謝百慧
(1.黑龍江省高速公路建設(shè)局,黑龍江 哈爾濱150040;2.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱150040)
瀝青路面因其優(yōu)越的使用性能、經(jīng)濟(jì)的造價(jià)和具有多種施工作業(yè)的選擇方式,在公路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但在自然環(huán)境和現(xiàn)代高速交通的重復(fù)作用下,瀝青路面也不可避免地出現(xiàn)各種損害現(xiàn)象,如車轍、裂縫、擁包、坑槽和水損害等。瀝青混合路面具有一定的穩(wěn)定性和耐久性,是提高路面使用性能和延長使用壽命的前提,其中穩(wěn)定性包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及水穩(wěn)定性。為此,許多科研和工程部門一直致力于對瀝青混合料的性能和應(yīng)用研究。細(xì)集料是瀝青混合料的重要組分,對瀝青混合料的路用性能有著重要影響。細(xì)集料主要包括天然砂、石屑和機(jī)制砂。天然砂主要含有石英顆粒,比較堅(jiān)硬,天然砂作為細(xì)集料具有較好的耐久性;石屑主要是破碎石料的下腳料,多為石料中最薄弱的部分,且含有較多泥土,石屑作為細(xì)集料強(qiáng)度較差,質(zhì)量難以控制;機(jī)制砂采用堅(jiān)硬巖石反復(fù)破碎而成,具有良好的棱角性和嵌擠性能。本文對基于天然砂和機(jī)制砂的瀝青混合料物理性質(zhì)和穩(wěn)定性能進(jìn)行比較研究,為機(jī)制砂代替天然砂在瀝青路面中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。
依據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中密級配瀝青混凝土混合料礦料級配范圍要求,確定級配如表1所示。
表1 瀝青混合料選用級配
可見,所選的AC-16中,關(guān)鍵性篩孔2.36mm的通過率為37%<38%,所以該級配為粗型密級配,即 AC-16C。
在工程應(yīng)用中,瀝青混合料的瀝青用量是控制機(jī)制砂應(yīng)用的一項(xiàng)重要指標(biāo)。本試驗(yàn)選擇4.3%、4.6%、4.9%、5.2%、5.5%共5種油石比的瀝青混合料,采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾擊實(shí)方法,測定瀝青混合料體積指標(biāo)、穩(wěn)定度和流值,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 不同瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及要求,結(jié)合表2中的試驗(yàn)結(jié)果,列出體積指標(biāo)、穩(wěn)定度和流值的容許油石比范圍,并綜合確定機(jī)制砂和天然砂瀝青混合料的最佳油石比,如表3所示。
表3 瀝青混合料最佳油石比
瀝青路面在高溫和行車荷載的反復(fù)作用下會出現(xiàn)車轍,影響路面的使用壽命和服務(wù)質(zhì)量。本文以動穩(wěn)定度DS作為評價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的指標(biāo)。試驗(yàn)依照《T0719瀝青混合料車轍試驗(yàn)》進(jìn)行,試驗(yàn)溫度為60℃,輪壓為0.7MPa,將試件和試模移置到輪轍試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)臺上,試驗(yàn)輪往返行走其上,測得行走t1(45min)的變形量d1(mm)和行走t2(45min)的變形量d2(mm),得到動穩(wěn)定度為
式中:N為試驗(yàn)輪的往返碾壓速度,42次/min;c1為試驗(yàn)機(jī)類型的修正系數(shù),曲柄連桿驅(qū)動方式為1.0,鏈驅(qū)動方式為1.5;c2為試件系數(shù),實(shí)驗(yàn)室制備寬300mm的試件為1.0,路面切割寬150mm的試件為0.8。
試驗(yàn)測得機(jī)制砂和天然砂兩種瀝青混合料的動穩(wěn)定度如表4所示,試驗(yàn)結(jié)果顯示60min時(shí)瀝青混合料車轍深度及機(jī)制砂瀝青混合料小于天然砂瀝青混合料;機(jī)制砂瀝青混合料的動穩(wěn)定度是天然砂瀝青混合料動穩(wěn)定度的4.5倍。表明機(jī)制砂瀝青混合料抗車轍變形能力遠(yuǎn)高于天然砂瀝青混合料,其優(yōu)越性得到充分驗(yàn)證。
表4 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果
瀝青混合料隨著溫度的降低,其強(qiáng)度和勁度會明顯增大,變形能力顯著下降,伴隨著脆性破壞的出現(xiàn),材料變脆,路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,在雨水和行車荷載的反復(fù)作用下,會使裂縫發(fā)展為網(wǎng)裂和龜裂,導(dǎo)致路面的大范圍結(jié)構(gòu)破壞,因此,瀝青混合料低溫抗裂性是瀝青路面穩(wěn)定性能的重要指標(biāo)。本文針對機(jī)制砂和天然砂瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn),試驗(yàn)依照《T0716瀝青混合料劈裂試驗(yàn)》進(jìn)行,試驗(yàn)溫度為(-10±1)℃,加載速率為50mm/min,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
從表5可以看出,摻機(jī)制砂的瀝青混合料,其抗彎拉強(qiáng)度較摻天然砂的高,其低溫極限應(yīng)變較天然砂瀝青混合料提高了17.6%,同時(shí)具有更大的彎拉應(yīng)變。說明瀝青混合料中摻加機(jī)制砂,可以提高瀝青混合料的強(qiáng)度與變形能力,綜合提高了瀝青混合料的低溫抗裂性,其性能明顯優(yōu)于天然砂。
表5 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)測試結(jié)果
水損害是高速公路的主要破壞模式之一,也是我國高速公路發(fā)展過程中早期損害的重要形式,因而細(xì)集料對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響極為重要。本研究利用凍融劈裂試驗(yàn)方法測試基于機(jī)制砂和天然砂的瀝青混合料的水穩(wěn)定性。對瀝青混合料進(jìn)行雙面擊實(shí)各50次,使其成型馬歇爾試件,每種試件分為兩組:一組在25℃水浴中浸泡2h,測其劈裂強(qiáng)度為RT1;另一組在0.09MPa浸水抽真空15 min,再放到-18℃冰箱中放置16h,然后放到60℃水浴中恒溫24h,再放到25℃水中浸泡2h,測其凍融循環(huán)后的劈裂強(qiáng)度為RT2,計(jì)算凍融試件的劈裂強(qiáng)度與非凍融試件的劈裂強(qiáng)度,并進(jìn)行比較,即將殘留強(qiáng)度比TSR作為水穩(wěn)定性的評價(jià)指標(biāo)。采用研究得到的瀝青混合料配合比,對機(jī)制砂與天然砂的瀝青混合料分別制作10個(gè)馬歇爾試件,并按物理性質(zhì)相近原則分成5個(gè)對照組,測定馬歇爾試件密度及孔隙率指標(biāo)如表6所示,基于機(jī)制砂和天然砂瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。
表6 馬歇爾試件密度及孔隙率指標(biāo)
表7 瀝青混合料AC-16凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果
通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知,機(jī)制砂瀝青混合料的殘留劈裂強(qiáng)度值為(83.2±7.6)%,而天然砂瀝青混合料的殘留劈裂強(qiáng)度為(75.5±5.6)%。機(jī)制砂瀝青混合料的水穩(wěn)定性較之天然砂提高了10%。結(jié)果顯示機(jī)制砂瀝青混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)于天然砂瀝青混合料。
按現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)的AC-16C型瀝青混合料,采用機(jī)制砂作為細(xì)集料與天然砂相比較,高溫動穩(wěn)定度提高了350%,低溫極限應(yīng)變提高了18%,水穩(wěn)定度提高10%。用機(jī)制砂代替天然砂作為細(xì)集料既符合國家對防汛和環(huán)保政策要求,又能有效提高瀝青混合料的路用性能。
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