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          瀝青混合料應力吸收層設計方法研究



          摘要


          為了充分發揮細粒式瀝青混合料應力吸收層作用,提升瀝青路面使用性能及耐久性,針對應力吸收層的功能需求提出了細粒式AC-10瀝青混合料應力吸收層“4個控制點”的設計方法,進行了不同油石比下瀝青混合料的析漏試驗、0℃小梁彎曲試驗、車轍試驗、浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗,研究了油石比對抗裂性能及高溫抗變形能力的影響規律,并提出以相對變形作為高溫抗變形能力的控制指標。研究結果表明,采用該方法設計的AC-10瀝青混合料具有良好的路用性能。



          關鍵詞

          道路工程 | 應力吸收層 | 設計方法 | 反射裂縫 | 抗變形能力

          廣西地區早期修建的高等級道路主要以水泥混凝土路面為主,近年來大部分水泥混凝土路面進入養護維修階段。在水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土既能充分利用原有路面強度優勢,又能發揮瀝青路面的整體性,已成為水泥混凝土路面改造升級的主要方式。但由于水泥混凝土路面的接縫及裂縫缺陷,行車荷載作用下在層間縫隙處易出現應力集中而導致反射裂縫的發生,進而影響路面的使用性能和耐久性[1]。境內外通常采用聚酯玻纖布、乳化瀝青封層、土工格柵或者瀝青混合料應力吸收層等預防反射裂縫的發生,其中瀝青混合料應力吸收層具有更優異的黏結性能、低溫抗裂性能及疲勞性能,是高等級公路水泥混凝土路面加鋪方案中防反射裂縫的有效措施[2]。瀝青膠結料對應力吸收層使用性能有顯著影響,在幾種常用的SBS改性瀝青、橡膠瀝青及70號道路石油瀝青中,SBS改性瀝青及橡膠瀝青具有優異的使用性能[3,4]。有學者提出以60℃動力黏度、軟化點及針入度作為關鍵指標進行控制,有利于提升應力吸收層瀝青混合料的疲勞性能及低溫性能[5]。


          在瀝青混合料應力吸收層設計方法上,劉小滔等提出采用緊密狀態油石比與析漏“拐點”油石比確定*佳油石比范圍,以抗變形能力和0℃抗裂性能綜合確定*佳油石比[6];耿立濤則采用高溫性能、水穩定性能和疲勞性能評價瀝青混合料應力吸收層使用性能[3]。目前國內瀝青混合料應力吸收層設計大多是采用馬歇爾設計法,根據經驗以體積指標確定*佳油石比,再進行性能驗證,設計流程與瀝青混合料結構層基本一致。然而細粒式瀝青混合料作為應力吸收層,主要目的是延緩反射裂縫發生、防止雨水下滲,從而提高瀝青路面加鋪層耐久性,與瀝青路面結構層在性能需求上并不一致,瀝青混合料結構層的設計思想不完全適用于應力吸收層。目前國內仍缺乏應力吸收層設計的相關標準和規范,也未形成系統、成熟的設計方法。為充分發揮應力吸收層的功能優勢,本文針對應力吸收層的功能定位,著重考慮應力吸收層的抗裂性能、防水性能、抗變形能力及疲勞性能,提出細粒式AC-10瀝青混合料應力吸收層“4個控制點”的設計方法及評價指標,為細粒式瀝青混合料應力吸收層在濕熱地區水泥混凝土路面改造升級中的應用及質量控制提供參考。



          設計方法

          瀝青混合料應力吸收層位于水泥混凝土路面面板與瀝青下面層之間,厚度通常為2~75px。對于高等級水泥混凝土路面,在加鋪改造時,瀝青層的加鋪厚度通常為6~300px,即62.5px應力吸收層+100px瀝青面層,或者62.5px應力吸收層+125px瀝青下面層+100px瀝青上面層?;诠こ虒嶋H對其性能的需求,主要考慮以下幾點。


          (1)水泥混凝土路面加鋪瀝青層,在水泥混凝土面板接縫及裂縫處易發生反射裂縫早期病害。為延緩及預防反射裂縫的出現,應力吸收層一定要具有良好的抗裂性能,而小梁彎曲試驗正好可以反映材料的這種性能??紤]到濕熱地區平均氣溫相對較高,采用0℃彎拉破壞應變指標進行評價。

          (2)為防止雨水下滲至水泥混凝土面板內而引起路面的加速破壞,應力吸收層一定要具有良好的防水性能及水穩定性,因此在目標空隙率設計上應比瀝青路面結構層更小。

          (3)應力吸收層高溫抗變形能力不足時在行車荷載作用下易出現剪切變形,累積變形達到一定程度時會嚴重影響路面的使用性能和行車性。瀝青層內大剪應力主要發生在瀝青層以下150px左右[7]。為防止層間出現剪切破壞或過大變形,當采用單層加鋪方案時需要著重考慮應力吸收層的高溫抗變形能力。

          (4)應力吸收層在水泥混凝土路面接縫或者裂縫處易出現應力集中,在車輛荷載反復作用下因疲勞損傷而加劇應力吸收層的開裂。為提高其抗疲勞性能,應力吸收層應具有較高的油石比、較低的空隙率[8,9]。為防止油石比過高而出現施工泛油現象,采用析漏“拐點”處油石比作為上限進行控制。

          基于上述考慮,提出彎曲破壞應變指標、空隙率指標、高溫抗變形指標及析漏拐點“4個控制點”的設計方法。瀝青混合料應力吸收層設計流程如圖1所示。






          材料組成設計

          原材料

          本研究采用SBS改性瀝青進行試驗研究,技術指標如表1所示。




          試驗用集料為5~10mm、3~5mm0~3mm的石灰巖碎石,填料為石灰巖加工的礦粉。集料技術指標如表2所示。



          礦料級配設計

          礦料級配采用間斷級配類型,以形成較好的骨架結構。優選的礦料級配如表3所示。




          性能試驗及分析

          *佳油石比范圍的確定

          (1)體積指標

          采用設計的礦料級配進行不同油石比下馬歇爾試驗,分別測試其體積指標,試驗結果如表4所示??障堵逝c油石比的關系曲線如圖2所示。




          混合料在較低空隙率下具有良好的抗滲水性能及疲勞性能,但空隙率過小時在高溫重載作用下易出現流動變形而出現早期病害,本研究以空隙率為2~4%進行控制。由圖2可知,隨油石比的增加空隙率逐漸減小,在一定范圍內,油石比與空隙率具有良好的線性相關性,則以空隙率為一控制點的油石比范圍為5.45~6.35%。


          (2)析漏損失率

          細粒式瀝青混合料典型特征是集料較細、礦粉用量大、油石比高,但當油石比過高時瀝青混合料中自由瀝青含量偏多,現場攤鋪碾壓時存在泛油、軟彈的風險。因此,考慮施工和易性的影響,以析漏損失率“拐點”對應的油石比作為*佳油石比控制上限。為得到不同油石比下析漏損失率拐點,參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011)進行了8組油石比下混合料的析漏試驗,結果如表5所示。析漏損失率與油石比關系曲線如圖3所示。






          根據圖3,AC-10瀝青混合料析漏損失率隨油石比的增加而變大,在油石比為6.6%時,析漏損失率增加速率出現突變,表明當油石比超過6.6%時混合料中的自由瀝青含量迅速增加,將不利于施工質量控制,易出現碾壓泛油或軟彈現象,同時會影響混合料高溫抗變形能力。因此以此“拐點”的油石比作為二控制點,則油石比上限為6.6%。


          抗裂性能

          為了進一步了解油石比對抗裂性能影響規律,進行了0℃條件下5.4%、5.8%、6.2%、6.6%等4種油石比的小梁彎曲試驗。根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011),成型不同油石比的車轍板并切割成小梁試件。每組油石比成型6根小梁試件。試驗結果如表6所示,油石比與彎拉破壞應變關系曲線如圖4所示。






          根據圖4可知,油石比與彎拉破壞應變呈現良好的二次曲線關系,隨著油石比的增加混合料的彎拉破壞應變逐漸變大。這表明增加油石比可有效提高混合料應力吸收層的抗反射裂縫能力。參考相關文獻[5]以不低于6000με對應的油石比作為三控制點,則油石比不低于5.6%。



          抗變形能力

          車轍動穩定度通常用來評價混合料的高溫抗變形能力,反映的是混合料在試驗中的后15min碾壓過程的抗變形能力,忽略了早期變形對混合料性能影響,不能衡量混合料整體的變形情況。粗粒式瀝青混合料由于粗集料含量高,更容易形成骨架嵌擠作用,高溫永久變形往往較小。但細粒式瀝青混合料則相反,高溫條件下易發生流動變形,即使在車轍動穩定度結果較高時也可能出現較大的永久變形。由于永久變形與混合料的厚度直接相關,本研究提出以車轍試驗的相對變形為指標評價應力吸收層的抗變形能力。定義相對變形指標為碾壓結束時總變形量與1min時變形量的差值與車轍板試件厚度的比值。為預防應力吸收層發生較大永久變形而影響路面使用性能,相對變形以3.0%進行控制,并將動穩定度作為參考指標。為得到油石比對瀝青混合料抗變形能力影響規律,進行60℃條件下5.4%、5.8%、6.2%、6.6%等4種油石比的瀝青混合料車轍試驗,結果如表7所示。油石比與相對變形及動穩定度各指標關系曲線如圖5所示。







          由圖5可知,在一定范圍內,油石比與相對變形及動穩定度均具有良好的線性相關性,相對變形隨油石比增加而變大,動穩定度隨油石比增加而逐漸減小。這主要是因為隨著油石比的增加瀝青膜厚度變大,混合料中自由瀝青含量增加,混合料顆粒間的潤滑作用增加,在荷載作用下顆粒間相對移動的阻力減小,更易發生剪切流動變形,使高溫抗變形能力降低。以3.0%的相對變形對應的油石比作為四控制點,則油石比上限為6.25%。


          *佳油石比確定

          根據上述的試驗研究,一控制點確定的油石比范圍為5.45~6.35%,二控制點確定的油石比范圍為不大于6.6%,三控制點確定的油石比為不低于5.6%,四控制點確定的油石比范圍為不大于6.25%。綜合4個控制點確定的油石比范圍為5.6~6.25%。均衡考慮使用性能,以范圍中值5.9%為*佳油石比。結合表4及圖2~5,則*佳油石比下AC-10瀝青混合料體積指標及路用性能如表8所示。




          水穩定性驗證

          本研究采用室內成型*佳油石比下的車轍板試件進行滲水試驗,室內驗證結果為不滲水。同時采用浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗驗證該油石比下的混合料水穩定性,結果表明所設計的瀝青混合料具有良好的水穩定性。試驗結果如表9所示。





          結語

          (1)瀝青混合料應力吸收層可有效預防水泥混凝土路面加鋪結構中早期開裂病害的發生,但若設計不合理也可能成為軟弱夾層而影響路面的使用性能,一定要予以重視。

          (2)本文針對應力吸收層的功能定位,提出細粒式AC-10瀝青混合料“4個控制點”的設計方法,確定的*佳油石比為5.9%。該油石比下的瀝青混合料具有良好的路用性能。

          (3)兼顧疲勞性能及抗滲性能,建議空隙率控制范圍為2~4%。提出以相對變形指標來控制應力吸收層的高溫抗變形能力,為預防應力吸收層永久變形過大而影響路面行車舒服性,建議相對變形指標不大于3.0%。


          全文完 發布于《公路》20214






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