重交通條件下白加黑路面粗粒式應力吸收結構層瀝青混合料設計及其性能研究

羅雪平,陳楚鵬

(廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420)

0 引言

在“白加黑”工藝處治后的瀝青路面中,車輛荷載的反復作用下,其原有舊水泥路面接縫或橫縫處的瀝青層底部易出現應力集中現象,進而引發反射裂縫。此外,在平交路口處,由于車輛慢速、加減速現象頻繁,會不同程度地增大車輛荷載對路面結構產生的豎向剪應力及層間剪切應力,特別是在重載狀態下,這種作用將進一步放大,導致路面出現車轍病害,從而縮短路面的使用壽命。

針對此類路面病害的處治已有許多研究。Hao Liang[1]應用切鋸橫縫及灌注封漿技術處治路面反射裂縫。周富杰等[2]通過室內試驗和相關理論計算分析得出,適當增加瀝青加鋪層厚度可提高路面抗車轍能力及抗裂能力。郭紅兵[3]提出采用開級配大粒徑瀝青碎石混合料作為裂縫緩解層,并通過有限元模型分析及實際工程應用情況驗證其防裂效果。周志剛等[4]通過試驗分析及有限元計算發現,在舊水泥路面與瀝青加鋪層之間鋪筑土工合成材料夾層能有效緩解瀝青層底部裂縫尖端應力集中現象,延緩反射裂縫的進一步擴展。葉平[5]設計了粗粒式應力吸收結構層混合料,并基于鋪筑試驗段,驗證了該混合料在處治瀝青路面反射裂縫的優良效果。

在舊水泥路面與瀝青加鋪層之間鋪設應力吸收結構層可起到抗開裂和抗車轍的作用,同時具有防水、防裂、抗疲勞等多重功能,是目前最常用、最有效的處治措施。然而,隨著現代交通量的不斷增大,重載超載現象頻繁發生,對應力吸收結構層材料的性能提出了更高的要求。目前常用的粗粒式應力吸收結構層類型單一,未考慮不同交通環境對材料性能的不同需求。

因此,針對目前應力吸收結構層材料設計存在的不足之處,本研究采用三種瀝青膠結料,基于CAVF級配設計法和半圓彎曲試驗設計不同類型的粗粒式應力吸收結構層混合料,基于室內試驗評估其性能特點,為不同交通荷載條件下的應力吸收結構層材料的選擇提供參考和依據。

1 原材料

1.1 瀝青

本研究采用三種瀝青膠結料,分別為SBS改性瀝青(殼牌改性瀝青,PG等級為PG76-22)、SH-V改性瀝青(殼牌克裂王SH-V改性瀝青)、超高黏改性瀝青(大象熱拌超薄路面專用特種改性瀝青混合膠結料)。為了表述方便,以下簡稱為SBS、SH-V和超高黏,其性能指標檢測結果均符合規范要求,如表1所示。

表1 瀝青性能檢測結果表

1.2 集料和礦粉

本研究選用的粗細集料為牛江石場的碎石和機制砂,巖性用于石灰石,填料為石灰巖礦粉。經檢驗,集料和礦粉均符合《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中的質量要求。

2 配合比設計

根據本研究背景可知,研究設計的材料主要用于解決重載交通條件下“白加黑”路面頻繁出現的車轍、反射裂縫等路面病害。因此,需要針對性地設計試驗,驗證材料的抗剪強度和抗裂性能。相關研究表明,半圓彎曲試驗簡便易操作,試件在加載中的受力狀態與路面結構實際受力狀態較為一致,用于評估混合料的抗裂性能具備相當的合理性及優越性[6]。因此,本研究提出一種基于主骨料空隙體積填充法(CAVF)級配設計法[7]和半圓彎曲試驗相結合的配合比設計方法。

2.1 級配設計——CAVF法

分別選用SBS改性瀝青、SH-V改性瀝青和超高黏改性瀝青設計三種瀝青混合料,每種混合料根據工程經驗初定五個油石比。根據混合料的路用性能及相關規范要求,本研究設計了混合料的目標孔隙率為5%,礦粉用量為5%。根據CVAF法計算不同油石比對應的粗細集料用量,得到了三種瀝青混合料各油石比對應的合成級配,共計15種,如表2所示。

表2 不同類型混合料各油石比下的具體級配組成表

由表2可以看出,隨著油石比的增大,粗集料用量逐漸增多,細集料逐漸減少,符合CAVF法的設計理念。粗集料主要擔任骨架作用,而瀝青、細集料和礦粉作為填充料填充骨架空隙,形成密實的空間網狀結構。

2.2 最佳油石比確定——半圓彎曲試驗

在低溫條件下,對15種混合料進行半圓彎曲試驗,得到試件破壞時的最大荷載和位移,進一步計算得斷裂能(計算加載試驗時的力—位移曲線最高點以下的面積)。斷裂能由破壞時的最大荷載和最大位移所決定,而斷裂能越大,反映瀝青混合料的抗裂能力越強[8]。根據相關研究表明,在低溫條件下,各混合料表現出極強的冷脆性,通常變形能力的變化幅度較小,此時其斷裂能主要由破壞時的最大荷載所決定。因此,為簡化試驗,本研究在確定各混合料的最佳油石比時,主要考慮其最大荷載的影響。通過擬合得到各混合料最大荷載與油石比的關系曲線,取曲線中最大荷載對應的油石比為各混合料的最佳油石比。擬合各混合料最大荷載與油石比的關系曲線如圖1～3所示。

圖1 SBS型混合料擬合曲線圖

圖2 SH-V型混合料擬合曲線圖

圖3 超高黏型混合料擬合曲線圖

從混合料最大荷載與油石比擬合曲線可知,各擬合曲線的相關系數均>0.9,表明擬合結果較好。其中SBS型、SH-V型及超高黏型混合料破壞時最大荷載分別為5.2%、5.5%及6.0%。因此,取以上油石比為各混合料設計的最佳油石比。

2.3 最佳配合比確定

基于前文得出的各混合料的最佳油石比,在各材料參數均不變的情況下,運用CAVF法再次計算各混合料的最佳油石比下粗細集料用量,根據粗細集料級配組成,可以得出各混合料的最佳配合比組成,如表3所示。

表3 不同瀝青類型混合料的最佳配合比組成表

按表3確定的最佳配合比組成制備三種粗粒式應力吸收結構層瀝青混合料并進行半圓彎曲試驗,試驗結果如圖4所示。

圖4 半圓彎曲試驗結果對比柱狀圖

由圖4半圓彎曲試驗結果可知,在低溫條件下,三種混合料破壞時最大荷載約為10 MPa,從大到小依次為SBS型、SH-V型和超高黏型。三種混合料的斷裂能均超過20 000 N·mm,滿足材料在重交通條件下所需的強度和抗裂能力。其中,超高黏型混合料的斷裂能最大,說明其在荷載作用過程中可吸收的能量最多,在三種粗粒式應力吸收結構層混合料中抗裂能力最好。

3 材料性能研究分析

為研究混合料性能,開展了馬歇爾試驗、車轍試驗和小梁彎曲試驗。基于試驗結果,分析了不同混合料的抗車轍和抗裂性能特點。

3.1 標準馬歇爾試驗

三種瀝青混合料的馬歇爾試驗結果如圖5所示。

圖5 馬歇爾試驗結果對比柱狀圖

從馬歇爾試驗結果可知,三種混合料的穩定度及流值均滿足規范要求的各地區馬歇爾穩定度技術標準(>8 kN)和流值技術標準15～40(0.1 mm)。其中,SH-V型的粗粒式應力吸收結構層混合料的穩定度最大,為11.90 kN,且流值最小,為25.5(0.1 mm);超高黏型的粗粒式應力吸收結構層混合料的穩定度最小,為9.6 KN,流值最大,為30.1(0.1 mm);SBS型的粗粒式應力吸收結構層混合料的穩定度及流值與SH-V型的相差不大。綜上所述,三種粗粒式應力吸收結構層混合料中SH-V型的高溫穩定性能較好,在高溫下更能保證行車的安全性和舒適性。

3.2 車轍試驗

三種瀝青混合料的車轍試驗結果如圖6所示。

圖6 車轍試驗結果對比柱狀圖

由圖6車轍試驗結果可知,三種混合料的動穩定度均>4 000 次/mm,滿足規范要求的各地區動穩定度技術標準(>2 800 次/mm)。相比較而言,SH-V型的粗粒式應力吸收結構層混合料的動穩定度次數最大,為6 363 次/mm,遠大于SBS型和超高黏型的,表明SH-V型的粗粒式應力吸收結構層混合料在高溫下擁有較好的穩定性,能夠抵抗較大的車轍變形。

3.3 小梁彎曲試驗

三種瀝青混合料的小梁彎曲試驗結果如圖7所示。

圖7 小梁彎曲試驗結果對比柱狀圖

由圖7試驗結果可知,三種混合料的抗彎拉強度均超過10 MPa,且從大到小依次為SBS型、SH-V型和超高黏型。三種混合料破壞時梁底最大彎拉應變約為2 000με,能夠滿足在車輛荷載及溫度周期性變化的耦合作用下所需的材料強度及應變要求。其中,超高黏型混合料破壞時梁底彎拉應變最大,達2 113.4με,說明該混合料具有良好的抗裂性能。在荷載作用下,其可以通過自身優良的變形能力,吸收和消散舊水泥板裂縫處瀝青面層底部的應力,從而延緩反射裂縫的產生和發展。

4 結語

本研究采用三種瀝青膠結料,基于CAVF級配設計法與半圓彎曲試驗相結合的方式對三種粗粒式應力吸收結構層混合料進行配合比設計;采用馬歇爾試驗、車轍試驗、小梁彎曲試驗探究各混合料的性能特點,以滿足不同重載交通條件下的路面性能需求,得出以下結論:

(1)CAVF級配設計法與半圓彎曲試驗相結合的配合比設計方法可用于粗粒式應力吸收結構層混合料配合比設計,混合料具有較高的強度及抗裂性能。

(2)馬歇爾試驗、車轍試驗、小梁彎曲試驗結果表明,SH-V型粗粒式應力吸收結構層混合料在高溫下的抗車轍能力最為突出;超高黏型粗粒式應力吸收結構層瀝青混合料擁有更好的抗裂能力。

(3)重載交通條件易出現車轍病害路段,宜優選SH-V型粗粒式應力吸收結構層混合料;易出現反射裂縫路段,宜選用超高黏型粗粒式應力吸收結構層瀝青混合料。