橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計方法探討

尚同羊，張 苛，高濤濤，張爭奇

(1.陜西高速機(jī)械化工程有限公司，陜西西安710038;2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，陜西西安710064;3.重慶能源職業(yè)學(xué)院，重慶400041)

0 引言

我國在上世紀(jì)末修建了大量的水泥混凝土路面，大多處于養(yǎng)護(hù)維修期.舊水泥混凝土路面之上加鋪瀝青層，既可以利用原有混凝土路面的強(qiáng)度優(yōu)勢，又能充分發(fā)揮瀝青路面的整體性和舒適性，是舊水泥混凝土路面維修改造的好途徑［1-2］.加鋪瀝青面層后，由于舊水泥混凝土板存在原始接縫和裂縫缺陷，在交通荷載和外部環(huán)境的交互作用下，新鋪瀝青面層上會出現(xiàn)反射裂縫［3-4］，既影響路面美觀，又成了路面的薄弱環(huán)節(jié)，會引起其他路面病害，諸如脫落、松散、坑槽、搓板等，所以，采取措施加強(qiáng)舊混凝土路面與瀝青面層的結(jié)合，對防止反射裂縫至關(guān)重要.在水泥混凝土路面與瀝青面層之間加設(shè)一層橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，已成為比較常見的工程措施，實踐中，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計多依據(jù)經(jīng)驗，難免會導(dǎo)致一些工程問題，無法取得預(yù)期的效果.

我國目前還沒有一套完整的應(yīng)力吸收層混合料設(shè)計方法，JTG—40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中“瀝青表面處治材料規(guī)格和用量”僅給出了一個范圍［5］.對應(yīng)力吸收層原材料的選取和評價指標(biāo)多是建立在經(jīng)驗法或半經(jīng)驗法之上，有些并不完全適合我國情況，不宜直接照搬套用.已有研究［6-7］表明，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層所用的瀝青結(jié)合料和集料及其用量受公路等級、舊路表面狀況、交通流量及氣候等條件的影響.所以，結(jié)合橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的作用和要求，研究橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的材料技術(shù)要求和設(shè)計方法，對橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的合理應(yīng)用和推廣具有重要的現(xiàn)實意義.

1 現(xiàn)有橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計方法

應(yīng)力吸收層設(shè)計方法主要有理論法和經(jīng)驗法2種，最早的理論法是Hanson于1934年提出的，如南非的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計方法，其理論基礎(chǔ)就是Hanson的空隙填充理論.理論法設(shè)計采用骨料松裝密度、空隙率和吸水率等數(shù)據(jù)，根據(jù)骨料的尺寸和扁平指數(shù)計算出同步碎石應(yīng)力吸收層的最小尺寸，并考慮現(xiàn)有路面條件、交通量、骨料嵌入等多個因素，最后采用相關(guān)公式確定最佳的骨料撒布量和瀝青結(jié)合料用量.理論法主要是采用公式初步確定最佳瀝青用量及最佳碎石用量，并考慮現(xiàn)有路面破損狀況、交通流量等因素對初步確定值進(jìn)行修正.

經(jīng)驗法是目前瀝青應(yīng)力吸收層最常用的方法.該法中，結(jié)合料的選取與劑量、碎石粒徑及撒鋪量的確定等大多基于經(jīng)驗，主要由有經(jīng)驗的道路工程技術(shù)人員，根據(jù)多年施工經(jīng)驗，結(jié)合當(dāng)?shù)嘏f路面狀況，初步確定瀝青用量和碎石撒布量，然后觀測施工效果，根據(jù)情況在施工過程中隨時進(jìn)行調(diào)節(jié).該法的缺點是瀝青用量主觀隨意性較大，另外，在施工試鋪過程中隨時調(diào)節(jié)試鋪，會造成一定的資源浪費.

2 基于抗剪強(qiáng)度的應(yīng)力吸收層材料組成設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

根據(jù)病害調(diào)查可知，舊水泥路面加鋪瀝青層后路面易出現(xiàn)脫落、松散、坑槽、搓板等病害，據(jù)分析，這些病害主要是因為瀝青面層與水泥混凝土層的模量差異大，變形不一致而引起的.橡膠瀝青應(yīng)力吸收層本身雖具有良好的柔性，但其作為加設(shè)于舊混凝土路面和瀝青面層之間的中間層，與上下兩層的結(jié)合程度影響著橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的最終使用效果，應(yīng)力吸收層與上、下兩層結(jié)合緊密，則能延緩下臥層的裂縫擴(kuò)展，且防止瀝青面層水分下滲;結(jié)合不緊密，則難以起到上述作用.所以，可采用層間抗剪強(qiáng)度評價橡膠瀝青應(yīng)力吸收層性能和效果.

據(jù)此，筆者提出基于層間抗剪強(qiáng)度的應(yīng)力吸收層材料組成設(shè)計方法，通過對不同瀝青用量及碎石撒布量的應(yīng)力吸收層進(jìn)行抗剪強(qiáng)度試驗，確定合理的瀝青用量及碎石撒布量，從而保證瀝青的裹覆高度和足夠的層間強(qiáng)度.

2.2 集料要求

應(yīng)力吸收層宜采用“一石到頂”的結(jié)構(gòu)，即碎石的最大粒徑與應(yīng)力吸收層的厚度基本相等［8］.應(yīng)力吸收層宜采用單一粒徑的石料，同時碎石應(yīng)具有足夠的硬度，避免由于碾壓造成針片狀或細(xì)小石屑含量增加.在選擇碎石時，應(yīng)盡量使用孔隙率較小、質(zhì)地比較密實、近似立方體形狀的碎石，減少針片狀結(jié)構(gòu)碎石的含量，確保碎石的骨架嵌擠作用.國外橡膠瀝青應(yīng)力吸收層中采用的碎石均以單一粒徑為主，一般要求應(yīng)力吸收層碎石針片狀不大于12%，而且對粉料與小碎石的含量有嚴(yán)格的要求.

筆者試驗采用陜西涇陽產(chǎn)的石灰?guī)r碎石，粒徑9.5～13.2 mm，其技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1，滿足規(guī)范要求.

2.3 基于界面強(qiáng)度的應(yīng)力吸收層瀝青優(yōu)選

為了比較不同結(jié)合料對應(yīng)力吸收層的影響，選擇橡膠瀝青、SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，并采用層間剪切強(qiáng)度試驗確定結(jié)合料類型和用量.其中橡膠瀝青選取粒徑為420 μm的橡膠粉，摻量19%，在溫度為185～195℃高速攪拌1 h制成.SBS改性瀝青采用成品的科氏改性瀝青，基質(zhì)瀝青為90號SK瀝青.

表1 碎石的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical index of gravel

瀝青用量值依據(jù)工程實踐經(jīng)驗［9］，選取1.4、1.7、2.0、2.3 kg/m24 個用量，碎石撒布量采用固定值12 kg/m2.試驗剪切速率50 mm/min，測試不同結(jié)合料應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)的層間抗剪強(qiáng)度.根據(jù)試驗結(jié)果，繪制45℃時3種瀝青結(jié)合料應(yīng)力吸收層的層間抗剪強(qiáng)度如圖1.

圖1 45℃瀝青種類對抗剪強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of asphalt to anti-shear strength at 45℃

圖1表明，瀝青種類及其灑布量對應(yīng)力吸收層粘結(jié)效果的影響較明顯.溫度45℃時，在1.4～2.3 kg/m2范圍內(nèi)，基質(zhì)瀝青及SBS改性瀝青應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度曲線有峰值，即隨著瀝青用量的增加，層間抗剪強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)瀝青灑布量為1.7 kg/m2時，抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值.同時試驗中也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基質(zhì)瀝青或 SBS灑布量大于2.0 kg/m2時，瀝青結(jié)合料會發(fā)生嚴(yán)重流淌.橡膠瀝青應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度隨灑布量的增大而增加，未出現(xiàn)流淌現(xiàn)象.

比較不同瀝青結(jié)合料應(yīng)力吸收層最大抗剪強(qiáng)度，其從大到小依次為:橡膠瀝青＞SBS改性瀝青＞基質(zhì)瀝青.可以看出橡膠瀝青應(yīng)力吸收層表現(xiàn)出優(yōu)良的抗剪性能，可以加強(qiáng)舊水泥混凝土路面加鋪結(jié)構(gòu)的整體協(xié)同受力，延長道路服務(wù)壽命.因此，在舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層，建議采用橡膠瀝青作為應(yīng)力吸收層用瀝青結(jié)合料.

2.4 基于層間抗剪強(qiáng)度為設(shè)計指標(biāo)的應(yīng)力吸收層設(shè)計

筆者研究基于層間抗剪強(qiáng)度的應(yīng)力吸收層材料構(gòu)成，并采用室內(nèi)模擬試驗評價橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的性能并確定材料構(gòu)成.假設(shè)舊水泥混凝土路面需加鋪瀝青瑪蹄脂(SMA)混合料為了防止反射裂縫，以及加強(qiáng)混凝土路面與加鋪層的結(jié)合，在水泥混凝土與瀝青面層之間加設(shè)一層橡膠瀝青應(yīng)力吸收層.

根據(jù)西安市的實際情況，選取常溫25℃、高溫45℃作為抗剪強(qiáng)度的試驗溫度，對橡膠瀝青應(yīng)力吸收層進(jìn)行瀝青用量及碎石灑布量的綜合優(yōu)選.

試驗時，將成型好的300 mm×300 mm×50 mm的水泥板表面清掃干凈，放入加厚的車轍板模具中，然后在水泥板上均勻灑布既定用量的橡膠瀝青，灑布溫度185～195℃，緊接著將水洗后的預(yù)熱碎石均勻撒布在瀝青結(jié)合料上.然后在其上加鋪SMA瀝青混合料，待瀝青面層冷卻24 h后拆模.使用鉆芯機(jī)鉆芯取樣，芯樣大小Φ×H=10 cm×10 cm，每塊基層板鉆取4個試件，采用層間剪切儀測試抗剪強(qiáng)度，應(yīng)力吸收層層間剪切儀如圖2所示.

圖2 應(yīng)力吸收層層間剪切儀Fig.2 Stress absorbing membrane interlayer shear apparatus

2.4.1 25℃常溫時根據(jù)層間抗剪強(qiáng)度進(jìn)行瀝青用量及碎石撒布量的優(yōu)選

25℃時不同瀝青灑布量下層間抗剪強(qiáng)度與碎石撒布量的關(guān)系如圖3所示.

從圖3可看出，①在同一瀝青灑布量下，隨著碎石撒布量的增加層間抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在撒布量為14 kg/m2左右達(dá)到最大值;②在碎石撒布量一定的情況下，隨瀝青用量的增大，抗剪強(qiáng)度先增大后減小，在瀝青灑布量2.2 kg/m2時，剪切強(qiáng)度取得最大值，瀝青灑布量從1.8 kg/m2至2.2 kg/m2抗剪強(qiáng)度不斷增加，當(dāng)大于2.4 kg/m2瀝青用量時，抗剪強(qiáng)度逐漸降低.

圖3 25℃不同瀝青灑布量下抗剪強(qiáng)度與碎石撒布量的關(guān)系Fig.3 Relations between anti-shear strength and gravel spreading amount at different asphalt spraying content at 25℃

基于以上試驗結(jié)果，確定基于抗剪切強(qiáng)度的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層最佳碎石撒布量為14 kg/m2，橡膠瀝青最佳灑布量為2.2 kg/m2，可達(dá)到覆蓋率85%以上，且碎石無重疊.

2.4.2 45℃高溫時根據(jù)層間抗剪強(qiáng)度進(jìn)行瀝青用量及碎石撒布量的優(yōu)選

45℃時不同瀝青灑布量下層間抗剪強(qiáng)度與碎石撒布量的關(guān)系如圖4所示.

圖4 45℃不同瀝青灑布量下抗剪強(qiáng)度與碎石撒布量的關(guān)系Fig.4 Relations between anti-shear strength and gravel spreading amount at different asphalt spraying content at 45℃

從圖4可看出隨碎石撒布量的增加，45℃層間抗剪強(qiáng)度隨碎石撒布量和瀝青撒布量總體均呈先增大后減小的趨勢，在碎石撒布量14 kg/m2，瀝青灑布量2.2 kg/m2達(dá)到最大抗剪強(qiáng)度.

應(yīng)用DPS軟件回歸出25、45℃時，應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度與不同碎石撒布量和瀝青用量的相關(guān)關(guān)系式，見表2.通過回歸公式可以反算出抗剪強(qiáng)度最大值所對應(yīng)的碎石撒布量和瀝青用量.

表2 抗剪強(qiáng)度與不同碎石撒布量和瀝青用量的關(guān)系Tab.2 Relationship between anti-shear strength and gravel spreading amount and asphalt spraying content

從表2可知，25℃時，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層層間最大抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)在橡膠瀝青用量為2.2～2.4 kg/m2，碎石撒布量為12.5～13.5 kg/m2之間;45℃時，應(yīng)力吸收層層間最大抗剪強(qiáng)度對應(yīng)的碎石撒布量范圍為13.5～14.5 kg/m2，瀝青灑布量的最佳范圍2.0～2.4 kg/m2.

通過對以上抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果的分析可知，瀝青用量過小或碎石用量過大，碎石之間的瀝青膜較少，無法保證瀝青與碎石間充分的粘結(jié)，碎石較松散，且上層石料與瀝青的裹覆面積減小，粘結(jié)力下降，這就導(dǎo)致整體剪切強(qiáng)度低;同時，瀝青用量過少會使瀝青不足以達(dá)到一定的裹覆碎石深度，影響其防水效果.

瀝青用量過多或者碎石用量過少，多余的瀝青就會成為使石料發(fā)生位移的潤滑劑，抗剪強(qiáng)度也隨著瀝青用量的增加而減小.經(jīng)驗［10］表明，瀝青灑布量過多，會導(dǎo)致泛油，形成軟弱夾層，且多余瀝青局部未被石料覆蓋，壓路機(jī)碾壓時會出現(xiàn)粘輪現(xiàn)象，嚴(yán)重者將會導(dǎo)致施工困難乃至無法施工.

圖5為不同溫度下的抗剪強(qiáng)度，無論是45℃高溫，還是25℃常溫，其層間抗剪強(qiáng)度隨瀝青灑布量的變化表現(xiàn)出相同的規(guī)律.

圖5 不同溫度層間抗剪強(qiáng)度隨瀝青撒布量的變化Fig.5 Variations of interlaminar anti-shear strength with asphalt spraying content at different temperature

從以上試驗可知，溫度對應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度具有顯著影響，45℃高溫時的抗剪強(qiáng)度明顯低于25℃常溫時的抗剪強(qiáng)度.溫度增大，抗剪強(qiáng)度降幅較大，這也是瀝青路面層間破壞主要發(fā)生在夏季的原因.因此，在進(jìn)行層間材料設(shè)計時，必須因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件及應(yīng)力吸收層材料在路面結(jié)構(gòu)中所處的位置，考慮采用合適的試驗溫度進(jìn)行試驗評價，檢驗其層間抗剪強(qiáng)度，避免路面在夏季高溫行車荷載作用下出現(xiàn)層間滑移而導(dǎo)致路面發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，以提高道路服務(wù)質(zhì)量和使用壽命.

3 結(jié)論

根據(jù)應(yīng)力吸收層的功能要求，探討以層間抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計方法.通過室內(nèi)層間抗剪強(qiáng)度模擬試驗和分析，推薦了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層材料設(shè)計建議.

(1)25℃時，各碎石撒布量對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度峰值均出現(xiàn)在橡膠瀝青用量2.2～2.4 kg/m2的范圍內(nèi).各瀝青灑布量下，最大抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)在碎石撒布量12.5～13.5 kg/m2內(nèi).

(2)溫度對應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度具有顯著影響，45℃高溫時的抗剪強(qiáng)度均明顯低于25℃常溫時的抗剪強(qiáng)度，且抗剪強(qiáng)度降幅較大.通過45℃抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果分析可得出最佳橡膠瀝青灑布量為2.0～2.4 kg/m2，最佳碎石用量為13.5～14.5 kg/m2.

(3)綜合對高溫和常溫橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗剪強(qiáng)度的研究，推薦最佳橡膠瀝青灑布量為2.2～2.4 kg/m2，最佳碎石撒布量為 13.5～14.5 kg/m2.

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