橡膠瀝青碎石封層路用性能評(píng)價(jià)

伊美君

(松溪縣交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站，松溪 353500)

大量的研究和工程實(shí)踐[1-3]已然證實(shí)瀝青路面中面層與基層間的結(jié)合質(zhì)量是影響瀝青路面使用壽命的重要因素之一，若兩者之間結(jié)合質(zhì)量不好，通車(chē)后易發(fā)生層間剪切滑移，產(chǎn)生推擠裂紋，在荷載及雨水的作用下，路面早期破壞頻發(fā)。同時(shí)由于水泥材料的特性，半剛性基層極易產(chǎn)生溫縮和干縮裂縫， 在車(chē)輛荷載和環(huán)境溫度的耦合作用下，裂縫將不斷向?yàn)r青層擴(kuò)展，反射到路面形成反射裂縫，大大縮減了路面的使用壽命[4-5]。 因此，為了使路面多層組合體系具有良好的結(jié)構(gòu)承載能力和耐久性， 針對(duì)瀝青路面面層與基層層間處置新材料新技術(shù)的研究近年來(lái)一直是瀝青路面領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。

橡膠瀝青碎石封層作為一種性能優(yōu)異瀝青路面功能層，可起到防水粘結(jié)、應(yīng)力消減、以及延緩路面裂縫反射的作用[6]，近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)多項(xiàng)高速公路工程中鋪筑了橡膠瀝青碎石封層的試驗(yàn)路段， 可以說(shuō)其表現(xiàn)出了較大的應(yīng)用前景。 然而，目前針對(duì)于這一新型功能層，關(guān)于材料設(shè)計(jì)、 功能評(píng)價(jià)等方面還沒(méi)有具體標(biāo)準(zhǔn)和和統(tǒng)一的試驗(yàn)方法， 本文將從抗剪性能和抗反射裂縫性能對(duì)其主要功能進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)價(jià)， 以其為后續(xù)福建省橡膠瀝青碎石封層推廣應(yīng)用奠定試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料與試件制備

為模擬含橡膠瀝青碎石封層的路面結(jié)構(gòu)形式， 采用“水泥混凝板(厚5cm)+橡膠瀝青碎石封層+瀝青層(厚5cm)”的組合形式制備試件。水泥板采用秦嶺牌425 號(hào)普通硅酸鹽水泥，其物理力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。所用粗骨料為石灰?guī)r，砂子為機(jī)制砂，設(shè)計(jì)得到水泥混凝土配合比如表2 所示。

瀝青混合料的所用瀝青為殼牌70#基質(zhì)瀝青，礦料為石灰?guī)r，礦料級(jí)配分別按規(guī)范[7]AC-16 型推薦中值設(shè)計(jì)，按馬歇爾法確定最佳油石比分別為4.9%，空隙率為4.5%。 殼牌70#基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青技術(shù)性能分別如表3 所示。

表1 水泥技術(shù)性能

表2 水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)

表3 殼牌70# 瀝青、橡膠瀝青技術(shù)性能

1.2 測(cè)試方法

為評(píng)價(jià)橡膠瀝青碎石封層的抗剪性能， 在25℃恒溫環(huán)境箱中使用MTS 液壓伺服試驗(yàn)機(jī)按位移控制模式(50mm/min)對(duì)試件(長(zhǎng)寬高均為10cm 的正方體)進(jìn)行斜剪試驗(yàn)。 原理如圖1 所示，測(cè)試裝置主要由加載板、承載板及滾軸組成，在豎向載荷作用下，上下兩塊加載板在水平方向產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，由滾軸提供滑動(dòng)的邊界條件，加載板的相對(duì)滑動(dòng)會(huì)在粘結(jié)層處產(chǎn)生剪切應(yīng)力為[8]：

式(1)中，F(xiàn) 為試驗(yàn)過(guò)程記錄的峰值荷載(N)，A 為試件防水粘結(jié)層面積(mm2)； 為剪切角度45°。

圖1 斜向剪切試驗(yàn)原理

為評(píng)價(jià)橡膠瀝青碎石封層的抗反射裂縫性能， 依托于MTS 液壓伺服試驗(yàn)進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和應(yīng)力控制疲勞試驗(yàn)， 原理如圖2 所示。 兩種試驗(yàn)方法的溫度均為25℃。 單調(diào)加載彎曲試驗(yàn)的加載頻率為50mm/min，得到彎拉強(qiáng)度σm評(píng)價(jià)橡膠瀝青碎石封層的抗裂性能，其計(jì)算方法按式(2)進(jìn)行計(jì)算。疲勞試驗(yàn)采用0.1σm和0.3σm兩種應(yīng)力水平(分別代表低應(yīng)力和高應(yīng)力)，采用正弦波形荷載進(jìn)行加載，波峰為設(shè)定應(yīng)力水平，波谷為10N，加載頻率設(shè)定為10Hz。所用試件幾何尺寸：總長(zhǎng)250mm，寬50mm，高100mm，小梁由上下兩層復(fù)合而成，下層是水泥混凝土板(高50mm)，中間鋸縫的寬度是2mm，以模擬舊水泥混凝土路面的反射裂縫，中間層是橡膠瀝青碎石封層，上層采用AC-16 瀝青混合料。

式(2)中，σm為彎拉強(qiáng)度，Kt為應(yīng)力集中系數(shù)；F 為破壞時(shí)刻荷載，L 為復(fù)合梁跨徑200mm，B 為復(fù)合梁寬度50mm，h 為復(fù)合梁瀝青層高度50mm。

圖2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)原理

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗剪切性能評(píng)價(jià)

優(yōu)選橡膠瀝青用量范圍為0.9～1.8 kg/m2， 碎石灑布量范圍為9～12m3/1000m2，進(jìn)行全面試驗(yàn)(共16 組)，試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 斜剪試驗(yàn)結(jié)果

由表4 可知，橡膠瀝青用量及碎石用量處于不同水平組合時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果有明顯差異，說(shuō)明了斜剪試驗(yàn)具有良好的區(qū)分作用，可用于評(píng)價(jià)橡膠瀝青封層的抗剪性能，同時(shí)7# 試驗(yàn)組的抗剪強(qiáng)度最高， 說(shuō)明最優(yōu)的組合為1.2kg/m2橡膠瀝青用量和11m3/1000m2的碎石灑布量。 抗剪強(qiáng)度結(jié)果對(duì)橡膠瀝青用量及碎石用量有明顯的依賴性在于其層間破壞的機(jī)理， 試件受層間剪切應(yīng)力的作用而發(fā)生失穩(wěn)性破壞，可采用摩爾一庫(kù)侖理論進(jìn)行分析。 根據(jù)摩爾-庫(kù)侖理論，認(rèn)為材料的剪切強(qiáng)度特性符合公式(3)，即路面結(jié)構(gòu)層間的抗剪強(qiáng)度主要由兩部分組成： 一部分是摩擦力σtanφ，主要來(lái)源于碎石顆粒之間的摩擦與嵌擠作用；另一部分是粘結(jié)力C，與法向應(yīng)力σ 無(wú)關(guān)，主要來(lái)自于層間材料橡膠瀝青本身的粘結(jié)力以及瀝青與碎石之間的粘結(jié)力。

式(3)中：τ為路面結(jié)構(gòu)層間抗剪強(qiáng)度，C 為材料的粘聚力，MPa；σ 為外荷載產(chǎn)生的正應(yīng)力，φ 為粘層結(jié)構(gòu)的內(nèi)摩擦角。

2.2 抗反射裂縫性能評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)橡膠瀝青碎石封層的抗反射裂縫作用， 分別對(duì)含優(yōu)化后橡膠瀝青碎石封層的復(fù)合梁(1.2kg/m2橡膠瀝青用量和11m3/1000m2的碎石灑布量)和普通復(fù)合梁(層間以基質(zhì)瀝青粘結(jié)) 進(jìn)行單調(diào)加載的彎曲試驗(yàn)和疲勞加載的彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如表5 和6 所示。

由表5 可知，相比于普通復(fù)合梁，含橡膠瀝青碎石封層的復(fù)合梁的抗拉強(qiáng)度有所提高， 但提升幅度為4%，并不明顯， 這說(shuō)明極限破壞模式下橡膠瀝青碎石封層的抗裂性能提升作用并不顯著。 路面中實(shí)際破壞模式通常是荷載反復(fù)作用下結(jié)構(gòu)與材料的疲勞破壞， 所以進(jìn)一步對(duì)表6 中結(jié)果進(jìn)行比較， 可以看出兩種復(fù)合梁在低應(yīng)力水平下其疲勞加載次數(shù)更高，對(duì)于普通復(fù)合梁，應(yīng)力水平降低后，試件的承載次數(shù)提高了13.5 倍，同樣對(duì)于含橡膠瀝青碎石封層的復(fù)合梁， 試件的承載次數(shù)提高了18.7倍，這也解釋了公路限載的重要性。另外在相同應(yīng)力水平下， 含橡膠瀝青碎石封層的復(fù)合梁的承受荷載次數(shù)明顯高于普通復(fù)合梁， 在低應(yīng)力水平下， 提升幅度達(dá)到84.8%，在高應(yīng)力水平下提升幅度達(dá)到35.5%，說(shuō)明設(shè)置橡膠瀝青碎石封層將顯著提升路面結(jié)構(gòu)的抗反射裂縫性能。

表5 復(fù)合梁抗拉強(qiáng)度結(jié)果

表6 復(fù)合梁疲勞作用次數(shù)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)斜剪試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)了橡膠瀝青碎石封層的抗剪性能和抗反射裂縫性能，得出以下結(jié)論：

(1)橡膠瀝青用量和碎石灑布量均會(huì)影響橡膠瀝青碎石封層的抗剪性能，為獲得最優(yōu)抗剪性能，推薦采用1.2kg/m2橡膠瀝青用量和11m3/1000m2的碎石灑布量的組合。

(2)相比于普通復(fù)合梁，含橡膠瀝青碎石封層復(fù)合梁抗拉強(qiáng)度提升不多，但疲勞承載次數(shù)大幅提高，表明橡膠瀝青碎石封層對(duì)于提升路面抗反射裂縫性能大有裨益。