袁其華，范 雪，馬建坤

(1.吉林建筑大學(xué)城建學(xué)院，長(zhǎng)春 130114； 2.長(zhǎng)春工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012)

0 引言

我國(guó)高速公路多采用半剛性基層和瀝青混凝土面層的結(jié)構(gòu)形式[1]。半剛性基層材料在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中易產(chǎn)生細(xì)小的裂縫，在道路使用過(guò)程中裂縫會(huì)向面層擴(kuò)展形成反射裂縫進(jìn)而使結(jié)構(gòu)層發(fā)生破壞。季凍區(qū)由于基層反射裂縫使道路發(fā)生破壞的現(xiàn)象較為嚴(yán)重，特別是在春融季節(jié)，道路反射裂縫是引發(fā)一系列病害的主要誘因。

在基層和面層之間設(shè)置橡膠瀝青碎石封層不但可以有效地抑制和減緩反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，而且基層和面層通過(guò)封層材料的黏結(jié)與過(guò)渡形成了一個(gè)結(jié)構(gòu)整體，這使得道路結(jié)構(gòu)層的承載能力有了較大的提高。由于橡膠瀝青碎石封層的使用效果受外界環(huán)境影響較大，特別是組成封層的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和材料配比，所以本文對(duì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型和材料配比對(duì)封層性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 橡膠瀝青碎石封層原材料

1.1 橡膠瀝青

本試驗(yàn)采用90#道路石油瀝青作為基質(zhì)瀝青。橡膠粉是斜交胎在常溫粉碎的條件下制備而成的。制備橡膠瀝青時(shí)所用的膠粉目數(shù)為80目，膠粉的摻量為23%，反應(yīng)時(shí)間為90 min，反應(yīng)溫度控制為180℃。

1.2 集料

橡膠瀝青單層碎石封層的集料選用粒徑為9.5～13.2 mm的優(yōu)質(zhì)玄武巖；橡膠瀝青倒裝封層的集料第一層(下層)選用粒徑為2.35～4.75 mm的碎石，第二層(上層)選用粒徑范圍為9.5～13.2 mm的碎石。撒布碎石時(shí)，滿鋪率控制在70%～90%。玄武巖各指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

2 橡膠瀝青碎石封層剪切實(shí)驗(yàn)研究

2.1 試件制備

根據(jù)橡膠瀝青碎石封層材料不同的配比制備試件。試件的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，按照水泥穩(wěn)定碎石+橡膠瀝青碎石封層+瀝青面層3層進(jìn)行制作，其厚度分別為40 cm+20 cm+40 cm。按照比例為3.5%的水泥劑量制備水泥穩(wěn)定基層，瀝青層油石比選用3.5%[2]，封層原材料使用情況見(jiàn)表1，制備過(guò)程中瀝青混合料的碾壓溫度控制在140～150 ℃[3]。

表1 封層材料用量推薦范圍

2.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用正交思想對(duì)組成兩種不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的試件原材料進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。試件完成后，采用TDR-16混凝土快速凍融試驗(yàn)機(jī)在-25～15 ℃范圍內(nèi)對(duì)試件進(jìn)行20次循環(huán)凍融。試驗(yàn)采用ELE多極變速加載設(shè)備進(jìn)行加載，剪切角度為40°。剪切速率為10 mm/min。組成橡膠瀝青單層碎石封層試件原材料的組合形式有3×3=9種，組成橡膠瀝青倒裝封層原材料的兩種變量的隨機(jī)組合采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行，因素水平見(jiàn)表2。

表2 倒裝封層因素水平表

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 橡膠瀝青碎石封層單層碎石封層

由表3中的試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)可知，采用單層碎石封層的構(gòu)件在經(jīng)過(guò)20次循環(huán)凍融試驗(yàn)后，橡膠瀝青和集料的配比為2.0∶11時(shí)，試件的抗剪強(qiáng)度較大，達(dá)到0.856 MPa，與未經(jīng)循環(huán)凍融的抗剪強(qiáng)度0.885 MPa相比衰減較少。

表3 單層碎石封層試件剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注*：該組試件不進(jìn)行循環(huán)凍融得到的抗剪強(qiáng)度。

2.3.2 橡膠瀝青倒裝碎石封層實(shí)驗(yàn)結(jié)果

首先根據(jù)正交試驗(yàn)法對(duì)橡膠瀝青倒裝封層不同因素情況下的不同水平進(jìn)行組合，其組合形式為9種，然后按照組合的配比數(shù)據(jù)進(jìn)行試件制作并按照試驗(yàn)規(guī)程對(duì)凍融作用后的試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 結(jié)構(gòu)類(lèi)型為倒裝封層的試件抗剪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3和4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，試件經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后，鋪設(shè)倒裝封層結(jié)構(gòu)類(lèi)型的試件抗剪強(qiáng)度較大。從表2～4中極值R的大小可以看出各因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度的影響程度為因素A>因素C>因素D>因素B。由不同因素情況下不同水平下的剪力值確定組成橡膠瀝青倒裝封層原材料配比的最優(yōu)組合為A2B3C2D3。根據(jù)該種組合形式按照同樣的制備方法制備6個(gè)試件，將試件平均分成兩組，每組3個(gè)，將其中一組試件進(jìn)行凍融循環(huán)作用后進(jìn)行剪切實(shí)驗(yàn)，另一組試件不做處理。兩組試件剪切實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，其結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 試件凍融循環(huán)后和不進(jìn)行凍融的抗剪強(qiáng)度對(duì)比

由表5可知，試件經(jīng)過(guò)20次凍融循環(huán)作用后其抗剪強(qiáng)度有所減小，減小值為0.023 MPa，該減小值小于0.039 MPa，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析得出鋪設(shè)兩種不同封層類(lèi)型的試件的原材料最佳配比，其結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 組成封層材料配比

3 抗疲勞性能實(shí)驗(yàn)

3.1 復(fù)合小梁試件的制作

根據(jù)表6組成兩種不同類(lèi)型封層的材料配比進(jìn)行制備實(shí)驗(yàn)板，然后切割成尺寸為300 mm(長(zhǎng))×100 mm(寬)×100 mm(高)的12個(gè)小梁構(gòu)件，將結(jié)構(gòu)類(lèi)型相同的小梁平均分成2組，分別編號(hào)為A1、A2、B1和B2，在梁底切割2 mm寬的小縫模擬基層裂縫。試件基層材料為水泥穩(wěn)定碎石，面層為AC-20C瀝青混凝土材料，厚度均為40 mm，碎石封層的厚度為20 mm。試件示意圖如圖1所示。

圖1 試件示意圖

3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用HYCZ-5A自動(dòng)車(chē)轍實(shí)驗(yàn)儀對(duì)試件進(jìn)行加載，測(cè)定試件出現(xiàn)裂縫時(shí)輪載作用次數(shù)以判斷不同類(lèi)型封層試件的抗疲勞能力。車(chē)輪荷載的大小為0.7 MPa，工作頻率為50次/min。將試件置于20 ℃的恒溫水浴中浸泡24 h，取A1、B1組試件進(jìn)行循環(huán)凍融20次，其循環(huán)穩(wěn)定為-25～15 ℃，A2、B2組試件不做處理。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將結(jié)構(gòu)面層出現(xiàn)裂縫時(shí)的車(chē)輪荷載作用次數(shù)作為試件的開(kāi)裂壽命，將裂縫擴(kuò)展到面層出現(xiàn)貫通裂縫的時(shí)候作為試件的斷裂壽命。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)按照表7中的內(nèi)容進(jìn)行。

表7 膠瀝青碎石封層疲勞性能實(shí)驗(yàn)方案

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

最終將同條件下的試件的抗疲勞試驗(yàn)次數(shù)取平均值匯總見(jiàn)表8。

表8 不同條件下試件的抗疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表8不同條件下試件的抗疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下鋪設(shè)倒裝類(lèi)型結(jié)構(gòu)的橡膠瀝青碎石封層出現(xiàn)裂縫較晚，且試件出現(xiàn)貫通裂縫時(shí)輪載的作用次數(shù)較多，其原因?yàn)橄鹉z瀝青倒裝封層具有較好的吸能作用，能夠較好地緩解裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)20次凍融循環(huán)后，不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的試件抗疲勞性能都有所衰減，但是，鋪設(shè)橡膠瀝青倒裝封層試件衰減較少。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中基層裂縫向上擴(kuò)展經(jīng)過(guò)封層后的發(fā)展方向發(fā)生了變化，從而有效地減小了應(yīng)力峰值。

4 結(jié)語(yǔ)

1)運(yùn)用正交思想對(duì)組成封層原材料的用量進(jìn)行研究，確定出各因素對(duì)結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度的影響程度并確定出組成不同封層類(lèi)型的原材料的配比。研究不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的試件在凍融循環(huán)后抗剪強(qiáng)度的衰減情況，結(jié)果表明，鋪設(shè)倒裝封層的結(jié)構(gòu)類(lèi)型的試件抗剪強(qiáng)度的衰減值較小。

2)通過(guò)輪載實(shí)驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的試件進(jìn)行抗疲勞性能研究，通過(guò)研究表明，橡膠瀝青碎石封層能

夠改變基層裂縫擴(kuò)展的方向，具有較好的抵抗反射裂縫的效果，并且鋪設(shè)倒裝封層結(jié)構(gòu)類(lèi)型的試件經(jīng)過(guò)循環(huán)凍融后抗疲勞性能衰減較少。

[1] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG D50—2017 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 王芙蓉.季凍區(qū)高速公路路面瀝青混合料配比試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

[3] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTGF40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2017.