礦料級配對瀝青路面低溫抗裂性的影響

韓 彰

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥230009;2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽合肥230051)

0 前 言

瀝青混合料指的是用具有一定黏度和適當(dāng)用量的瀝青材料與一定級配的礦質(zhì)集料,經(jīng)過充分拌和形成的混合物。將這種混合料加以攤鋪、碾壓成型,即成為各種類型的瀝青路面。為保證瀝青路面能夠長期穩(wěn)定的發(fā)揮作用,應(yīng)根據(jù)各地的氣溫、車載等情況,采用合理的瀝青混合料級配類型,以提高相關(guān)性能。

瀝青路面的主要性質(zhì)包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等。在不同地區(qū),對各性質(zhì)的要求程度不一。在溫度較高的區(qū)域,車轍現(xiàn)象發(fā)生比較頻繁,所以高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料設(shè)計的首要考慮因素;而在溫度較低的地區(qū),低溫抗裂性能需要予以關(guān)注,以避免裂縫的大量產(chǎn)生。

瀝青混合料抵抗低溫收縮變形的能力稱為低溫抗裂性。低溫開裂往往是瀝青路面各種病害的開始,而裂縫的發(fā)展將直接影響路面的使用性能。裂縫的產(chǎn)生不僅會破壞路面的連續(xù)性、整體性及美觀,而且會從裂縫中不斷滲入水分是基層甚至路基軟化,導(dǎo)致路面承載力下降,加速路面破壞。同時縱向無限長的瀝青面層開裂后,其承載能力轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢蕹叽绨?。冬季面層模量較高,承受重復(fù)車輪荷載時,開裂后的路面可能折斷成更小尺寸的板,并發(fā)生網(wǎng)裂。隨著裂縫逐年加寬,邊緣折斷破碎,促使路面平整度降低,嚴(yán)重危機道路的使用壽命和質(zhì)量。

1 瀝青混合料低溫開裂機理及裂縫形式

位于路面面層的瀝青混合料結(jié)構(gòu)層,直接受到氣溫變化的影響。一方面當(dāng)溫度下降時,瀝青混合料就會產(chǎn)生收縮變形。由于瀝青路面無收縮縫,這種變形會受到基層對路面的摩阻力和路面無限連續(xù)板塊體對收縮變形的約束作用,使瀝青面層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。另一方面,瀝青混合料具有應(yīng)力松弛性能,當(dāng)給瀝青混凝土一定的應(yīng)變時,由此產(chǎn)生的應(yīng)力會隨著時間的延長而松弛。在一般溫度范圍內(nèi),由溫度降低而產(chǎn)生的拉應(yīng)力,會由于應(yīng)力松弛而減小,將不會產(chǎn)生出現(xiàn)裂縫那么大的應(yīng)力。

瀝青混合料路面的低溫開裂就是溫度應(yīng)力和應(yīng)力松弛性能之間關(guān)系的問題。當(dāng)瀝青混合料的應(yīng)力松弛能力下降幅度較大,導(dǎo)致材料的抗拉強度小于溫度應(yīng)力,就會導(dǎo)致開裂;當(dāng)瀝青混合料的應(yīng)力松弛性能下降幅度較小,能夠保證材料的抗拉強度大于溫度應(yīng)力,就不會發(fā)生開裂。

瀝青混合料的低溫開裂主要有兩種形式:一種是由于氣溫驟降造成材料低溫收縮。當(dāng)溫度驟降時,混合料的應(yīng)力松弛性能趕不上,溫度下降產(chǎn)生的應(yīng)力超過了材料的極限抗拉強度產(chǎn)生的;另一種形式是低溫收縮疲勞裂縫。這是由于在瀝青混合料經(jīng)受長期多次溫度循環(huán)后,瀝青混合料的極限拉伸應(yīng)變變小,同時瀝青的老化使勁度提高,應(yīng)變松弛性能降低,所以即使當(dāng)溫度應(yīng)力小于其相應(yīng)溫度原始抗拉強度時也會產(chǎn)生開裂,即溫度疲勞裂縫可能會在比一次性降溫開裂溫度高的溫度下開裂。

瀝青混合料的低溫變形能力在很大程度上取決于瀝青材料的性質(zhì)、瀝青與礦料的黏結(jié)強度、級配類型以及瀝青混合料的均勻性。在上述諸多因素中,本文重點闡述礦料級配對瀝青混合料低溫抗裂性的影響。

2 瀝青混合料礦料級配組成

瀝青混合料的礦料級配組成設(shè)計就是確定礦質(zhì)混合料中不同粒徑的顆粒之間用量比例關(guān)系,通常采用不同粒徑顆粒的質(zhì)量比來表示。瀝青混合料可以因為礦料的級配不同而形成不同的組成結(jié)構(gòu),不同結(jié)構(gòu)狀況的混合料將會表現(xiàn)出不同的物理—力學(xué)性質(zhì)和功能特征。所以,集料的級配組成對混合料的組成結(jié)構(gòu)和性能有著較大的影響,甚至起著決定性作用

瀝青混合料按照強度構(gòu)成特性的不同,劃分為三種結(jié)構(gòu)類型:

(1)密實—懸浮結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。這種瀝青混合料的礦料采用連續(xù)密級配,即礦料粒徑由大到小連續(xù)存在。這種礦物混合料含有大量細(xì)料,而粗顆粒數(shù)量較少,相互間沒有接觸,不能形成骨架,粗顆粒懸浮于細(xì)顆粒之間。

(2)骨架—空隙結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。這種混合料的礦料采用連續(xù)開級配,礦質(zhì)混合料級配遞減系數(shù)較大,粗集料含量較高,細(xì)集料很少。這種礦物混合料的粗集料可以相互靠攏形成骨架,但由于細(xì)料數(shù)量過少,不足以填充粗集料之間的空隙,其殘余空隙率較大。

(3)密實—骨架結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。這種混合料的礦料采用間斷型密級配礦質(zhì)混合料。既有一定數(shù)量的粗集料形成骨架,又有足夠數(shù)量的細(xì)集料填充骨架空隙。

在這三種結(jié)構(gòu)類型中,骨架—空隙結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于排水性瀝青路面,密實—骨架結(jié)構(gòu)主要是SMA路面,前一種路面形式由于原材料以及施工工藝等方面要求較高,在我國暫未普及;SMA路面造價相對較為昂貴,但由于其行車效果良好,逐漸推廣。目前,在我國瀝青路面主要采用的是密實—懸浮結(jié)構(gòu),即連續(xù)密級配瀝青混合料。所以,本文以AC型瀝青混合料為研究類型,討論AC型瀝青混合料與低溫抗裂性的關(guān)系。

3 試驗設(shè)計方案

為了研究礦料級配以及瀝青混合料最大公稱粒徑對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響,擬采用AC-5、AC-10、AC-13三種礦料級配,以及各自相應(yīng)的設(shè)計曲線靠近級配上限、級配中值以及級配下限的情況進行研究。AC-5、AC-10和AC-13三種瀝青混合料是按照礦料的公稱最大粒徑劃分的。根據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTGE42-2005)的定義,集料的最大粒徑是指通過百分率為100%的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸;而集料的公稱最大粒徑是指全部通過或者允許少量不通過(一般允許篩余不超過10%)的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸。通常公稱最大粒徑比最大粒徑小一個粒級。AC-5的集料公稱最大粒徑為4.75 mm,最大粒徑為9.5 mm;AC-10的集料公稱最大粒徑9.5 mm,最大粒徑為13.2 mm;AC-13的集料最大公稱粒徑為13.2 mm,最大粒徑為16 mm。

4 瀝青混合料低溫抗裂性的測定方法

瀝青混合料的低溫開裂主要由于外部荷載以及環(huán)境溫度的改變,導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于混合料自身抗拉強度造成的。隨著環(huán)境溫度的幅度、頻率的不同,就會導(dǎo)致混合料不同裂縫形式,如低溫收縮裂縫,低溫荷載裂縫等。相應(yīng)的評價低溫抗裂性的試驗方法包括:低溫線收縮系數(shù)、低溫彎曲蠕變以及約束試件的溫度應(yīng)力試驗等,每種試驗方法都有其針對性。

瀝青路面溫度下降時的收縮受到基層及周圍的約束,而產(chǎn)生拉應(yīng)力以及拉應(yīng)變,由此導(dǎo)致路面開裂,所以收縮性能是瀝青混合料最基本的性能之一。本次試驗采用低溫線收縮系數(shù)試驗方法正是基于收縮性能而制定的。試驗研究重點是溫度下降時,瀝青面層內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力的大小。對于外部荷載的影響因素沒有過多考慮。試驗測定的數(shù)據(jù)為平均線收縮系數(shù)。

瀝青混合料的平均線收縮系數(shù)是規(guī)定尺寸的棱柱體試件在規(guī)定溫度區(qū)間,以規(guī)定速率降溫時收縮變形與試件長度的比值。試件采用從輪碾成型的扳塊狀試件上切制的棱柱體,采用+10～-20℃的溫度區(qū)間,降溫速率為5℃/h。試驗具體操作步驟參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T0720-1993瀝青混合料線收縮系數(shù)試驗。

瀝青混合料面層溫度應(yīng)力的計算公式為:

式中 σ1—溫度應(yīng)力; E—松弛模量;θ—溫度差;

α—瀝青混合料的線收縮系數(shù);μ—泊松比。

由公式(5-2)可以發(fā)現(xiàn),瀝青混合料溫度應(yīng)力與線收縮系數(shù)成正比。線收縮系數(shù)越大,溫度應(yīng)力也越大,瀝青混合料產(chǎn)生裂縫的可能性也就越大。

5 礦料級配對瀝青混合料低溫抗裂的影響

5.1 AC-5型礦料級配對低溫抗裂性能的影響

表1 AC-5型瀝青混合料低溫線收縮系數(shù)測試結(jié)果

圖1 AC-5型瀝青混合料三種級配與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系

綜合比照AC-5型瀝青混合料在相同瀝青含量時,不同設(shè)計級配曲線與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系,可以得到以下幾個結(jié)論:

(1)三種設(shè)計級配曲線的線收縮系數(shù)均隨著瀝青含量的增加而增大。

(2)AC-5X型瀝青混合料與其他二者相比,在各種瀝青含量情況下,均能夠保持較小的線收縮系數(shù),從而保證瀝青混合料具有較好的低溫抗裂性能。

所以,對于AC-5型瀝青混合料而言,AC-5X型瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

5.2 AC-10型礦料級配對低溫抗裂性能的影響

表2 AC-10型瀝青混合料低溫線收縮系數(shù)測試結(jié)果

圖2 AC-10型瀝青混合料三種級配與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系

綜合比照AC-10型瀝青混合料在相同瀝青含量時,不同設(shè)計級配曲線與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系,可以得到以下幾個結(jié)論:

(1)三種設(shè)計級配曲線的線收縮系數(shù)均隨著瀝青含量的增加而增大。

(2)在瀝青含量小于6.7%時,A-10S型瀝青混合料具有最小的線收縮系數(shù)。而正常情況下,為保證工程的經(jīng)濟性,瀝青用量一般控制在6.7%以下。

所以,對于AC-10型瀝青混合料而言,AC-10S型瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

5.3 AC-13型礦料級配對低溫抗裂性能的影響

表3 AC-13型瀝青混合料低溫線收縮系數(shù)測試結(jié)果

綜合比照AC-13型瀝青混合料在相同瀝青含量時,不同設(shè)計級配曲線與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系,可以得到以下幾個結(jié)論:

圖3 AC-13型瀝青混合料三種級配與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系

(1)三種設(shè)計級配曲線的線收縮系數(shù)隨著瀝青含量的增加均出現(xiàn)峰值。

(2)AC-13Z型瀝青混合料在瀝青含量小于5%階段,其線收縮系數(shù)明顯低于其他二者;在瀝青含量大于5%區(qū)間,其線收縮系數(shù)與AC-13X接近,均遠小于AC-13S型。另外,AC-13Z型瀝青混合料線收縮系數(shù)變化較均衡,無較大突變。

所以,對于AC-13型瀝青混合料而言,AC-13Z型瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

5.4 基于低溫抗裂性的礦料級配優(yōu)選

通過對AC-5、AC-10以及AC-13三種級配類型瀝青混合料性質(zhì)的對比,選出各種類型中防滲性質(zhì)較好的的設(shè)計曲線,即相同瀝青用量,線收縮系數(shù)較小的級配類型。

完成上述橫向比較后,將各種級配類型中低溫抗裂性能良好的瀝青混合料(AC-5X、AC-10S,AC-13Z)進行縱向比較,選擇出低溫抗裂性最優(yōu)良的瀝青混合料。

通過對右圖的研究分析,可以得到以下結(jié)論:

圖4 瀝青混合料礦料級配對低溫抗裂性影響的縱向優(yōu)化圖

(1)三種級配類型的瀝青混合料線收縮系數(shù)均隨著瀝青含量的增加而增大。

(2)在瀝青含量小于6.7%時,AC-10S相對于其他兩種瀝青混合料具有較小的線收縮系數(shù),從而保證其具有良好的低溫抗裂性能。

(3)AC-5型瀝青混合料瀝青用量是三種混合料中最大的,這就使其溫縮系數(shù)較大,加大了開裂出現(xiàn)的可能性。此外,由于AC-5型瀝青混合料結(jié)構(gòu)比較密實,內(nèi)部空隙偏少,應(yīng)力松弛極限溫度上升,增大了溫度應(yīng)力,提高了開裂的可能性。而AC-13型瀝青混合料相較于AC-10,粒徑差距較大,離析現(xiàn)象更明顯,使結(jié)構(gòu)均勻性下降,導(dǎo)致混合料抗裂性較差。

所以,對AC-5、AC-10與AC-13三種類型,9種級配曲線的的綜合比較,可以判定AC-10S型瀝青混合料具有最好的低溫抗裂性能。

6 結(jié) 論

(1)本文闡述了瀝青混合料低溫開裂的機理及裂縫形式,并從溫度應(yīng)力角度出發(fā),采用低溫線收縮系數(shù)指標(biāo),評價瀝青路面的低溫抗裂性能。

(2)通過低溫線收縮系數(shù)試驗,對比了相同瀝青用量下,瀝青混合料礦料級配與低溫線收縮系數(shù)之間的關(guān)系,確定了三種瀝青混合料中,AC-10S具有最佳的低溫抗裂性。

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