環形加載試驗下橡膠瀝青再生公路路面的抗裂性能檢測研究

李任瓊,李紹珍,曹云美,趙陽惠

(1.云南省公路科學技術研究院,云南 昆明 650051;2.云南省交通運輸廳 路網監測與應急指揮中心,云南 昆明 650051)

目前高速公路建設過程中,橡膠瀝青再生公路路面作為一種新的結構形式,已經開始大范圍推廣[1]。而在交通荷載不斷增加的情況下,一旦再生公路路面的施工材料出現問題,高速公路很容易在運行3～5年時出現大量裂縫,導致公路的使用壽命大大縮短[2]。提出按照不同的配比,制作不同密度的試件,通過收縮試驗和斷裂韌度試驗,了解目標材料的實際抗裂性能[3]。以材料抗裂性能檢測為核心,確定以斷裂應變容限值為主的抗裂性能評價指標,采用層次分析法為每項評價指標賦予對應權重系數,結合虛擬臨床試驗測試數據進行綜合計算,確定路面的抗裂性能[4]。

為得到更加真實的橡膠瀝青再生公路路面抗裂性能檢測結果,采用自行開發的環形加載試驗,模擬路面受力情況,通過簡單的工序完成抗裂性能檢測。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本次實驗采用橡膠粉改性瀝青作為基礎材料,模擬橡膠瀝青再生公路路面結構[6],制造試驗所需的試塊。其中,橡膠瀝青作為主材料,其性能指標檢測結果如表1所示。

表1 橡膠瀝青性能檢測結果Tab.1 Performance test results of rubber asphalt

除了橡膠瀝青外,再生公路路面的組成還包括粗集料和細集料。選用華鎣山玄武巖作為粗集料,選用干燥的石灰巖石屑作為細集料,這2種材料的檢測指標參數如表2所示。

表2 粗集料與細集料檢測指標參數Tab.2 Coarse and fine aggregate detection index parameters

應用檢測后符合要求的橡膠粉改性瀝青、粗集料和細集料,模擬橡膠瀝青再生公路路面結構,構建試驗用的材料試塊。在試塊制作過程中,為了更加貼近公路路面真實狀態,應用了體積分塊法[7],結合路面現場測試規程,測量公路路面的具體構造深度。操作時需要在目標區域將已知體積的砂鋪平為圓形,并確定此時砂層的直徑,則結合砂的體積、砂的覆蓋面積即可得出平均構造深度:

(1)

式中:λ表示橡膠瀝青再生公路路面的平均構造深度;V表示試樣材料體積;L表示平均覆蓋直徑。

根據式(1)計算結果,確定試塊厚度。考慮到橡膠瀝青再生公路路面中廢舊瀝青路面材料(RAP)的摻量,會影響路面抗裂性能,實驗材料準備階段,分別制作RAP摻量為10%、20%、30%、40%和50%的試塊,作為后續環形加載試驗的基礎,以便得到抗裂性能檢測結果。

1.2 試驗方法

研究采用自行開發的環形加載試驗,檢測橡膠瀝青再生公路路面的抗裂性能[8]。試驗過程中所應用的模具和試件如圖1所示。

圖1 環形加載模具與試件

從圖1可以明顯看出,環形加載試驗針對的試件厚度為4 cm,而試件的直徑包括8、10、15 cm 3種類型。將不同直徑的試件放入對應尺寸的模具中,進行環形加載測試。

在不同的溫度、加載速率條件下,橡膠瀝青混合材料表現出不同的動力學特性,為了確保環形加載試驗的順利進行,需要先確定合適的加載參數,保證試驗結果符合實際情況。正常情況下,環形加載試驗的溫度條件主要包括0、10與 20 ℃,而比較合適的加載速率包括10、5、1 mm/min。溫度與加載速率分別配合,營造不同的加載參數條件,而從這些加載參數中選擇最優方案,是試驗開始前的必要步驟。

首先,設置環形加載實驗的環境溫度為20 ℃,此時賦予加載設備不同的加載速率[9],形成圖2所示的荷載變形曲線。由圖2可知,直徑為8、10、15 cm的三種試件,在相同的加載參數下荷載變化趨勢基本保持一致。而同樣在20 ℃溫度環境下,加載速率與極限荷載之間,呈現出正比例增長特點,3種加載速率下試件1的極限荷載為5.5、4.3、3.1 kN,試件1與試件3的極限荷載分別為5.6、3.5、2.4 kN和6.5、3.3、2.2 kN。但在過快的加載速率下試塊內部的內部微裂紋無法擴展,此時荷載變形量不斷降低。

(a)20 ℃,10 mm/min

而后,假設環形加載試驗環境為10 ℃,此時試塊在不同加載速率下的荷載-變形情況如圖3所示。

圖3 溫度為10 ℃時不同加載速率下荷載變形曲線Fig.3 Load-deformation curves at different loading rates at 10 ℃

由圖3可知,加載速率設置為10 mm/min的情況下,傳感器無法測量出極限荷載,使得荷載變形數據不完整。考慮到橡膠瀝青再生公路路面遭受破壞時,可能會同時出現塑性變形與脆性開裂,而在較高的實驗環境下,試塊出現的破壞有很大的可能為非脆性破壞[10],不符合路面開裂實際情況。綜合來看,本次實驗選定加載實驗環境溫度為10 ℃,以獲取完整的試驗數據為目標,定義加載速率為5 mm/min。

1.3 評價指標

選定極限荷載、破壞變形、勁度指數和斷裂能4個量化指標,綜合評價得到抗裂性能檢測結果。這4個抗裂性能評價指標中,勁度指數需要按照統一的標準進行計算,其計算結果可以表示為荷載-變形曲線的切線斜率。斷裂能指標的計算,需要從初始加載時刻開始計算,直到荷載衰減為0才停止計算,從而得到準確的斷裂能。

2 試驗結果與分析

2.1 表面破壞形態分析結果

在環形加載試驗結束后,首先觀察試件的表面破壞狀態,確定橡膠瀝青再生混合料的基本性能,試件具體破壞形態如圖4所示。

圖4 環形加載試驗過程中試件破壞形態

由圖4可知,在加載處理后圓柱體試件受到外荷載影響,其內部微小裂縫會吸收加載點釋放的荷載能量,使得整個試件出現多條主裂縫,甚至會出現碎裂現象,這表明橡膠瀝青再生公路路面承受越來越大的荷載時,其抗裂性能不斷降低。

2.2 極限荷載分析結果

向橡膠瀝青材料中添加不同量的RAP,再進行環形加載試驗處理,最終得到圖5所示的試件極限荷載統計結果。

圖5 不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面極限荷載

由圖5可知,對于橡膠瀝青再生公路路面來說,混合料中RAP摻量越多,其相對應的極限荷載值越高。當RAP摻量為10、20、30、40、50%時,試件的極限荷載分別為12 、13 、14.7 、15.9與17.5 kN。這表明,橡膠瀝青再生料中RAP摻量的增加,會使得老化瀝青的比重隨之增大,表現出硬化、脆化特征,反映到再生公路路面的抗裂性能上,就是RAP摻量的增加會使得路面強度提高。

2.3 破壞變形分析結果

環形加載試驗過程中,當向試件施加的壓力超過極限荷載后,試件會出現破壞變形情況,經過調查可知,不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面破壞變形情況如圖6所示。

圖6 不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面破壞變形

由圖6可知,在不同RAP摻量條件下,橡膠瀝青再生公路路面破壞變形值分別為3.1、2.7、1.9、1.4與2.1 mm。隨著RAP摻量的增加材料變形值得到降低,但是這種下降趨勢并非單調遞減的,當RAP摻量達到50%后,路面破壞變形反而高于摻量為30%和40%時,這很大的可能是RAP摻量的提高使得公路路面混合材料的組成更加復雜,新料與舊料之間并未均勻融合,使得部分環形加壓試驗得到的破壞變形結果存在一定波動。綜合來看,橡膠瀝青再生公路路面的抗變形能力,會隨著RAP摻量的增加而下降。

2.4 斷裂能分析結果

考慮到橡膠瀝青再生混合材料在面對外部施加的能量時,可能會吸收一部分,當能量超出自身能量吸收水平后,試件會出現裂縫。因此,研究過程中運用環形加載試驗描述材料抗裂性能,對于不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面來說,其斷裂能如圖7所示。

圖7 不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面斷裂能

由圖7可知,橡膠瀝青再生材料中RAP摻量占比增大后,路面斷裂能不斷降低,當RAP摻量從10%增長至50%后,斷裂能也從65 J降至40 J。從能量角度可以看出,路面的抗裂性能會隨著RAP摻量的增加而降低。

3 討論

以橡膠瀝青再生公路路面為研究對象,為了得到準確的抗裂性能檢測結果,提出將環形加載試驗模式融入到檢測過程中,設置溫度環境和加載速率分別為10 ℃、5 mm/min,對仿照路面制作的試塊進行加載實驗研究。在進行不間斷的環形加載處理后,試件表面出現多條主裂縫甚至造成試件碎裂。同時,在橡膠瀝青再生混合料中不斷添加RAP后,試件的極限荷載與勁度指數均得以提高,破壞變形與斷裂能2項指標則不斷降低。

綜上所述,RAP摻量增加后,橡膠瀝青再生公路路面的強度、勁度指數得以提高,試件抗裂性能則不斷降低。在RAP摻量為50%的情況下,極限荷載為17.5 kN、破壞變形值為2.1 mm,勁度指數和斷裂能分別為12.4、40 J。綜合來看,此時橡膠瀝青再生公路路面的抗裂性能依舊滿足規范技術要求。

4 結語

近年來,橡膠瀝青材料在公路建設施工中得到廣泛應用,絕大部分施工人員采用工廠化生產方式讓橡膠瀝青材料與其他材料相融合,用于再生公路路面建設過程中。為了實現再生公路路面的高質量養護,應用環形加載試驗進行檢測研究,明確不同RAP摻量條件下路面的抗裂性能,為后續路面建設、路面養護工作提供指導。