)分析它們之間的關(guān)系.

1 原材料及性能

粗集料采用石灰?guī)r碎石，公稱最大粒徑為31.5mm，平均密度為2.692g／cm3.細(xì)集料采用石灰?guī)r碎石，公稱最大粒徑4.75mm，平均密度為2.714g／cm3.瀝青采用70＃道路石油瀝青，針入度75（0.1mm），軟化點(diǎn)55℃，15℃延度大于100cm［8］.

礦料級(jí)配見(jiàn)表1.

表1 礦料級(jí)配

2 大型馬歇爾試驗(yàn)

根據(jù)大型馬歇爾試驗(yàn)，得到最佳油石比及其對(duì)應(yīng)的毛體積密度，見(jiàn)表2.

表2 大型馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 瀝青穩(wěn)定碎石動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)

3.1 試件成型

依據(jù)大馬歇爾試驗(yàn)所得毛體積密度與最佳油石比，分別制作ATB25，ATB30公稱最大粒徑2.0，2.5和3.0倍高度的試件（以下簡(jiǎn)稱n倍NMSA高度試件，n取2.0，2.5和3.0），并測(cè)試其毛體積密度，見(jiàn)表3和表4.

表3 瀝青穩(wěn)定碎石基層試件高度

表4 瀝青穩(wěn)定碎石基層試件毛體積密度

由表3可見(jiàn)，采用擊實(shí)法，成型各n倍NMSA高度的試件，最終實(shí)測(cè)試件高度與理論計(jì)算高度相差在3mm之內(nèi)，符合誤差要求.由表4可見(jiàn)，ATB25試件的毛體積密度比表2中的稍高；ATB30試件的毛體積密度比表2中的稍小，這可能與公稱最大粒徑和試件成型高度等因素有關(guān)，但不影響其他試驗(yàn)結(jié)果.

3.2 動(dòng)態(tài)貫入蠕變?cè)囼?yàn)

1）試驗(yàn)條件 試驗(yàn)溫度：（40±0.5）℃；加載頻率：0.5Hz；試驗(yàn)荷載：225kPa（考慮加載板重量等因素）.動(dòng)態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)加載示意圖，見(jiàn)圖1.加載板直徑100mm，因?yàn)樵嚰睆綖?50mm，所以相當(dāng)于加載板是貫入到試樣中，故名為動(dòng)態(tài)貫入蠕變?cè)囼?yàn).

圖1 動(dòng)態(tài)貫入蠕變?cè)囼?yàn)示意圖

2）試驗(yàn)結(jié)果及討論 加載3 600次后試件的動(dòng)態(tài)貫入蠕變模量為

式中：σ為施加的實(shí)際荷載，225kPa；ε3600為加載3 600次后試件的累積動(dòng)態(tài)貫入形變，10－6.計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 加載3 600次后試件的動(dòng)態(tài)貫入蠕變模量

由表5可見(jiàn)，高度為2倍NMSA，ATB25的動(dòng)態(tài)蠕變模量最大；2.5倍NMSA時(shí)，動(dòng)態(tài)蠕變模量最小；3倍NMSA時(shí)，動(dòng)態(tài)貫入蠕變模量靠中間.這充分說(shuō)明試件在高度5～8cm之內(nèi)不能獲得足夠的穩(wěn)定強(qiáng)度.

級(jí)配 ATB30在高度為2.5倍 NMSA，即78.8mm時(shí)型模量最大.可見(jiàn)粗粒式密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，并顯著影響其穩(wěn)定性的高度一般為80mm左右.

綜合表3、表4，推薦柔性基層施工時(shí)一次攤鋪壓實(shí)厚度為80mm左右.

對(duì)于ATB25，公稱最大粒徑為26.5mm，在2倍NMSA高度上最多可能有2顆26.5mm的碎石；在2.5倍NMSA高度上仍然最多可能有2顆26.5mm的碎石和1顆16mm的碎石；在3倍NMSA高度上最多可能有3顆26.5mm的碎石.在最佳瀝青用量條件下，3種高度試件的瀝青膜厚度是相同的，因而瀝青粘結(jié)集料的力是相同的，也就是來(lái)源于瀝青粘結(jié)力對(duì)集料的圍壓是相等的.因此，根據(jù)壓桿原理，試件厚度越大，試件變形越大；但從碎石嵌擠程度上來(lái)看，試件體積越大，在相同擊實(shí)功作用下（從毛體積密度來(lái)看，擊實(shí)程度幾乎相同），混合料就越多，試件越容易擊實(shí)，嵌擠程度越高，因而試件變形越小.這兩個(gè)過(guò)程彼此相互消長(zhǎng)，最終高度集中在80mm左右的試件獲得較高的動(dòng)態(tài)貫入蠕變模量.

同樣，對(duì)于ATB30，具有相似原因.

圖2 瀝青穩(wěn)定碎石間接拉伸疲勞試驗(yàn)

3.3 間接拉伸疲勞試驗(yàn)

1）試驗(yàn)條件［9］試驗(yàn)溫度：（20±0.5）℃；加載時(shí)間：100ms；荷載大小：1／3應(yīng)力比；荷載波形：半正弦波.

2）試驗(yàn)結(jié)果及討論 試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2.由圖2可知，ATB25疲勞壽命最大的為NMAS組試件的3.0倍，所得結(jié)果也與動(dòng)態(tài)蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本相同，試驗(yàn)中試件的疲勞壽命隨厚度的增大而增加，在3.0倍NMAS厚度時(shí)顯著增加變化較大，說(shuō)明影響因素不僅僅是試件厚度，混合料結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青穩(wěn)定碎石的疲勞性能有較大影響.同樣地對(duì)于ATB30具有相似規(guī)律.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)動(dòng)態(tài)貫入蠕變?cè)囼?yàn)，根據(jù)動(dòng)態(tài)貫入蠕變模量指標(biāo)，分析了瀝青穩(wěn)定碎石ATB25和ATB30兩種混合料試件成型高度和混合料結(jié)構(gòu)對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的影響.試驗(yàn)結(jié)果表明，試件在厚度80mm左右能獲得較高的動(dòng)態(tài)貫入蠕變模量.通過(guò)間接拉伸疲勞試驗(yàn)，再次證明該結(jié)論.因此，在瀝青穩(wěn)定碎石基層單層攤鋪碾壓厚度在80mm左右比較合適，即可獲得較高高溫穩(wěn)定性能，又可以防止集料被碾碎.

［1］黃開(kāi)宇.瀝青穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)的應(yīng)用技術(shù)研究［J］.公路工程，2009，34（2）：48－52.

［2］交通部公路科學(xué)研究所.JTGF40－2004公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版，2004.

［3］JASON C W.Investigation of permeable asphalt treated base in Alabama［R］.Aubum，Alabama，2007.

［4］李麗民，劉 劍，曾 革.瀝青穩(wěn)定柔性基層的抗車轍性能［J］.材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，26（4）：540－544.

［5］左 劼.兩種瀝青穩(wěn)定碎石混合料關(guān)鍵路用性能分析［J］.華東公路，2008，8（20）：74－76.

［6］交通部公路科學(xué)研究所.JTJ025－2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2000.

［7］楊大田，夏文軍，楊錫武.蠕變?cè)囼?yàn)評(píng)價(jià)瀝青穩(wěn)定碎石高溫流動(dòng)變形性能［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，27（5）：748－752.

［8］交通部公路科學(xué)研究所.JTGE42－2005公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［9］李 斌.瀝青穩(wěn)定碎石基層在高寒地區(qū)高速公路的應(yīng)用［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2007，29（9）：21－24.