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)是抗裂性優(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大粒徑透水性瀝青混合料[1-2](Large Stone Porous asphalt Mixes,簡稱LAPM)是指混合料最大公稱粒徑大于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,它是通過增大混合料的粒徑和粗集料骨架之間的內(nèi)摩阻力來提高瀝青路面的承載力,也被稱為開級(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,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×寬×高)的車轍板試樣,然后按規(guī)定的方向?qū)④囖H板切割成300 mm×寬60 mm×高80 mm(長×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)變曲線圖上應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)曲線下方所圍區(qū)域面積。由于無法獲取小梁的應(yīng)力和應(yīng)變,本文通過試驗(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圖,并計(jì)算荷載與跨中撓度曲線圖中荷載達(dá)到峰值時(shí)曲線下方所圍區(qū)域面積來表征臨界應(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,碾壓成型開級(jí)配大粒徑瀝青混合料車轍板。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)果見表4所列。
表4 不同膠結(jié)材料的開級(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)果見表6所列。
表6 開級(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
(1) 密集配大粒徑瀝青混合料比開級(jí)配大粒徑瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。
(2) 開級(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.
中圖分類號(hào):U416.214
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1673-5781(2016)02-0227-03