開級配大粒徑瀝青碎石低溫性能評價

付其林, 魏建國, 周興壯

(1.長沙理工大學(xué) 公路工程教育部重點實驗室, 湖南 長沙 410114; 2.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114)

開級配大粒徑瀝青碎石(open-graded large stone asphalt mixes,OLSM)是指集料公稱最大粒徑在25～63mm之間,具有嵌擠骨架-空隙型結(jié)構(gòu)的熱拌瀝青混合料.由于OLSM具有較好的延緩反射裂縫的作用,在半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)和舊水泥路面加鋪改造中得到了廣泛應(yīng)用[1-3].然而,OLSM在使用過程中受到低溫氣候的影響,容易產(chǎn)生裂縫,致使雨水從裂縫滲入,加速了瀝青路面的損壞[4-5].瀝青混合料低溫性能對瀝青路面的使用壽命有重要影響,許多道路工作者對其進行了研究[6-8].如Zhang等[9]研究表明,材料組成對瀝青混合料低溫性能影響顯著.王國忠等[10]發(fā)現(xiàn),大粒徑瀝青混合料低溫性能低于普通瀝青混合料,通過優(yōu)化級配可以改善其低溫性能.熊子佳等[11]研究表明,開級配瀝青混合料低溫性能低于密級配瀝青混合料,采用高黏度瀝青可以改善其低溫性能.考慮到集料粒徑的影響,可以采用劈裂試驗和半圓彎抗(SCB)試驗來評價大粒徑瀝青混合料的低溫性能,但該方法缺乏相應(yīng)的評價標(biāo)準(zhǔn)[12-13].由此可見,目前針對集料粒徑大、空隙率大的OLSM低溫性能的研究不足.本文通過室內(nèi)試驗的方法,分析小梁彎曲試驗評價OLSM低溫性能的適用性,提出OLSM低溫性能評價方法,研究集料級配、瀝青標(biāo)號、瀝青膠漿膜厚度、粉膠比(質(zhì)量比，文中涉及的粉膠比、摻量等除特別

說明外均為質(zhì)量分數(shù)或者質(zhì)量比)和水泥代替礦粉量等因素對其低溫性能的影響,為其推廣應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 原材料技術(shù)特性

1.1 瀝青

瀝青為70#道路石油基質(zhì)瀝青,其主要技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

粗集料(CA)和細集料(FA)均為石灰?guī)r碎石,礦粉(MP)為石灰?guī)r石粉,其主要物理性能指標(biāo)見表2.

1.3 集料級配

為對比分析OLSM低溫性能,設(shè)計了5種集料級配，見表3.

表2 集料的物理性能指標(biāo)

表3 集料級配

2 OLSM低溫性能評價方法

2.1 截面尺寸的確定

為了評價OLSM低溫性能,將1#、2#、3#OLSM-25級配與AC-13中值、AC-16中值、AC-20中值級配的瀝青混合料進行低溫彎曲試驗.成型尺寸為300mm×300mm×100mm的車轍試樣,并制成4種截面尺寸的小梁試件;采用MTS材料試驗機,在溫度為-10℃,跨徑為200mm的條件下,進行小梁彎曲試驗.6種級配,每種級配4種截面尺寸試件的彎曲試驗結(jié)果見表4.

表4 6種級配試件在不同截面尺寸下的彎曲試驗結(jié)果

由表4可知：

(1)隨著小梁試件截面尺寸的增加,3種級配OLSM的最大彎拉強度大幅度提高,而AC-13、AC-16和AC-20的最大彎拉強度基本保持不變.當(dāng)試件截面尺寸為30mm×35mm時,3種級配OLSM彎拉強度和應(yīng)變的變異系數(shù)(CV)較大,分別超過了極限值10%和20%;AC-13、AC-16和AC-20彎拉強度和應(yīng)變的變異系數(shù)較小.這主要是因為,OLSM集料粒徑大,增加了試件截面單集料的幾率,較大的空隙率也增加了試件從空隙處斷裂的幾率.這說明,標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸30mm×35mm下OLSM彎曲試驗結(jié)果離散性較大,未能真實反映其低溫受力特性.

(2)3種級配OLSM最大彎拉強度和撓度隨著小梁試件截面尺寸的增加而增大;當(dāng)截面尺寸超過50mm×55mm后,OLSM最大彎拉強度和撓度增大幅度較小.隨著小梁試件截面尺寸的增加,OLSM彎拉強度和應(yīng)變的變異系數(shù)均逐漸降低,且當(dāng)截面尺寸超過50mm×55mm時,其變異系數(shù)小于極限值10%和20%,接近AC的變異系數(shù).這說明,50mm×55mm截面尺寸下彎曲試驗結(jié)果離散性較小,能夠真實反映OLSM-25低溫受力特性.

(3)隨著試件截面尺寸的增加,6種級配的最大彎拉應(yīng)變呈急劇增大趨勢;50mm×55mm截面尺寸OLSM最大彎拉應(yīng)變比30mm×35mm截面尺寸的增大了2倍左右,50mm×55mm截面尺寸AC最大彎拉應(yīng)變比30mm×35mm的增大了1倍左右.這說明,試件截面尺寸的增加改變了瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變測定值.

由材料力學(xué)可知：

RB=3LPB/2bh2

(1)

d=PBL3/48EI

(2)

I=1/12·bh3

(3)

由式(1)～(3)可得：

d=RBL2/6Eh

(4)

εB=6dh/L2

(5)

式中：RB為彎拉強度,MPa;L為試件跨徑,m;PB為試件最大荷載,N;b為試件寬度,m;h為試件高度,m;d為撓度,mm;E為彎拉彈性模量,MPa;I為慣性矩,m4;εB為最大彎拉應(yīng)變,μm/m.

同種材料彎拉強度RB理論上是一定值,表4中不同試件截面尺寸下AC的RB不變,說明AC彎拉強度RB測試結(jié)果符合理論值,數(shù)據(jù)可靠.由式(4)可知,其他參數(shù)為定值時,撓度d隨著試件高度的增加而降低,這與測試結(jié)果相反.這是因為,材料力學(xué)假定小梁試件為彈性體,設(shè)定試件底部受拉開裂瞬間視為斷裂;實際上,試件底部開裂后,裂縫延伸一段距離后才會斷裂.隨著裂縫的擴展,試件截面尺寸逐漸減小,造成測得的撓度d比實際值大,抗拉彈性模量E減小,慣性矩I減小.因此,試件高度越大,其破壞時裂縫擴展得越深,撓度d隨試件高度的增加而偏大.由式(5)可知,最大彎拉應(yīng)變計算值比實際值偏大.

2.2 試驗跨徑的確定

增大小梁彎曲試驗的跨徑,使小梁破壞接近假定的瞬間斷裂模型.輪碾成型車轍板長度為300mm,且邊緣壓不實,切制成小梁試件有效長度為280mm;考慮彎曲試驗時小梁兩端超過支撐點10mm以上,因此試驗最大跨徑為260mm.在試件截面尺寸為50mm×55mm,溫度為-10℃的條件下進行小梁彎曲試驗.6種級配4種跨徑試件的彎曲試驗結(jié)果見表5.

表5 6種級配試件在不同跨徑下的彎曲試驗結(jié)果

由表5可知,隨著跨徑的增加,6種級配試件的最大彎拉強度基本保持不變,這表明跨徑對瀝青混合料強度測試結(jié)果基本沒有影響.隨著跨徑的增加,6種級配試件的最大彎拉應(yīng)變逐漸減小,這表明跨徑對瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變測試結(jié)果影響顯著.這是因為,跨徑增加有利于小梁破壞模式由裂縫擴展到瞬間破壞,更加接近假定的瞬間斷裂模型,表現(xiàn)為彎拉勁度模量的逐漸增加.這說明,增加小梁跨徑的彎曲試驗結(jié)果更能真實反映小梁低溫受力特性.

2.3 評價指標(biāo)的修正

為了分析截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm的改進彎曲試驗與截面尺寸為30mm×35mm、跨徑為200mm的標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗評價瀝青混合料低溫性能的一致性,分別對AC-13、AC-16和AC-20級配上限(U)、級配中值(M)、級配下限(L)進行改進和標(biāo)準(zhǔn)2種彎曲試驗,結(jié)果見圖1.由圖1可知：改進彎曲試驗下瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變與標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗的結(jié)果不一致,改進彎曲試驗下最大彎拉應(yīng)變比標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗大.這主要是因為,受小梁試件長度的限制,改進彎曲試驗跨徑增大未能與小梁截面增大成比例.為了使改進彎曲試驗下最大彎拉應(yīng)變與標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗的具有一致性,對圖1中不同集料粒徑的瀝青混合料2種試驗結(jié)果進行回歸,建立了不同集料粒徑的改進彎曲試驗最大彎拉應(yīng)變修正關(guān)系式,見圖2.

圖1 2種試驗條件下不同級配的最大彎拉應(yīng)變Fig.1 Maximum bending strain of different gradations under two test conditions

圖2 改進彎曲試驗結(jié)果修正關(guān)系Fig.2 Correction value of improved bending test

由此,可以得到公稱最大粒徑26.5mm的改進彎曲試驗下最大彎拉應(yīng)變修正系數(shù)0.5471.

3 OLSM低溫性能及影響因素

3.1 集料級配的影響

分形維數(shù)能夠較好地表征集料的分布特征,采用分形維數(shù)表征設(shè)計的5種OLSM集料級配(見表3).在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗.不同分形維數(shù)與空隙率OLSM的最大彎拉應(yīng)變試驗結(jié)果見圖3、4.

圖3 分形維數(shù)對OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.3 Effect of fractal dimension on maximum bending strain of OLSM

圖4 空隙率對OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.4 Effect of porosity on maximum bending strain of OLSM

由圖3可知：隨著分形維數(shù)的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變先提高后降低,表明集料級配對OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大.因此,對改進彎曲試驗下最大彎拉應(yīng)變進行修正,以便評價其在標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗下的低溫性能.由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,當(dāng)分形維數(shù)為2.41～2.44時其最大彎拉應(yīng)變大于2.0mm/m,具有良好的低溫性能.這主要是因為,隨著分形維數(shù)的增加,OLSM空隙率逐漸增大(見圖4),隨著OLSM空隙率的增大,其模量減小有利于提高其變形性能;當(dāng)分形維數(shù)過大時,OLSM空隙率過大、集料得不到有效黏結(jié),強度不足,從而降低了變形性能.這說明,集料級配對OLSM低溫性能影響顯著,且當(dāng)分形維數(shù)為2.41～2.44時,其低溫性能較好.

3.2 瀝青種類的影響

基于設(shè)計的2#集料級配,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗,不同瀝青標(biāo)號OLSM的最大彎拉應(yīng)變試驗結(jié)果見圖5.

圖5 瀝青標(biāo)號對OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.5 Effect of asphalt grade on maximum bending strain of OLSM

由圖5可知,隨著瀝青標(biāo)號的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變逐漸降低,70#瀝青OLSM最大彎拉應(yīng)變下降不顯著,90#和110#瀝青OLSM最大彎拉應(yīng)變下降顯著,表明瀝青標(biāo)號對OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大,對改進彎曲試驗下最大彎拉應(yīng)變進行修正;由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,50#和70#瀝青OLSM低溫性能較好.這主要是因為,隨著瀝青標(biāo)號的增加,瀝青與礦粉形成的瀝青膠漿黏稠度降低,瀝青膠漿黏稠度降低,表現(xiàn)為OLSM抗變形強度下降;另外,瀝青膠漿黏稠度降低在OLSM試件成型過程中引起較多膠漿進入空隙,起到黏結(jié)作用的瀝青膠漿相對減少,也表現(xiàn)為OLSM抗變形強度下降.這說明,瀝青標(biāo)號對OLSM低溫性能影響顯著,50#與70#瀝青OLSM低溫性能較好.

3.3 膠漿膜厚度的影響

圖6 膠漿膜厚度對OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.6 Effect of film thickness of mortar on maximum bending strain of OLSM

基于設(shè)計的2#集料級配,粉膠比為1.0,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗.不同瀝青膠漿膜厚度OLSM的最大彎拉應(yīng)變試驗結(jié)果見圖6.由圖6可知,隨著瀝青膠漿膜厚度的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變逐漸提高,膠漿膜厚度大于50μm后,其最大彎拉應(yīng)變提高幅度很小,表明膠漿膜厚度對OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大,對改進彎曲試驗下最大彎拉應(yīng)變進行修正;由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,膠漿膜厚度大于48μm的OLSM低溫性能較好.這是因為,增多的瀝青膠漿起到潤滑作用,有利于提高瀝青混合料的變形性能,表現(xiàn)為OLSM低溫性能提高;當(dāng)瀝青膠漿過多時,部分膠漿填充混合料結(jié)構(gòu)的空隙,從而進一步提高潤滑作用有限.這說明,膠漿膜厚度對OLSM低溫性能影響顯著,適當(dāng)增大膠漿膜厚度可以有效提高其低溫性能,但厚度超過50μm 后再增大膠漿膜對提高其低溫性能效果不明顯.

3.4 粉膠比的影響

基于設(shè)計的2#集料級配,瀝青膠漿膜厚度50μm,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗.不同粉膠比OLSM的最大彎拉應(yīng)變試驗結(jié)果見圖7.

圖7 粉膠比對OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.7 Effect of ratio of filler to bitumen on maximum bending strain of OLSM

由圖7可知,隨著粉膠比的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變先提高后降低,表明粉膠比對OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大,因此對改進彎曲試驗下最大彎拉應(yīng)變進行修正;由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,當(dāng)粉膠比為1.0～1.2時,其最大彎拉應(yīng)變大于2.0mm/m.這是因為,隨著粉膠比的增大,瀝青膠漿的黏度逐漸增加,從而提高了OLSM的變形性能;當(dāng)粉膠比過大時,瀝青膠漿的黏度降低,黏度不足限制了其變形性能.這說明,粉膠比對OLSM低溫性能影響顯著,且粉膠比為1.0～1.2時其低溫性能較好.

3.5 水泥代替礦粉量的影響

基于設(shè)計的2#集料級配,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進行改進小梁彎曲試驗.不同水泥代替礦粉量OLSM的最大彎拉應(yīng)變試驗結(jié)果見圖8.

圖8 水泥代替礦粉量對OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.8 Effect of cement substitution quantity on maximum bending strain of OLSM

由圖8可知,隨著水泥代替礦粉量的增大,改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變先提高后降低,表明水泥代替礦粉量對OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進彎曲試驗下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大,因此對改進彎曲試驗下最大彎拉應(yīng)變進行修正;由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,當(dāng)代替量小于40%時，其最大彎拉應(yīng)變大于2.0mm/m.這是因為,水泥比表面積比礦粉大,隨著水泥代替礦粉量的增大,礦質(zhì)混合料的比表面積增大,相應(yīng)瀝青膠漿稠度增加,黏度增加,從而提高了OLSM變形性能;當(dāng)水泥代替礦粉量過大時,瀝青膠漿稠度過大,黏度變小,致使其變形性能弱化.因此,水泥代替礦粉量對OLSM低溫性能影響顯著,且當(dāng)代替量小于40%時其低溫性能良好.

4 結(jié)論

(1)試件截面尺寸對小梁低溫彎曲試驗結(jié)果影響顯著,標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸(30mm×35mm)下小梁彎曲試驗未能真實反映OLSM低溫受力特性,試件截面尺寸為50mm×55mm的小梁彎曲試驗適用于評價OLSM低溫性能.

(2)跨徑對小梁低溫彎曲試驗結(jié)果影響顯著,增大跨徑有利于真實反映OLSM低溫受力特性,跨徑為260mm的小梁彎曲試驗適用于評價OLSM低溫性能,并建立了改進小梁彎曲試驗下OLSM低溫性能修正關(guān)系.

(3)集料組成對OLSM低溫性能影響顯著,隨著分形維數(shù)和水泥代替礦粉量的增大,其低溫性能先提高后降低.當(dāng)分形維數(shù)為2.41～2.44和水泥代替礦粉量不超過40%時,其低溫性能較好.

(4)瀝青膠漿組成對OLSM低溫性能影響顯著,隨著瀝青標(biāo)號的增加,其低溫性能降低,50#與70#瀝青的OLSM低溫性能較好;適當(dāng)增大膠漿膜厚度可以有效提高其低溫性能,但厚度超過50μm后效果不明顯;隨著粉膠比的增加其低溫性能先提高后降低,當(dāng)粉膠比為1.0～1.2時,其低溫性能較好.