大粒徑瀝青碎石基層抗裂性研究

魏剛強(qiáng)，周　輝，謝　康

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009)

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大粒徑瀝青碎石基層抗裂性研究

魏剛強(qiáng)，周輝，謝康

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009)

摘要：我國(guó)早期修建的高速公路已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)各種病害。其中最為嚴(yán)重的是裂縫問(wèn)題，且路面裂縫又同基層裂縫密切相關(guān)。文章在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)不同膠結(jié)材料的大粒徑瀝青碎石進(jìn)行對(duì)比分析，研究其抗裂性能。這對(duì)于解決半剛性基層瀝青路面開(kāi)裂、提高高速公路的服務(wù)水平、改善高速公路改擴(kuò)建方案設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：大粒徑瀝青碎石；抗裂性能；小梁低溫彎曲試驗(yàn)；橡膠瀝青；SBS改性瀝青；普通瀝青；玄武巖纖維

0引言

隨著高速公路通車(chē)年限的增加，早期修建的高速公路已陸續(xù)出現(xiàn)各種病害，而其中最為嚴(yán)重的是裂縫問(wèn)題，且路面裂縫又同基層裂縫密切相關(guān)。對(duì)于基層裂縫的治理，目前應(yīng)用效果比較好的方案是銑刨瀝青面層及原水泥穩(wěn)定碎石上基層，重新鋪筑瀝青碎石基層(或冷再生基層)及瀝青面層。由大粒徑瀝青碎石基層代替水泥穩(wěn)定碎石基層。此時(shí)的基層結(jié)構(gòu)由瀝青碎石上基層、原水泥穩(wěn)定下基層組成，形成組合基層結(jié)構(gòu)。

組合基層在結(jié)構(gòu)及受力特性方面不同于半剛性基層瀝青路面，其主要特點(diǎn)是抗裂性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)的半剛性基層結(jié)構(gòu)。

對(duì)于路面養(yǎng)護(hù)工程，維修后的路面結(jié)構(gòu)通常仍舊是帶裂縫結(jié)構(gòu)(下基層或以下結(jié)構(gòu)層帶裂縫)，此時(shí)路面面層及大粒徑瀝青碎石層承受的拉應(yīng)力會(huì)增大。因此，對(duì)于養(yǎng)護(hù)工程，對(duì)大粒徑瀝青碎石的抗裂性能提出了更高的要求。而橡膠瀝青的特性之一就是可以提高瀝青混合料的低溫抗裂性能，因此，依托高速公路養(yǎng)護(hù)工程，研究橡膠瀝青大粒徑瀝青碎石基層材料的路用性能具有重要意義。

大粒徑瀝青混合料又稱(chēng)大粒徑透水性瀝青混合料[1-2](Large Stone Porous asphalt Mixes，簡(jiǎn)稱(chēng)LAPM)是指混合料最大公稱(chēng)粒徑大于26.5 mm，具有一定孔隙率(13%～18%)能夠?qū)⑺肿杂膳懦雎访娼Y(jié)構(gòu)的瀝青混合料，通常應(yīng)用在路面結(jié)構(gòu)的基層。大粒徑瀝青碎石不同于路面中經(jīng)常使用的懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)混合料，它是通過(guò)增大混合料的粒徑和粗集料骨架之間的內(nèi)摩阻力來(lái)提高瀝青路面的承載力，也被稱(chēng)為開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青混合料。其特點(diǎn)概括為：瀝青膜有效厚度大，顆粒尺寸大，路面壽命長(zhǎng)，瀝青用量少，造價(jià)低，粗集料的含量高，粗集料接觸程度高和主骨架穩(wěn)定性高[3]。

1大粒徑瀝青碎石配合比設(shè)計(jì)

1.1原材料試驗(yàn)

試驗(yàn)選用的粗集料為1#(20～30 mm)、2#(10～20 mm)、3#(5～10 mm)、4#(3～5 mm)；細(xì)集料為5#(0～3 mm)；瀝青選用橡膠瀝青、SBS改性瀝青和AH-70號(hào)普通瀝青；礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)所得，其表觀密度為2.765 g/cm3。粗集料技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，符合規(guī)范要求[4]。

表1　粗集料技術(shù)指標(biāo)

1.2配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中所用的集料公稱(chēng)最大粒徑為31.5，因此選用LAPM-30型大粒徑瀝青混合料，參照大粒徑瀝青混合料級(jí)配范圍[5]，進(jìn)行礦料配比設(shè)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2所列。

表2　礦料配合比設(shè)計(jì)

確定礦料配合比為1#∶2#∶3#∶4#∶5#∶礦粉=39∶27∶12∶8∶12∶2。

1.3最佳瀝青用量

在確定的礦料級(jí)配的基礎(chǔ)上，通過(guò)瀝青膜厚度、肯塔堡飛散試驗(yàn)、謝倫堡析漏試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)分別確定橡膠瀝青、SBS改性瀝青、AH-70號(hào)普通瀝青最佳瀝青[6]，結(jié)果見(jiàn)表3所列。

表3　最佳瀝青用量

2大粒徑瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)

采用小梁低溫彎曲試驗(yàn)[7]來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能。首先輪碾成型300 mm×300 mm×80 mm(長(zhǎng)×寬×高)的車(chē)轍板試樣，然后按規(guī)定的方向?qū)④?chē)轍板切割成300 mm×寬60 mm×高80 mm(長(zhǎng)×寬×高)的小梁試件。試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載，加載模式為位移控制。試驗(yàn)參數(shù)：輥輪Φ10 mm，跨徑200 mm，試驗(yàn)溫度-10 ℃，加載速率50 mm/min。試驗(yàn)前，將小梁試件置于-10 ℃的低溫恒溫環(huán)境箱中3 h以上。

小梁低溫彎曲試驗(yàn)常規(guī)的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別是抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量，抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變?cè)酱蟊砻鞯蜏乜沽研阅茉胶谩?/p>

(1)

由積分式可知，小梁低溫破壞時(shí)的臨界應(yīng)變能密度即為應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)圖上應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)曲線(xiàn)下方所圍區(qū)域面積。由于無(wú)法獲取小梁的應(yīng)力和應(yīng)變，本文通過(guò)試驗(yàn)采集的荷載和跨中撓度數(shù)據(jù)，繪制荷載與跨中撓度曲線(xiàn)圖，并計(jì)算荷載與跨中撓度曲線(xiàn)圖中荷載達(dá)到峰值時(shí)曲線(xiàn)下方所圍區(qū)域面積來(lái)表征臨界應(yīng)變能密度。區(qū)域面積越大，材料破壞時(shí)的臨界應(yīng)變能密度越大，發(fā)生破壞時(shí)所需能量越大，其低溫抗裂性能也就越好。

2.1不同膠結(jié)料的小梁低溫彎曲試驗(yàn)

分別采用橡膠瀝青、SBS改性瀝青、AH-70號(hào)普通瀝青作為膠結(jié)材料，按照確定的級(jí)配以及最佳瀝青用量，碾壓成型開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青混合料車(chē)轍板。脫模后切割成小梁試件，進(jìn)行小梁低溫彎曲試驗(yàn)。研究膠結(jié)材料對(duì)開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青混合料抗裂系能的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4所列。

表4　不同膠結(jié)材料的開(kāi)級(jí)配混合料評(píng)價(jià)指標(biāo)

小梁試件的抗彎拉強(qiáng)度大小依次為SBS改性瀝青>普通瀝青>橡膠瀝青，應(yīng)變能密度依次是SBS改性瀝青>普通瀝青>橡膠瀝青。綜合各個(gè)指標(biāo)表明橡膠瀝清LAPM的抗裂性能比普通瀝青和給性瀝青都要差，其中改性瀝青的低溫抗裂性能最好。

2.2不同級(jí)配的小梁低溫彎曲試驗(yàn)

重新設(shè)計(jì)密集配大粒徑瀝青混合料(孔隙率為5%～6%)，與前文確定的開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比，研究級(jí)配對(duì)大粒徑瀝青混合料的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5所列。

表5　不同膠結(jié)材料的密級(jí)配混合料評(píng)價(jià)指標(biāo)

密集配大粒徑瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度方面，橡膠瀝青和改性瀝青要明顯大于普通瀝青。橡膠瀝青混合料抗彎拉應(yīng)變明顯好于改性瀝青和普通瀝青。應(yīng)變能密度大小依次為橡膠瀝青>改性瀝青>普通瀝青，橡膠瀝青應(yīng)變能密度比普通瀝青提高了85.38%。綜合各四個(gè)指標(biāo)表明密集配大粒徑瀝青混合料的抗裂性能橡膠瀝青最好，改性瀝青次之，普通瀝青最差。

通過(guò)表3和表4對(duì)比發(fā)現(xiàn)：密集配大粒徑瀝青混合料的抗裂性能相對(duì)開(kāi)級(jí)配提高了很多，但是不同的膠結(jié)材料對(duì)抗裂性能的提高有所不同。橡膠瀝青最好，改性瀝青次之，普通瀝青最小。

2.3添加纖維的小梁低溫彎曲試驗(yàn)

在開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青混合料的基礎(chǔ)上加入玄武巖纖維，纖維的添加量為2‰[8-9]。對(duì)比加入纖維前后對(duì)大粒徑瀝青混合料抗裂性的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6所列。

表6　開(kāi)級(jí)配混合料添加纖維前后的評(píng)價(jià)指標(biāo)

添加玄武巖纖維之后試件的抗彎拉強(qiáng)度和應(yīng)變能指標(biāo)SBS改性瀝青要明顯好于橡膠瀝青。

由表4和表6對(duì)比發(fā)現(xiàn)：橡膠瀝青大粒徑瀝青碎石在加入玄武巖纖維之最大彎拉應(yīng)變和應(yīng)變能密度都有了很大的提高，尤其是抗彎拉強(qiáng)度提高了118.97%。而改性瀝青在加入了玄武巖纖維之后最大彎拉應(yīng)變和應(yīng)變能密度也有所提高，但是提高的幅度比橡膠瀝青要小很多。通過(guò)綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)加入纖維對(duì)大粒徑瀝青混合料低溫抗裂性能有明顯的改善作用，其中應(yīng)用在橡膠瀝青混合料中的改善效果要明顯好于SBS改性瀝青。

3結(jié)束語(yǔ)

(1) 密集配大粒徑瀝青混合料比開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

(2) 開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青碎石，SBS改性瀝青混合料的抗裂性能最好，普通瀝青次之，橡膠瀝青最差。

(3) 密集配大粒徑瀝青碎石，橡膠瀝青混合料抗裂性能最好，SBS改性瀝青次之，普通瀝青最差。

(4) 密集配大粒徑瀝青混合料與開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青碎石相比，就應(yīng)變能密度指標(biāo)，橡膠瀝青混合料的抗裂性能提高了251.31%，SBS改性瀝青提高了60%，普通瀝青提高了56.96%。因此密集配大粒徑瀝青混合料的抗裂性能相對(duì)開(kāi)級(jí)配提高了很多，但是不同的膠結(jié)材料對(duì)抗裂性能的提高有所不同。橡膠瀝青最好，改性瀝青次之，普通瀝青最小。

(5) 在開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青混合中添加2‰的玄武巖纖維可以明顯提高混合料的抗裂性能。不同的膠結(jié)材料的提高幅度是不同的，橡膠瀝青混合料的抗裂性能提高了118.97%，SBS改性瀝青提高了23.43%。

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收稿日期：2016-03-25；修改日期：2016-03-28

作者簡(jiǎn)介：魏剛強(qiáng)(1988-)，男，安徽碭山人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.214

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5781(2016)02-0227-03