基于三維細(xì)觀空隙的超薄罩面層間灑布量設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)

宗海, 朱文白, 汪昊, 何嘉明, 趙永利, 謝一暢

(1.南京公路發(fā)展(集團(tuán))有限公司, 南京 210000; 2.東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 211189)

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)能夠在路面未發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞的情況下,快速有效地提高路面服務(wù)水平,主要措施包括霧封層、碎石封層、復(fù)合封層、微表處及超薄罩面等,其中超薄罩面憑借良好的抗滑、降噪和快速開放交通等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于道路養(yǎng)護(hù)工程[1]。超薄罩面技術(shù)是將厚度小于正常面層厚度的瀝青混合料攤鋪在原路面上,由罩面層和高性能黏層兩部分組成[2]。一般超薄鋪裝厚度控制在10～30 mm,能夠有效修復(fù)原路表輕度破損以及車轍問題[3]。

傳統(tǒng)的路表鋪裝層材料大多以熱塑性改性瀝青為主,但是抗疲勞性和耐久性較差[4]。為了減少使用過程中松散、剝落以及耐久性不足的問題,可以采用環(huán)氧瀝青作為膠結(jié)料[5-7]。環(huán)氧瀝青作為熱固性改性瀝青膠結(jié)料,強(qiáng)度高、耐磨損而且抗侵蝕[8]。為了防止罩面層與原路面的層間脫落,有必要重視超薄抗滑罩面的層間黏結(jié)性能。中外道路工作者已對(duì)此進(jìn)行了一系列相關(guān)研究,黏結(jié)層在超薄罩面結(jié)構(gòu)體系中極易發(fā)生瀝青與集料之間的黏附破壞、瀝青之間的內(nèi)聚破壞[9],這些破壞都會(huì)導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生松散、脫皮病害。層間灑布量過多時(shí)極易出現(xiàn)內(nèi)聚破壞,層間灑布量過少時(shí),瀝青無法完全裹覆集料并產(chǎn)生黏附破壞。李書飛等[10]采用斜剪、拉拔試驗(yàn)評(píng)價(jià)了環(huán)氧瀝青的層間黏結(jié)強(qiáng)度,結(jié)果表明,這種方法適用性強(qiáng)而且效果優(yōu)異。潘正中等[11]、韓森等[12]研究了不同瀝青灑布量下的鋼橋面鋪裝黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn),在此基礎(chǔ)上可以確定最佳黏結(jié)性能的灑布量組合。目前,許多研究只通過層間剪切及拉拔試驗(yàn)分析強(qiáng)度形成機(jī)理并直接確定黏結(jié)層灑布量[13-14],沒有考慮原路面狀況對(duì)層間灑布量的影響,然而空隙對(duì)抗滑路面的力學(xué)性能和排水性能影響較大[15]。Raposeiras等[16]研究表明,路表宏觀構(gòu)造和黏結(jié)劑的用量對(duì)層間黏結(jié)力都有影響,因此有必要在考慮原路面構(gòu)造或空隙的基礎(chǔ)上,結(jié)合層間黏結(jié)試驗(yàn)研究瀝青的灑布量。

為此,對(duì)Novachip Type-A環(huán)氧瀝青和SMA-13混合料試件進(jìn)行CT掃描和3D重構(gòu),建立三維細(xì)觀空隙模型并分析空隙分布規(guī)律?？紤]原路面與超薄鋪裝層的級(jí)配以及上、下界面處空隙分布情況,確定填充空隙的層間瀝青灑布用量。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合室內(nèi)25、60 ℃的層間45°斜剪、直剪以及拉拔試驗(yàn),分析不同溫度下瀝青灑布量對(duì)層間剪切和黏結(jié)強(qiáng)度的影響。結(jié)合層間宏觀力學(xué)性能與原路表的細(xì)觀構(gòu)造,對(duì)瀝青灑布量進(jìn)行修正并確定最佳層間灑布量,以此為罩面層間設(shè)計(jì)以及材料用量控制奠定理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料

集料的選擇需要考慮棱角性、壓碎值及磨耗值等,優(yōu)選堅(jiān)硬、粗糙且多棱角,同時(shí)應(yīng)該確保礦粉的潔凈與干燥,無結(jié)團(tuán)現(xiàn)象。試驗(yàn)選用的集料為南京高佳路橋工程有限公司的玄武巖,填料選擇與瀝青黏附性較好的石灰?guī)r礦粉,原材料各項(xiàng)性能均滿足規(guī)范[17-18],如表1～表3所示。

表1 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 1 Test results of coarse aggregate performance

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Test results of fine aggregate performance

表3 石灰?guī)r礦粉的技術(shù)指標(biāo)Table 3 Test results of limestone fines

選用的環(huán)氧瀝青基本性能如表4、表5所示,其中A、B組分的質(zhì)量比為58∶42,密度為1.045 g/m3,養(yǎng)生條件為120 ℃時(shí)1 h,然后再60 ℃養(yǎng)生2 d,拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率分別是3.5 MPa(≥1.5 MPa)和256%(≥200%),均滿足《道路與橋梁鋪裝用環(huán)氧瀝青材料通用技術(shù)條件》(GB/T 30598—2014)[20]要求。

表4 環(huán)氧瀝青A組分技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indicators of epoxy asphalt-A

表5 環(huán)氧瀝青B組分技術(shù)指標(biāo)Table 5 Technical indicators of epoxy asphalt-B

為了研究環(huán)氧瀝青超薄鋪裝層與舊瀝青路面的層間黏結(jié)灑布量,按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011[21]制備環(huán)氧瀝青和SMA-13基質(zhì)瀝青混合料。其中級(jí)配對(duì)數(shù)曲線如圖1所示,均選取對(duì)應(yīng)級(jí)配范圍的中值,空隙率分別為12%、3.5%,最佳油石比分別為5.5%、6.5%。

圖1 Novachip Type-A環(huán)氧瀝青和SMA-13基質(zhì)瀝青混合料的級(jí)配曲線Fig.1 Grading curve of Novachip Type-A (epoxy asphalt) and SMA-13 (base asphalt) mixtures

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 CT掃描

工程中超薄鋪裝的黏結(jié)層灑布量需要滿足上層罩面和原路面的空隙填充需求,保證層間黏附效果。在此成型100 mm(長(zhǎng))×100 mm(寬)×15 mm(高)的Novachip Type-A環(huán)氧瀝青和SMA-13基質(zhì)瀝青混合料的薄層試件。采用層螺旋X-ray CT掃描儀,對(duì)成型的兩種瀝青混合料試件進(jìn)行內(nèi)部空隙識(shí)別。將試件保持水平放置,進(jìn)行間距為0.1 mm的各方向斷層掃描,如圖2所示。

圖2 CT掃描原理示意圖Fig.2 Principle of CT scanning

1.2.2 層間剪切強(qiáng)度試驗(yàn)

超薄鋪裝與原路面之間的層間灑布量與黏結(jié)性能還需要通過強(qiáng)度來確定和評(píng)價(jià)?？紤]層間抗剪強(qiáng)度,依據(jù)《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3364-02—2019)[22]進(jìn)行層間45°斜剪試驗(yàn),如圖3、圖4所示。制備50 mm(長(zhǎng))×50 mm(寬)×30 mm(高)的石塊和鋼板,層間撒布量分別為0.3、0.5、0.7、0.9 、1.1 kg/m2,每組5個(gè)平行試件,試驗(yàn)溫度分別為25 ℃和60 ℃,采用UTM-25試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載,速率為10 mm/min。

圖3 45°斜剪試驗(yàn)試件Fig.3 Specimen of 45°inclined shear test

圖4 45°斜剪試驗(yàn)示意圖Fig.4 45°inclined shear test

考慮層間最不利受力狀態(tài),直剪試驗(yàn)?zāi)M只有水平剪應(yīng)力作用時(shí)的抗剪強(qiáng)度。依據(jù)《膠黏劑 拉伸剪切強(qiáng)度的測(cè)定(剛性材料對(duì)剛性材料)》 (GB/T 7124—2008)[23]設(shè)計(jì)直剪試驗(yàn)的試件,采用80 mm(長(zhǎng))×25 mm(寬)×2 mm(高)的不銹鋼片,環(huán)氧瀝青覆蓋長(zhǎng)度為(12.5±0.25)mm,膠層厚度為0.2 mm,如圖5所示,層間灑布量分別為0.3、0.5、0.7、0.9、1.1 kg/m2,每組5個(gè)平行試件,采用拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。

圖5 直剪試驗(yàn)試件Fig.5 Specimens of direct shear test

1.2.3 層間黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)

超薄鋪裝層和原路面的破壞形式還包括張拉破壞,因此還需要考慮層間拉拔強(qiáng)度。參考《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3364-02—2019)[22]進(jìn)行拉拔試驗(yàn),如圖6所示。采用50 mm×50 mm的拉拔頭作為黏結(jié)件,環(huán)氧瀝青用量、溫度條件與斜剪試驗(yàn)一致,每組5個(gè)平行試件,采用UTM-25試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸,速率為10 mm/min。

圖6 層間黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.6 Adhesion strength test of interface

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 基于3D空隙重構(gòu)模型的層間灑布量確定

基于CT掃描獲得的試件斷面灰度圖,利用MATLAB 軟件編制程序,選取合適的閾值提取圖像中的空隙部分并進(jìn)行三維重構(gòu),試件內(nèi)部的三維空隙模型如圖7、圖8所示。

圖7 Novachip Type-A混合料的三維空隙Fig.7 3D void model of Novachip Type-A mixture

圖8 SMA-13基質(zhì)瀝青混合料的三維空隙Fig.8 3D void model of SMA-13 mixture

依據(jù)3D空隙模型,對(duì)空隙分布隨試件深度的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖9可以看出,Novachip Type-A環(huán)氧瀝青和SMA-13基質(zhì)瀝青混合料的空隙率均沿試樣高度呈C型分布,空隙占比從兩端到中間逐漸減小。這是由于試件成型過程中的振動(dòng)壓實(shí)作用導(dǎo)致底部粗骨料多且細(xì)骨料少,空隙率較大。

圖9 基于3維重構(gòu)模型的空隙分布Fig.9 Void distribution based on 3D reconstruction model

Novachip Type-A環(huán)氧瀝青罩面位于路面結(jié)構(gòu)上層,底部空隙占比主要集中在1 mm范圍,原SMA-13基質(zhì)瀝青路面位于鋪裝下層,表面空隙主要集中在2 mm范圍,所以在基于3D空隙結(jié)構(gòu)計(jì)算層間灑布量時(shí),分別選取Novachip Type-A環(huán)氧瀝青罩面底部1 mm和原SMA-13基質(zhì)瀝青路面表面2 mm范圍內(nèi)的空隙體積,如表6所示。

表6 罩面底層和路面表層空隙率Table 6 Voids of the bottom of cover and surface of original pavement

在基于空隙體積確定層間灑布量時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮原路面構(gòu)造深度的磨耗情況,因此將SMA-13表層2 mm范圍內(nèi)的空隙率折減20%[24]并按照式(1)計(jì)算,結(jié)果如表7所示,即環(huán)氧瀝青填充罩面和原路面空隙結(jié)構(gòu)所需要的層間灑布量為0.25 kg/m2。

(1)

表7 基于三維空隙模型的填充灑布量計(jì)算Table 7 Calculation of filling spread based on 3D void model

式(1)中:Tf為單位面積的填充灑布量,kg/m2;ρa(bǔ)為黏結(jié)層環(huán)氧瀝青的密度,kg/m2;Vb為Novachip Type-A環(huán)氧瀝青罩面底部1 mm的空隙體積,m3;Vs為原SMA-13瀝青路面表層2 mm的空隙體積,m3;SA為黏結(jié)層的環(huán)氧瀝青灑布面積,m2。

2.2 灑布量對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響

不同溫度(25 ℃和60 ℃)、不同層間灑布量下45°斜剪試驗(yàn)的結(jié)果如表8和圖10所示。

圖10 環(huán)氧瀝青灑布量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響Fig.10 Spread effects of epoxy asphalt on shear strength

表8 45°斜剪試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Results of 45°inclined shear test

從圖10可以看出,60 ℃最不利環(huán)境下的抗剪強(qiáng)度明顯低于25 ℃。兩種溫度下的抗剪強(qiáng)度隨層間灑布量的變化先增加后減小,趨勢(shì)一致。當(dāng)環(huán)氧瀝青的層間灑布量較少時(shí),界面瀝青裹附不夠充分,層間黏結(jié)效果較差,抗剪強(qiáng)度低。當(dāng)環(huán)氧瀝青的用量增大時(shí),瀝青覆蓋效果好并且黏結(jié)效果得到改善,層間抗剪強(qiáng)度增大。但是環(huán)氧瀝青灑布量超過0.7 kg/m2時(shí),抗剪強(qiáng)度則開始下降,因?yàn)楦挥嗟臑r青會(huì)產(chǎn)生內(nèi)聚破壞。

考慮最不利受力狀況的層間直剪試驗(yàn)結(jié)果如表9和圖11所示。

表9 直剪試驗(yàn)結(jié)果Table 9 Results of direct shear test

同樣地,最不利溫度60 ℃的拉伸強(qiáng)度較低。圖11中的兩種溫度下拉伸強(qiáng)度隨環(huán)氧瀝青層間灑布量的變化趨勢(shì)與圖10中的抗剪強(qiáng)度較為相似,均呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律并且在0.7 kg/m2時(shí)拉伸強(qiáng)度最大。對(duì)比斜剪和直剪試驗(yàn)結(jié)果還可以看出,最不利受力狀況下的剪切強(qiáng)度明顯比正應(yīng)力作用時(shí)要低,因此直剪試驗(yàn)?zāi)軌蚍从吵鲈嚰膶娱g黏結(jié)性能。

2.3 灑布量對(duì)層間黏結(jié)強(qiáng)度的影響

不同溫度(25 ℃和60 ℃)、不同層間灑布量下拉拔試驗(yàn)的結(jié)果如表10和圖12所示。

圖12 灑布量對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響Fig.12 Spread effects of on pulling strength

表10 拉拔試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Results of pulling test

如圖12所示,環(huán)氧瀝青灑布量對(duì)拉拔強(qiáng)度的影響與層間斜剪和直剪試驗(yàn)相似,抗拔強(qiáng)度最大值對(duì)應(yīng)的環(huán)氧瀝青層間灑布量均為0.7 kg/m2,這種情況下層間抵抗破壞的能力最強(qiáng),層間黏結(jié)性能最好。當(dāng)層間灑布量較少時(shí),試件發(fā)生黏附破壞,破壞面主要是大面積裸露的金屬表面和較少的瀝青覆蓋面,此時(shí)瀝青膜較薄,黏結(jié)強(qiáng)度較低;灑布量較大時(shí),層間發(fā)生內(nèi)聚破壞,破壞面則為部分裸露的金屬表面和較厚的瀝青覆蓋面;只有當(dāng)環(huán)氧瀝青用量適中時(shí),試件的破壞面呈現(xiàn)出典型的鋸齒狀,即界面之間的黏結(jié)和瀝青之間的黏聚均達(dá)到較為理想的狀態(tài),層間黏結(jié)性能最好。

綜合上述仿真和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,可以得出用于填充空隙的環(huán)氧瀝青撒布量為0.25 kg/m2,用于界面黏結(jié)的層間黏層撒布量為0.7 kg/m2,因此超薄罩面黏層撒布量為0.95 kg/m2。

3 結(jié)論

在CT掃描和3D重構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上,建立混合料試件的三維空隙模型。考慮了原路表面的空隙構(gòu)造,利用三維空隙填充法和室內(nèi)斜剪、直剪以及拉拔試驗(yàn)計(jì)算超薄罩面和原路面之間的環(huán)氧瀝青層間灑布量,得出以下結(jié)論。

(1)基于超薄鋪裝與原路面的三維空隙重構(gòu)模型及空隙分布情況,選取罩面底層1 mm和原路面表層2 mm的空隙率計(jì)算填充瀝青用量為0.25 kg/m2。

(2)通過25、60 ℃的室內(nèi)45°斜剪和直剪試驗(yàn),研究不利條件下環(huán)氧瀝青層間灑布量對(duì)層間剪切強(qiáng)度的影響并確定最佳灑布量為0.7 kg/m2,灑布量較少時(shí)集料與瀝青之間的接觸不夠充分,灑布量較多時(shí)富余瀝青會(huì)產(chǎn)生內(nèi)聚破壞。

(3)通過25、60 ℃的室內(nèi)拉拔試驗(yàn),確定不利條件下層間剪切強(qiáng)度最大的環(huán)氧瀝青灑布量為0.7 kg/m2,與室內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果一致,此時(shí)試件破壞面為鋸齒狀,界面之間的黏結(jié)和瀝青之間的黏聚均達(dá)到較為理想的狀態(tài),層間黏結(jié)性能最好,因此環(huán)氧瀝青的總層間灑布量為0.95 kg/m2。

(4)基于三維空隙的層間灑布量設(shè)計(jì)方法考慮了鋪裝層和原路面層級(jí)配、空隙率,更符合路面實(shí)際情況,為施工方案設(shè)計(jì)提供了更為科學(xué)的理論依據(jù)。