成型方法對(duì)柔性基層抗裂性能的影響研究

袁盛杰，廖亞雄，魏 威

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

半剛性基層瀝青路面在低溫條件下，經(jīng)重載反復(fù)作用會(huì)形成疲勞裂縫[1]，并且是當(dāng)下重載車載增多的趨勢下表現(xiàn)出的主要破壞形式之一，不利于當(dāng)下長壽命道路的發(fā)展理念。而開裂的起始點(diǎn)往往在基層，應(yīng)用柔性基層解決半剛性基層瀝青路面是有效的解決方法之一，因此必須保證柔性基層具有良好的低溫抗裂性能，以發(fā)揮其優(yōu)勢[2]。而不同的成型方法對(duì)柔性基層路用性能的影響也不同，對(duì)此研究者在不同成型方法之下均做過一些體積參數(shù)與路用性能的比較。劉海龍[3]研究了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法下柔性基層的路用性能，發(fā)現(xiàn)基于力學(xué)原理的方法優(yōu)于馬歇爾方法。賈立萍等[4]在北楊公路大中修過程中采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法進(jìn)行柔性基層的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)試件的體積參數(shù)雖然與現(xiàn)有規(guī)范有出入，但室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)踐均表現(xiàn)出了良好的使用效果。王建華[5]研究了常用柔性基層的低溫抗裂性，發(fā)現(xiàn)ATB-30要優(yōu)于ATB-25，并以馬歇爾設(shè)計(jì)配合比，再用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型性能最佳。鑒于此，依托G215線馬鬃山至橋?yàn)彻饭こ蘉QCKS-1標(biāo)段對(duì)ATB-30柔性基層基于抗裂性能研究成型方法的適用性。

1 原材料

(1)瀝青

試驗(yàn)用瀝青為A級(jí)70號(hào)瀝青，產(chǎn)自新疆克拉瑪，其技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 A級(jí)70#瀝青技術(shù)性質(zhì)

(2)粗集料

試驗(yàn)用粗集料為石灰?guī)r碎石，機(jī)制砂為試驗(yàn)用細(xì)集料，礦粉為石灰?guī)r礦粉，技術(shù)符合規(guī)范要求。

(3)級(jí)配

表2 ATB-30瀝青混合料級(jí)配各檔篩孔通過率

2 試驗(yàn)方案

2.1 成型方法

為了能評(píng)價(jià)成型方法的適用性，所有成型的試件尺寸均為φ150 mm×h100 mm，分別采用馬歇爾擊實(shí)法、振動(dòng)壓實(shí)法與GTM法成型試件。

(1)馬歇爾擊實(shí)法

馬歇爾擊實(shí)法是世界上使用時(shí)間最長、范圍最廣的方法，20世紀(jì)40年代發(fā)明，可根據(jù)擊實(shí)次數(shù)的調(diào)整適應(yīng)不同的交通軸載水平。但是在使用中會(huì)存在試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)大、不穩(wěn)定的情況，會(huì)與實(shí)際情況有差距。對(duì)此，鄭求才等[6]研究了柔性基層的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾與大馬歇爾試件的影響，并根據(jù)不同試件尺寸提出了在設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面的指導(dǎo)意見。馬歇爾擊實(shí)法采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E-20—2011)中的大型馬歇爾試件制作方法進(jìn)行，錘重為10.21 kg，擊實(shí)次數(shù)為112次。

(2)振動(dòng)擊實(shí)法

振動(dòng)擊實(shí)法最早在歐洲使用，國內(nèi)外對(duì)此有著較多的研究。解曉光等[7]研究指出當(dāng)混合料中4.75 mm篩孔的通過率若大于40%～50%，馬歇爾擊實(shí)法成型試件的體積參數(shù)與振動(dòng)擊實(shí)成型基本一致；隨著4.75 mm篩孔通過率的減少，馬歇爾擊實(shí)法會(huì)呈現(xiàn)出顆粒破碎量增大，而振動(dòng)擊實(shí)法不會(huì)；當(dāng)4.75 mm篩孔通過率低于35%時(shí)，振動(dòng)擊實(shí)法可以使顆粒排列更加密集，馬歇爾穩(wěn)定度和抗裂性能顯著提高。沙愛民[8-9]研究指出，對(duì)于大粒徑碎石瀝青混合料不宜采用馬歇爾擊實(shí)法成型試件，易造成集料破碎，尤其是在公稱最大粒徑附近的集料破碎情況嚴(yán)重，以致改變?cè)械募?jí)配組成影響混合料性質(zhì)。王天林[10]采用振動(dòng)擊實(shí)法對(duì)ATB-30的力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該方法下室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場芯樣跟接近。在規(guī)范振動(dòng)成型方法的基礎(chǔ)上已有研究采用了與實(shí)際跟相符的垂直振動(dòng)成型方法[11]，根據(jù)已有研究成果，垂直振動(dòng)成型方法的參數(shù)采用上車系統(tǒng)重量108 kg，下車系統(tǒng)質(zhì)量167 kg，使用質(zhì)量更符合ATB-30瀝青混合料的成型。振動(dòng)頻率為38 Hz，名義振幅調(diào)為1.2。

(3)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(Gyratory Testing Machine，簡稱GTM)在1960年左右由美國Army Corps of Engineers最先發(fā)明，用于道路材料試驗(yàn)。隨后美國空軍發(fā)現(xiàn)重型飛行設(shè)備對(duì)機(jī)場道路的損害尤為嚴(yán)重，為了解決這個(gè)問題，組織道路相關(guān)學(xué)者對(duì)GTM進(jìn)一步深入開發(fā)研究，研究成果經(jīng)整理成為現(xiàn)路面材料的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計(jì)法。GTM較為真實(shí)地還原了輪載對(duì)路面的作用效果，它將壓實(shí)與剪切兩種作用方式用一臺(tái)機(jī)器來模擬且結(jié)合良好，能再現(xiàn)柔性路面在荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)，將輪載碾壓路面時(shí)輪胎與道路的作用效果最大程度地還原，室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)際施工、壓實(shí)都比較接近，經(jīng)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后，瀝青混合料的試件密度與車輛輪胎作用于路面后的密實(shí)度有著高度的一致性。由GTM法的設(shè)計(jì)理念可以知道，它的目標(biāo)是防治瀝青混合料產(chǎn)生較大的累計(jì)變形，先分析混合料的力學(xué)特性再設(shè)計(jì)混合料的配比，與傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)法相比更加合理[12]。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法試驗(yàn)壓強(qiáng)采用我國標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7 MPa，試驗(yàn)參數(shù)參考已有研究[13]，應(yīng)變比取1.05，抗剪安全系數(shù)大于1.0。

不同成型方法下馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 不同成型方法下馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.2 SCB試驗(yàn)方法

瀝青路面的開裂多數(shù)是由于疲勞開裂引起，隨著軸載作用次數(shù)的增加與損傷的加劇，超過一定界限會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，因此抗裂性能在一定程度上決定道路的使用壽命。對(duì)于抗裂性能的評(píng)價(jià)方法有很多，尤其以斷裂學(xué)評(píng)價(jià)方法最符合實(shí)際。半圓彎曲試驗(yàn)(SCB試驗(yàn))操作簡單，試件來源廣泛，重復(fù)性好，是近年來評(píng)價(jià)瀝青混合料開裂性能的主要方法[14]。根據(jù)斷裂力學(xué)理論進(jìn)行SCB試驗(yàn)后進(jìn)行抗裂性能研究，試驗(yàn)在-10 ℃進(jìn)行，試件底部支撐點(diǎn)間距取120 mm，加載速率為5 mm/min，采用具有伺服機(jī)制的UTM試驗(yàn)機(jī)開展試驗(yàn)。SCB抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式如下

(1)

式中：P為極限荷載，N；t為試件厚度，mm，一般選為50。

2.3 抗裂性能評(píng)價(jià)

對(duì)于抗裂性能的評(píng)價(jià)方法有很多，尤其以斷裂學(xué)評(píng)價(jià)方法最符合實(shí)際[15]，以線彈性斷裂力學(xué)的方法，采用應(yīng)力強(qiáng)度因子與能量釋放率來評(píng)價(jià)柔性基層的抗裂性能。

(1)應(yīng)力強(qiáng)度因子

應(yīng)力強(qiáng)度因子是反映裂縫尖端應(yīng)力場強(qiáng)弱的物理量，它與應(yīng)力、裂縫位置和尺寸等因素有關(guān)。隨著裂縫寬度不斷增大或者應(yīng)力逐漸增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子也逐漸增大。研究表明，當(dāng)K增大到某一臨界值KIC時(shí)，裂縫就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，KIC稱為斷裂韌度。對(duì)于瀝青混合料而言，計(jì)算見公式(2)

(2)

式中：R、t分別為試件的半徑與厚度，厚度取50 mm；a為試件的破壞時(shí)的有效裂縫長度；P為試件的破壞荷載；Y是形狀參數(shù)。

(2)能量釋放率

能量釋放率按照美國AASHTO TP105-2015中的計(jì)算方法進(jìn)行，由公式(3)計(jì)算

(3)

式中：W為試件破壞過程中釋放的能量，J；A為試件破壞時(shí)的裂縫擴(kuò)展面積，mm2。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 SCB試驗(yàn)結(jié)果

不同成型方法下的SCB試驗(yàn)結(jié)果見表4，歸一化數(shù)值分析見表5。

表4 不同成型方法-10 ℃下SCB試驗(yàn)結(jié)果

表5 不同成型方法-10 ℃下 SCB試驗(yàn)結(jié)果歸一化分析

瀝青混合料試件在-10 ℃下表現(xiàn)為線彈性材料，破壞形式為脆性斷裂；由表4、5可知，振動(dòng)擊實(shí)法與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法的試件破壞荷載、強(qiáng)度更高，位移更大，破壞荷載分別比馬歇爾擊實(shí)法提高9%、5%，強(qiáng)度提高38%、50%，位移提高6%，31%，說明后兩種成型方法比馬歇爾擊實(shí)法更符合實(shí)際，集料在成型過程中的排列與結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

3.2 抗裂性能

不同成型方法下的SCB試驗(yàn)結(jié)果見表6，歸一化數(shù)值分析見表7。

表6 不同成型方法下-10 ℃瀝青混合料抗裂性能

表7 不同成型方法下-10 ℃瀝青混合料抗裂性能歸一化分析

由表6、7可知，振動(dòng)擊實(shí)法與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型的試件抗裂性能均優(yōu)于馬歇爾擊實(shí)法，印證了瀝青混合料的抗裂性能會(huì)隨著孔隙率的增大而降低[16]。而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法的斷裂韌度與能量釋放率分別高于振動(dòng)擊實(shí)法13%、12%，這是因?yàn)楦牧颊駝?dòng)法的擊實(shí)原理是基于低振幅的持續(xù)作用來改變集料的排列方式，無法模擬壓實(shí)過程中的碾壓行為，而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法的搓揉作用與實(shí)際路面成型更相符。

3.3 路用性能

因低溫抗裂性在前文已進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)ATB-30瀝青混合料在3種成型方法下路用性能評(píng)價(jià)只考察高溫性能與水穩(wěn)定性能，高溫性能采用車轍試驗(yàn)，成型10 cm厚車轍板；水穩(wěn)定性采用浸水殘留穩(wěn)定度，抗?jié)B性采用滲水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8，歸一化數(shù)值分析見表9。

表8 不同成型方法下的路用性能

由表8、9可知，路用性能方面，振動(dòng)擊實(shí)法與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法均優(yōu)于馬歇爾擊實(shí)法，相比于馬歇爾法高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性與抗?jié)B性分別提升了31%、24%、1.4%、51.6%，說明旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法用于柔性基層有著優(yōu)良的路用性能，并且比另2種方法有著更好的抗裂性能。

表9 不同成型方法下的路用性能歸一化分析

4 結(jié) 語

(1)采用馬歇爾擊實(shí)法、振動(dòng)擊實(shí)法、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法研究ATB-30柔性基層的抗裂性，以線彈性斷裂力學(xué)的方法，采用應(yīng)力強(qiáng)度因子與能量釋放率來評(píng)價(jià)柔性基層的抗裂性能。

(2)SCB試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)擊實(shí)法與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法成型的試件抗裂性能均優(yōu)于馬歇爾擊實(shí)法，而旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法的抗裂性能可比振動(dòng)擊實(shí)法提高至少12%，原因在于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法的搓揉作用與實(shí)際路面成型更相符。

(3)根據(jù)其他路用性能檢驗(yàn)，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法用于柔性基層有著優(yōu)良的路用性能，并且比馬歇爾擊實(shí)法、振動(dòng)擊實(shí)法有著更好的抗裂性能。與馬歇爾擊實(shí)法相比，高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性與抗?jié)B性分別提升了31%、24%、1.4%、51.6%。