應(yīng)力吸收層瀝青混合料體積參數(shù)及抗壓回彈模量研究

(湖南中大建設(shè)工程檢測技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410215)

應(yīng)力吸收層瀝青混合料體積參數(shù)及抗壓回彈模量研究

劉斌

(湖南中大建設(shè)工程檢測技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410215)

在瀝青層與下層間設(shè)置應(yīng)力吸收層，優(yōu)化層間接觸條件，有效吸收裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是緩解瀝青加鋪層反射裂縫的關(guān)鍵措施。選取6條礦料合成級配，3個油石比，對比研究不同級配及油石比條件下應(yīng)力吸收層混合料的體積參數(shù)及抗壓回彈模量，探究抗壓回彈模量及體積參數(shù)與礦料級配之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明：隨著1.18 mm篩孔通過率的增大，1.18 mm篩孔通過率對空隙率的影響敏感性降低；隨著油石比的增大，應(yīng)力吸收層混合料空隙率降低；8.0%、9.0%和10.0%油石比時，1.18 mm通過率分別為50.5%、45.9%和45.9%時抗壓回彈模量達(dá)到極大值；隨著空隙率的增大(油石比降低)，應(yīng)力吸收層混合料抗壓回彈模量逐漸增大。

應(yīng)力吸收層； 瀝青混合料； 體積參數(shù)； 抗壓回彈模量； 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)

0 引言

路面裂縫及路面混合料中的不連續(xù)、不傳力或不完全傳力現(xiàn)象。由于瀝青路面行車舒適性好、維修快捷，我國90%以上等級公路均為瀝青路面。我國瀝青路面以半剛性基層作為主要基層結(jié)構(gòu)類型，甚至是唯一的基層結(jié)構(gòu)類型。半剛性基層材料強(qiáng)度高、剛度大，但在濕度及溫度驟降過程易形成干縮和溫縮裂縫。舊水泥混凝土路面的提質(zhì)改造工程(白加黑工程)，舊水泥板難免出現(xiàn)裂縫(結(jié)構(gòu)布設(shè)縱橫縫、疲勞裂縫等)[1]。若瀝青層與路面基層或舊水泥混凝土路面層間處置不當(dāng)，殘留裂縫產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而在車載和雨水的作用下，裂縫向上貫穿至瀝青面層，而形成反射裂縫。采用模量較低的富瀝青材料作為瀝青層與下承層之間的過渡層[2]，基于其良好的流塑性起到消散裂縫處的應(yīng)力集中作用，并能夠緩解車輛荷載的沖擊荷載；加之其空隙率較低(1.0%～2.5%)，具有良好的雨水阻隔性能[3]，有效防止路表水下滲，阻止水分對基層混合料的沖刷破壞。故在瀝青層與下層間設(shè)置應(yīng)力吸收層，優(yōu)化層間接觸狀態(tài)，有效吸收裂縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是緩解反射裂縫形成的關(guān)鍵措施。

應(yīng)力吸收層混合料同傳統(tǒng)瀝青混合料不同，模量太大起不到緩解應(yīng)力集中的效果，模量太小則容易產(chǎn)生層間滑移及永久變形，故需要有適中的抗壓回彈模量；應(yīng)力吸收層混合料瀝青含量高、空隙率小，油石比一般在8.0%以上、空隙率一般不超過2.5%，在此體積參數(shù)下，有效瀝青飽和度必然較高，大于常態(tài)瀝青混合料VFA范圍65%～75%。美國科氏材料公司研發(fā)了應(yīng)力吸收層材料，并給出了其體積參數(shù)的推薦范圍[4]，研究表明其推薦的VFA較小，需要改善[5]。我國也尚缺乏應(yīng)力吸收層混合料配合比設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。選取了美國科氏材料公司推薦的應(yīng)力吸收層材料級配范圍內(nèi)的6條礦料合成級配，3個油石比，對比研究不同級配及油石比條件下混合料的體積參數(shù)及抗壓回彈模量，探究抗壓回彈模量及體積參數(shù)同礦料級配之間的關(guān)系，意義較大。

1 原材料

采用SBS聚合物改性瀝青結(jié)合料，瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1。集料采用玄武巖集料，最大工程粒徑NMAS=4.75 mm，礦料的技術(shù)指標(biāo)滿足我國現(xiàn)行瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范要求，不一一列舉。礦粉為石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉，無團(tuán)粒結(jié)塊現(xiàn)象。

表1 瀝青指數(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果原樣瀝青RTFOT后針入度(25℃，5s，100g)/(0．1mm)軟化點(diǎn)(環(huán)與球)/℃5℃延度/cm密度(15℃)/(g·cm-3)閃點(diǎn)/℃彈性恢復(fù)/%PG等級針入度(25℃，5s，100g)/(01mm)5℃延度/cm質(zhì)量變化/%PG等級809798615101025897PG82-22684420009PG82-16

2 應(yīng)力吸收層材料的設(shè)計(jì)指標(biāo)

文獻(xiàn)[3]在160 ℃，通過測定5個油石比水平、 0～70次旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下應(yīng)力吸收層混合料的體積參數(shù)，研究表明在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為40次時，混合料密度與旋壓次數(shù)現(xiàn)行關(guān)系良好，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)0.9819，且表明油石比及旋壓次數(shù)為影響混合料體積參數(shù)的關(guān)鍵因素。美國科氏公司提出的應(yīng)力吸收層混合料的礦料級配范圍和體積參數(shù)見表2、表3。表3知在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下，空隙率推薦范圍為1.5%～2.5%，建議不宜過大。文獻(xiàn)[6]針對設(shè)計(jì)空隙率為1.3%的應(yīng)力吸收層混合料進(jìn)行了滲水試驗(yàn)，檢測結(jié)果表明僅有5%的測點(diǎn)滲水系數(shù)在10 mL/min以內(nèi)，而95%的測點(diǎn)為基本不滲，滲水系數(shù)為0，表明應(yīng)力吸收層材料抗?jié)B性能很好。文獻(xiàn)[7]采用3種應(yīng)力吸收層材料，設(shè)計(jì)空隙率為1.0%～2.0%，檢測混合料的水穩(wěn)定性，檢測結(jié)果表明3種混合料的水穩(wěn)定性均良好(浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度均不小于90%，凍融劈裂強(qiáng)度比均大于85%)。

文獻(xiàn)[3]采用有限元方法，擬定應(yīng)力吸收層混合料抗壓回彈模量取值為200～1000 MPa，分析了混合料模量變化與瀝青面層混合料接縫處的荷載應(yīng)力及溫度應(yīng)力的關(guān)系。研究結(jié)果表明應(yīng)力吸收層混合料抗壓回彈模量取值范圍應(yīng)在400～600 MPa范圍。綜上所述，應(yīng)力吸收層混合料壓實(shí)次數(shù)為40次時，混合料密度與旋壓次數(shù)現(xiàn)行關(guān)系良好；空隙率在1.0%～2.0%范圍時，能夠滿足水穩(wěn)定性及抗?jié)B性能的要求；抗壓回彈模量在400～600 MPa范圍時，能夠起到緩解裂縫處應(yīng)力集中及不出現(xiàn)過大塑性變形的功能。

表2 推薦應(yīng)力吸收層瀝青混合料礦料合成級配范圍各篩孔(mm)的通過百分率/%954752361180603015007510080～10060～8540～7025～5518～358～206～14

表3 推薦應(yīng)力吸收層瀝青混合料體積指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn)VV/%VMA/%VFA/%Ndesign=25Nmax=50Ndesign=25Nmax=50Ndesign=25Nmax=5015～2505～2018～2418～2475～8575～85 注：Ndesign、Nmax分別為旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)的設(shè)計(jì)值與最大值。

3 體積參數(shù)及抗壓回彈模量檢測

3.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)美國科氏材料公司推薦應(yīng)力吸收層瀝青混合料礦料合成級配范圍，由下至上選取走勢大致平行的6條級配曲線，見表4和圖1。其中3條位于推薦級配范圍中值(關(guān)鍵篩孔1.18 mm)上方，3條位于下方，級配A到級配F依次偏細(xì)；根據(jù)其推薦油石比范圍7.5%～10.0%，擬定8.0%、9.0%和10.0%這3個油石比水平。

分別采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型100 mm×100 mm的柱形試件，每個配合比成型3個試件，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為40次?；旌狭系淖畲罄碚撁芏炔捎糜?jì)算法確定[6]，試件成型24 h后，檢測其毛體積相對密度，計(jì)算體積參數(shù)。采用MTS萬能材料試驗(yàn)機(jī)，在20 ℃條件下測定各試件的抗壓回彈模量，平行試驗(yàn)3次，以3次模量的平均值作為檢測結(jié)果。

表4 6種礦料合成級配級配各篩孔(mm)的通過百分率/%9547523611806030150075級配A10086066042829821211392級配B10090170245931923112898級配C100930746505352260142101級配中值100900725550400265140100級配D100950783552397287160113級配E100976810593431304172117級配F100987832647492328186129

圖1 6種礦料合成級配曲線

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

不同配合比的應(yīng)力吸收層混合料體積參數(shù)及抗壓回彈模量檢測結(jié)果見表5。

由于有效瀝青飽和度VFA=(VMA-AA)/VMA×100%，由表3知，試假設(shè)在推薦體積參數(shù)范圍中VV=2.0%、VMA=24.0%時，得VFA=91.7%，此時VV和VMA均滿足要求，而計(jì)算出來的VFA卻大于推薦的高限。由表5中VFA計(jì)算結(jié)果值，VFA均在85%以上，且80%檢測結(jié)果均處于90%以上，表明表3中推薦的VFA值偏小。

油石比是影響混合料空隙率的關(guān)鍵因素，繪制油石比與空隙率的曲線圖，見圖2。參照貝雷法第1關(guān)鍵篩孔(粗細(xì)集料分界篩孔)，粗細(xì)集料分界篩孔應(yīng)為最大公稱粒徑的0.22倍附近[8]，故對于NMAS=4.75 mm的應(yīng)力吸收層混合料，其第1關(guān)鍵篩孔應(yīng)為1.18 mm，繪制1.18 mm通過率同空隙率的關(guān)系圖，見圖3。

表5 不同配合比的應(yīng)力吸收層混合料體積參數(shù)及抗壓回彈模量檢測結(jié)果油石比/%混合料體積參數(shù)及模量最大理論相對密度毛體積相對密度VV/%VMA/%VFA/%抗壓回彈模量/MPa級配A2．4212．3632．420．388．2571級配B2．4242．3732．120．089．559280級配C2．4262．3821．819．890．8612級配D2．4292．3881．719．691．3588級配E2．4312．3921．619．491．7572級配F2．4342．3931．719．591．4548級配A2．3922．3392．221．489．7468級配B2．3952．3491．921．291．04929．0級配C2．3972．3581．620．692．1479級配D2．4002．3641．520．492．8462級配E2．4032．3711．320．393．5439級配F2．4052．3721．420．693．4374級配A2．3572．3201．622．592．9403級配B2．3592．3291．322．294．241510．0級配C2．3622．3371．121．995．1379級配D2．3652．3430．921．895．7346級配E2．3692．3510．821．696．5315級配F2．3722．3540．821．896．4284

圖2 油石比與混合料空隙率

由圖2可知，6種級配應(yīng)力吸收層混合料的空隙率隨著油石比的增大均減小，油石比由8.0%增加至9.0%、10%，空隙率降低幅度分別為12.6%、35.2%，表明油石比對空隙率的影響較大。圖2中級配A、級配B和級配C空隙率走勢線之間間隔較大，級配B～級配F空隙率走勢線之間間隔逐漸變?。患壟銩到級配B，1.18 mm通過率每增加1%空隙率變化幅度為9.9%，級配D到級配E，1.18 mm通過率每增加1%空隙率變化幅度僅為3.3%，表明隨著1.18mm篩孔通過率的增大，1.18 mm篩孔通過率對空隙率的影響敏感性降低。

圖3 1.18 mm通過率與混合料空隙率

由圖3可知: 在不同油石比條件下，應(yīng)力吸收層混合料空隙率隨1.18 mm篩孔通過率的增大(級配的偏細(xì))而降低，即呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；但在級配F時，空隙率出現(xiàn)了反向增大，關(guān)鍵篩孔1.18 mm的通過率達(dá)64.7%，此時細(xì)集料含量過多，細(xì)集料與細(xì)集料之間開始產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。油石比為8.0%、9.0%和10.0%時，應(yīng)力吸收層混合料空隙率處于1.0%～2.0%的1.18 mm通過率范圍分別為47.6%～70.0%、44.9%～70%和40.0%～52.9%。油石比為8.0%的空隙率走勢線在圖中最上方，10.0%走勢線處于圖中最下方，表明隨著油石比的增大，混合料空隙率降低。

由圖4知，隨著1.18 mm通過率的增大抗壓回彈模量先增大再減小，8.0%、9.0%和10.0%油石比時，1.18 mm通過率分別為50.5%、45.9%和45.9%時抗壓回彈模量為極大值。原因是隨著1.18 mm通過率的增大，礦料級配逐漸偏細(xì)，趨于密實(shí)，抗壓回彈模量區(qū)域增大；而隨著油石比偏大，混合料趨于軟化，抗壓回彈模量區(qū)域降低；在極大值以前，礦料級配對混合料抗壓回彈的影響處于主導(dǎo)地位，抗壓回彈模量增大；在極值點(diǎn)以后，油石比對抗壓回彈模量的增加處于主導(dǎo)地位，抗壓回彈模量降低。

圖4 1.18 mm通過率與混合料抗壓回彈模量

由圖5知: 隨著空隙率的增大(油石比降低)，應(yīng)力吸收層混合料抗壓回彈模量逐漸增大，與常規(guī)工程實(shí)例空隙率降低混合料區(qū)域密實(shí)抗壓回彈模量增大的趨勢相反。原因是由于應(yīng)力吸收層混合料油石比較大，一般為7.5%～10.0%；此時空隙率在1.0%～2.0%范圍，油石比的增加(空隙率降低)在混合料間起到了潤滑劑的作用，使得混合料剛度降低，故抗壓回彈模量降低。

圖5 空隙率與混合料抗壓回彈模量

4 結(jié)論

1) 隨著1.18 mm篩孔通過率的增大，1.18 mm篩孔通過率對空隙率的影響敏感性降低。

2) 油石比為8.0%、9.0%和10.0%時，應(yīng)力吸收層混合料空隙率處于1.0%～2.0%的1.18 mm通過率范圍分別為47.6%～70.0%、44.9%～70%和40.0%～52.9%。隨著油石比的增大，混合料空隙率降低。

3) 隨著1.18 mm通過率的增大抗壓回彈模量先增大再減小，8.0%、9.0%和10.0%油石比時，1.18 mm通過率分別為50.5%、45.9%和45.9%時抗壓回彈模量為極大值。

4) 隨著空隙率的增大(油石比降低)，應(yīng)力吸收層混合料抗壓回彈模量逐漸增大。

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1008-844X(2017)03-0042-05

U 414

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2016-12-28

劉 斌(1989-)，男，碩士，主要從事公路橋梁工作。