大粒徑瀝青碎石柔性基層的力學(xué)性能分析

徐 偉 徐明源

(1.浙江大學(xué)交通工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.杭州市拱墅區(qū)市政園林管理所，浙江 杭州 310005)

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大粒徑瀝青碎石柔性基層的力學(xué)性能分析

徐 偉1徐明源2

(1.浙江大學(xué)交通工程研究所，浙江 杭州 310058； 2.杭州市拱墅區(qū)市政園林管理所，浙江 杭州 310005)

針對(duì)城市道路養(yǎng)護(hù)維修的現(xiàn)狀，采用馬歇爾試件，通過(guò)試驗(yàn)研究了大粒徑瀝青碎石基層的力學(xué)性能，并與傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定碎石基層作了對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果表明：大粒徑瀝青碎石基層的抗壓回彈模量與劈裂抗拉強(qiáng)度均比水泥穩(wěn)定碎石基層的高。

大粒徑瀝青碎石，抗壓回彈模量，劈裂抗拉強(qiáng)度，馬歇爾試件

近年來(lái)，隨著城市道路服務(wù)年限的增加、城市汽車(chē)保有量的增長(zhǎng)、車(chē)輛大型化的趨勢(shì)以及人們對(duì)道路服務(wù)水平要求的不斷提高，城市道路的養(yǎng)護(hù)維修成為亟需解決的一個(gè)重要問(wèn)題。施工速度快、對(duì)交通影響小是城市道路養(yǎng)護(hù)維修的基本要求，與傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層相比，大粒徑瀝青碎石柔性基層具有工藝簡(jiǎn)單、前后各工序銜接緊密、結(jié)構(gòu)層早期強(qiáng)度上升快、施工后無(wú)需養(yǎng)護(hù)方可立即開(kāi)放交通等優(yōu)點(diǎn)。大粒徑瀝青碎石混合料(Large Stone Asphalt Mixes，簡(jiǎn)稱(chēng)LSAM)是指瀝青混合料中礦料的最大公稱(chēng)粒徑為25 mm～63 mm，它起初出現(xiàn)的目的是為了應(yīng)對(duì)重載交通。本文以課題組前期研究為基礎(chǔ)，對(duì)大粒徑瀝青碎石柔性基層的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與水泥穩(wěn)定碎石基層的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度對(duì)比分析。

1 研究概況

國(guó)內(nèi)對(duì)大粒徑瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層已經(jīng)有了一部分的研究。東南大學(xué)楊群[1]從設(shè)計(jì)角度對(duì)瀝青穩(wěn)定碎石基層進(jìn)行了研究，完善了適用于我國(guó)高速公路實(shí)際情況的瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層的質(zhì)量控制指標(biāo)，提出了瀝青穩(wěn)定基層混合料的組成設(shè)計(jì)方法。長(zhǎng)安大學(xué)袁宏偉[2]通過(guò)對(duì)瀝青穩(wěn)定碎石基層材料的研究，證明了瀝青穩(wěn)定碎石路面的低溫抗裂性能優(yōu)于半剛性基層瀝青路面。東南大學(xué)的陸長(zhǎng)兵[3]通過(guò)不同級(jí)配、不同公稱(chēng)最大粒徑的車(chē)轍試驗(yàn)，表明LSAM具有良好的高溫抗永久變形性能。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

課題組前期對(duì)水泥穩(wěn)定碎石不同齡期(6 h，12 h，24 h，48 h和72 h)的抗拉回彈模量和間接抗拉強(qiáng)度已進(jìn)行過(guò)專(zhuān)題研究，本文將直接引用試驗(yàn)結(jié)果，只進(jìn)行大粒徑瀝青碎石柔性基層的試驗(yàn)，并與之對(duì)比分析。

在材料、試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)環(huán)境等選擇時(shí)力爭(zhēng)做到相同或相近，減少試驗(yàn)過(guò)程引起的誤差，增強(qiáng)試驗(yàn)的可比性。每種工況下取3個(gè)平行試件，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。

2.1 試件尺寸選擇

根據(jù)美國(guó)NCHRP和NCAT的研究成果，試件的最小尺寸不得小于集料最大公稱(chēng)粒徑的4倍(NCHRP REPORT,2000)，參照J(rèn)TG D50—2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[4]中“公稱(chēng)最大粒徑等于或大于26.5 mm的大粒徑瀝青碎石混合料宜采用大型馬歇爾試件進(jìn)行試驗(yàn)，其試件尺寸為152 mm×95.3 mm”的規(guī)格，本試驗(yàn)采用152 mm×95.3 mm的大型馬歇爾試件。

2.2 加載過(guò)程

抗壓回彈模量采用單軸壓縮試驗(yàn)(圓柱體法)測(cè)定(如圖1所示)，間接抗拉強(qiáng)度采用劈裂試驗(yàn)測(cè)定(如圖2所示)，具體試驗(yàn)步驟詳見(jiàn)JTG E20—2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[5]。

大粒徑瀝青碎石試件的抗壓回彈模量按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：P5——施加于試件的第5級(jí)荷載值(0.5P)；

P——試件壓縮實(shí)驗(yàn)極限荷載，N；

E——抗壓回彈模量，MPa；

h——試件軸心高度，mm；

d——試件直徑，mm；

ΔL5——相應(yīng)于第5級(jí)荷載時(shí)經(jīng)原點(diǎn)修正后的回彈變形。

大粒徑瀝青碎石試件的劈裂抗拉強(qiáng)度按式(2)計(jì)算：

RT=0.004 25PT/h

(2)

式中：RT——劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；

PT——試驗(yàn)荷載的最大值，N；

h——試件高度，mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗壓回彈模量分析

不同溫度(0 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，30 ℃)下大粒徑瀝青碎石試件的抗壓回彈模量如表1，圖3所示。

表1 不同溫度下大粒徑瀝青碎石抗壓回彈模量和劈裂強(qiáng)度

由表1可知，試驗(yàn)溫度為20 ℃時(shí)，大粒徑瀝青碎石的抗壓回彈模量為1 890 MPa，而水泥穩(wěn)定碎石72 h的抗壓回彈模量為1 656 MPa[6]，大粒徑瀝青碎石的抗壓回彈模量比水泥穩(wěn)定碎石大14.1%。表明大粒徑瀝青碎石柔性基層具有較好的抗壓性能，避免采用半剛性基層養(yǎng)護(hù)維修時(shí)間長(zhǎng)、早期強(qiáng)度較小等缺點(diǎn)，從而能夠在保證道路使用性能的同時(shí)提前開(kāi)放交通。

3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度分析

不同溫度(0 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，30 ℃)下大粒徑瀝青碎石試件的劈裂抗拉強(qiáng)度如表1，圖4所示。

表1顯示，試驗(yàn)溫度為15 ℃時(shí)，大粒徑瀝青碎石的劈裂抗拉強(qiáng)度為2.07 MPa，且隨著溫度的降低，抗拉強(qiáng)度大幅度提高。而水泥穩(wěn)定碎石72 h的間接抗拉強(qiáng)度為0.718 MPa[6]，大粒徑瀝青碎石的劈裂抗拉強(qiáng)度是水泥穩(wěn)定碎石劈裂抗拉強(qiáng)度的2.88倍。表明大粒徑瀝青碎石柔性基層具有較好的低溫抗裂性能，能夠在低溫條件下保持良好的路用性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用大型馬歇爾試件，通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)(圓柱體法)和劈裂試驗(yàn)分別對(duì)大粒徑瀝青碎石的抗壓回彈模量和間接抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，并與水泥穩(wěn)定碎石的力學(xué)性能對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

1)試驗(yàn)溫度為20 ℃時(shí)，大粒徑瀝青碎石的抗壓回彈模量為1 890 MPa，比水泥穩(wěn)定碎石72 h的抗壓回彈模量高出14.1%。試驗(yàn)溫度為15 ℃時(shí)，大粒徑瀝青碎石的劈裂抗拉強(qiáng)度為2.07 MPa，是水泥穩(wěn)定碎石72 h的劈裂抗拉強(qiáng)度的2.88倍。隨著溫度的降低，大粒徑瀝青碎石的力學(xué)性能更加優(yōu)越。

2)與水泥穩(wěn)定碎石基層相比，大粒徑瀝青碎石柔性基層具有優(yōu)越的力學(xué)性能，可替代傳統(tǒng)的水泥穩(wěn)定碎石基層，廣泛應(yīng)用于城市道路基層維修工程。

[1] 楊 群.高速公路瀝青穩(wěn)定基層結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法研究[D].南京:東南大學(xué),2001.

[2] 袁宏偉.瀝青穩(wěn)定碎石基層材料設(shè)計(jì)方法研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2003.

[3] 陸長(zhǎng)兵.大粒徑瀝青穩(wěn)定碎石基層性能研究[D].南京:東南大學(xué),2003.

[4] JTG D50—2006,公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] JTG E20—2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

[6] 顧 吟,方 輝,王金昌.水泥穩(wěn)定碎石基層早期力學(xué)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬分析[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2013,8(104):51-53.

The mechanical property analysis on large size asphalt gravel flexible foundation

Xu Wei1Xu Mingyuan2

(1.TrafficEngineeringResearchInstitute,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China; 2.HangzhouGongshuDistrictMunicipalGardenManagementOffice,Hangzhou310005,China)

According to the maintenance and repair current situation of urban road, this paper used the Marshall specimen, through the experimental researched the mechanical property of large size asphalt gravel foundation, and compared with traditional cement stabilized gravel foundation, the results showed that the compression modulus and resilience and splitting tensile strength of large size asphalt gravel foundation both higher than cement stabilized gravel foundation.

large size asphalt gravel, compression modulus, resilience and splitting tensile strength, Marshall specimen

1009-6825(2016)11-0149-03

2016-02-02

徐 偉(1983- )，男，工程師

U416.213

A