彩雷洲,陸圣嘉,王燦升
(1.中路交建(北京)工程材料技術(shù)有限公司,北京 100088; 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)
為防治“白改黑”路面的反射裂縫病害,道路建設(shè)者經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)踐檢驗(yàn),證明在新瀝青面層和原有的水泥混凝土基層之間加鋪一層應(yīng)力吸收層,能夠有效消減車(chē)輛荷載應(yīng)力,抑制反射裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展[1-5]。應(yīng)力吸收層通常選擇瀝青為膠結(jié)料,碎石集料為傳力介質(zhì),不僅可以黏結(jié)面層與基層,還具有應(yīng)力吸收、防止?jié)B水、防止反射裂縫的功能[6-7]。
黃衛(wèi)東等[8]研究了連續(xù)密級(jí)配橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層,發(fā)現(xiàn)瀝青針入度會(huì)顯著地影響應(yīng)力吸收層的疲勞壽命;李祖仲等[9]通過(guò)拉伸與拉壓疲勞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)使用的改性瀝青抗拉伸應(yīng)變能力越強(qiáng),其混合料抗拉伸能力越強(qiáng);洪海等[10]通過(guò)ANSYS有限元軟件對(duì)應(yīng)力吸收層的應(yīng)力分布進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)使用改性瀝青可以有效延緩裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展速度;王海朋等[11]針對(duì)不同級(jí)配的應(yīng)力吸收層進(jìn)行對(duì)比研究;孫潔[12]基于TPS改性劑,對(duì)比分析了普通改性瀝青與TPS改性瀝青對(duì)路應(yīng)力吸收層路用性能的影響。
不同于普通應(yīng)力吸收層[13-14],本文研究的富油型應(yīng)力吸收層使用6.5%以上的高油石比,增加有效瀝青含量,強(qiáng)化應(yīng)力消減能力。本文分別對(duì)不同瀝青種類(lèi)和油石比的富油型AC-10應(yīng)力吸收層的高溫性能、低溫性能與水穩(wěn)定性等路用性能進(jìn)行對(duì)比研究,為廣西及國(guó)內(nèi)類(lèi)似濕熱地區(qū)的應(yīng)力吸收層施工提供參考依據(jù)。本文所用技術(shù)要求按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)和實(shí)際施工技術(shù)要求確定。
富油型應(yīng)力吸收層具有很好的應(yīng)力消減和抗變形能力,主要是因?yàn)椴捎酶吆繛r青可以有效緩解因基層裂縫而引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象,消散裂縫處產(chǎn)生的應(yīng)變,故認(rèn)為瀝青的品質(zhì)是評(píng)價(jià)富油型應(yīng)力吸收層是否合格的關(guān)鍵[15-18]。為研究不同種類(lèi)瀝青的應(yīng)力吸收層瀝青混合料的路用性能,本文分別使用SBS(I-D)改性瀝青和專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青制備AC-10型瀝青混合料[19]。其中,專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青由SBS(I-D)改性瀝青和摻量為8%的高黏改性劑制備而成。SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1,高黏高彈瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。
表1 SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)
表2 專(zhuān)用高黏高彈瀝青的技術(shù)指標(biāo)
本文所用粗集料為4.75~9.5 mm和2.36~4.75 mm兩檔粒徑的石灰?guī)r碎石,細(xì)集料為0~2.36 mm粒徑的機(jī)制砂,填料為礦粉,AC-10混合料中各組分比例為粗集料(4.75~9.5 mm)∶粗集料(2.36~4.75 mm)∶細(xì)集料(0~2.36 mm)∶礦粉=65∶9∶21∶5[20]。集料性能指標(biāo)及合成級(jí)配滿足本文技術(shù)要求,粗集料、細(xì)集料及填料的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3~5,AC-10混合料的合成級(jí)配見(jiàn)表6。
表3 粗集料的技術(shù)指標(biāo)
表4 細(xì)集料的技術(shù)指標(biāo)
表5 礦粉的技術(shù)指標(biāo)
表6 合成級(jí)配
為研究油石比對(duì)AC-10瀝青混合料的影響,本文使用SBS(I-D)改性瀝青,根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)與施工經(jīng)驗(yàn),按5.0%~6.6%、間隔為0.4%的5組油石比制作AC-10型馬歇爾試件。馬歇爾試件擊實(shí)次數(shù)為75次,試驗(yàn)溫度條件見(jiàn)表7,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。空隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值及粉膠比與油石比的關(guān)系見(jiàn)圖1,圖中橫虛線為工程及技術(shù)規(guī)范要求。
表7 馬歇爾試驗(yàn)溫度條件
表8 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果匯總
圖1 油石比關(guān)系
為保證應(yīng)力吸收層的施工和易性,本文使用SBS(I-D)改性瀝青,按5.0%~7.8%、間隔為0.4%的8組油石比進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表9,析漏損失率和油石比的關(guān)系見(jiàn)圖2。
分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果,可以得出以下結(jié)論。
表9 析漏試驗(yàn)結(jié)果匯總
圖2 油石比和析漏損失率的關(guān)系
(1)為滿足混合料空隙率不小于2.5%及粉膠比不大于1.6的技術(shù)要求,取AC-10瀝青混合料油石比下限為5.9%。
(2)根據(jù)油石比與穩(wěn)定度的關(guān)系圖,當(dāng)混合料使用的油石比從5.0%增加到5.8%時(shí),試件穩(wěn)定度減小了1.2%,但是當(dāng)油石比從5.8%增加到6.6%時(shí),穩(wěn)定度減小了10.0%,減小幅度明顯增大。試驗(yàn)結(jié)果表明:雖然增加SBS改性瀝青用量可以有效提高應(yīng)力吸收層的應(yīng)力消減能力,但是油石比越高,穩(wěn)定度越差,對(duì)瀝青混合料的性能不利。
(3)根據(jù)油石比與流值的關(guān)系圖,隨著油石比的增加,混合料流值變化不大,穩(wěn)定在3.2~3.5 mm之間,符合本文技術(shù)要求。
(4)根據(jù)析漏損失率和油石比的關(guān)系圖,析漏損失率隨著瀝青混合料油石比的增大而增大,析漏損失率曲線陡增的拐點(diǎn)出現(xiàn)在油石比為6.5%時(shí),因此從施工和易性及經(jīng)濟(jì)性的角度考慮,將6.5%作為瀝青混合料油石比的上限。
綜上所述,AC-10瀝青混合料油石比的推薦范圍為5.9%~6.5%。為研究油石比對(duì)應(yīng)力吸收層路用性能的影響,分別使用5.9%、6.2%和6.5%的油石比,對(duì)AC-10型SBS改性瀝青混合料的高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證。
2.1.1 高溫性能
瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是指瀝青路面在高溫和車(chē)輛荷載作用下抵抗變形的能力,通常以車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。廣西夏季平均溫度可達(dá)30 ℃以上,應(yīng)力吸收層良好的高溫穩(wěn)定性是其在廣西及類(lèi)似夏季炎熱地區(qū)推廣應(yīng)用的決定性因素。AC-10型SBS改性瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表10。
表10 車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)
2.1.2 低溫性能
當(dāng)瀝青路面溫度降低時(shí),瀝青混合料體積收縮,甚至?xí)霈F(xiàn)收縮裂縫,對(duì)瀝青路面功能造成極大破壞。應(yīng)力吸收層如果出現(xiàn)溫度收縮裂縫,其應(yīng)力消減能力就會(huì)大大降低,甚至消失,故應(yīng)該嚴(yán)格要求其低溫抗裂性能。本文使用0 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表11。
表11 小梁彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)
2.1.3 水穩(wěn)定性
水損害是瀝青路面最常見(jiàn)的病害之一,其形成機(jī)理是:侵入瀝青混合料中的水在車(chē)輛荷載與溫度的雙重作用下,降低瀝青黏附性,破壞混合料原本穩(wěn)定的內(nèi)部結(jié)構(gòu),從而產(chǎn)生各種病害。本文采用殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青的水穩(wěn)定性,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表12。
由以上路用性能試驗(yàn)可知,隨著油石比的增加,AC-10型SBS改性瀝青混合料的高溫性能下降。當(dāng)油石比從5.9%增加到6.5%時(shí),混合料的動(dòng)穩(wěn)定度下降了40.5%。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),隨著混合料油石比的增加,動(dòng)穩(wěn)定度下降的幅度明顯增大。
表12 水穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)
隨著油石比的增加,AC-10瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性都得到增強(qiáng)。當(dāng)油石比從5.9%增加到6.5%時(shí),混合料的低溫彎拉應(yīng)變提高33.7%,浸水殘留穩(wěn)定度提高2.8%,凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比提高3.8%。
為提升工程品質(zhì),本文通過(guò)在SBS改性瀝青中摻入高黏改性劑來(lái)改善瀝青混合料的性能。本文按6.5%的油石比,分別使用專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青和SBS(I-D)改性瀝青制備AC-10瀝青混合料,通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)驗(yàn)證其高溫性能,通過(guò)0 ℃低溫小梁彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證其低溫性能,通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證其水穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表13~15。
表13 車(chē)轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)
表14 小梁彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)
表15 水穩(wěn)定性數(shù)據(jù)對(duì)比
由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在同級(jí)配、油石比條件下,專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青混合料和SBS(I-D)改性瀝青混合料相比,動(dòng)穩(wěn)定度提高了130.0%,低溫彎拉應(yīng)變提高了52.7%,浸水殘留穩(wěn)定度提高了5.3%,凍融劈裂強(qiáng)度提高了11.1%,各方面性能,尤其是高、低溫性能得到大幅度提升。
通過(guò)分別對(duì)比瀝青種類(lèi)及油石比,對(duì)富油型AC-10應(yīng)力吸收層的路用性能進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論。
(1)富油型AC-10瀝青混合料的設(shè)計(jì)油石比推薦范圍為5.9%~6.5%。使用SBS改性瀝青時(shí),隨著油石比的增大,AC-10應(yīng)力吸收層的高溫性能會(huì)有小幅度下降,但是低溫性能、水穩(wěn)定性及應(yīng)力吸收能力都得到加強(qiáng)。
(2)使用專(zhuān)用高黏高彈改性瀝青可以有效解決油石比增大導(dǎo)致富油型AC-10應(yīng)力吸收層高溫性能下降的問(wèn)題,大幅度提升應(yīng)力吸收層的高溫性能和低溫性能,對(duì)水穩(wěn)定性也有小幅加強(qiáng)的作用。
(3)廣西屬于濕熱地區(qū),夏季日均最高氣溫在30 ℃以上,對(duì)高溫性能的要求較高。根據(jù)路用性能對(duì)比結(jié)果,推薦廣西省及類(lèi)似濕熱地區(qū)的富油型AC-10應(yīng)力吸收層使用高黏高彈改性瀝青。