李任瓊,李紹珍,曹云美,趙陽(yáng)惠

(1.云南省公路科學(xué)技術(shù)研究院,云南 昆明 650051;2.云南省交通運(yùn)輸廳 路網(wǎng)監(jiān)測(cè)與應(yīng)急指揮中心,云南 昆明 650051)

目前高速公路建設(shè)過(guò)程中,橡膠瀝青再生公路路面作為一種新的結(jié)構(gòu)形式,已經(jīng)開(kāi)始大范圍推廣[1]。而在交通荷載不斷增加的情況下,一旦再生公路路面的施工材料出現(xiàn)問(wèn)題,高速公路很容易在運(yùn)行3～5年時(shí)出現(xiàn)大量裂縫,導(dǎo)致公路的使用壽命大大縮短[2]。提出按照不同的配比,制作不同密度的試件,通過(guò)收縮試驗(yàn)和斷裂韌度試驗(yàn),了解目標(biāo)材料的實(shí)際抗裂性能[3]。以材料抗裂性能檢測(cè)為核心,確定以斷裂應(yīng)變?nèi)菹拗禐橹鞯目沽研阅茉u(píng)價(jià)指標(biāo),采用層次分析法為每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)賦予對(duì)應(yīng)權(quán)重系數(shù),結(jié)合虛擬臨床試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算,確定路面的抗裂性能[4]。

為得到更加真實(shí)的橡膠瀝青再生公路路面抗裂性能檢測(cè)結(jié)果,采用自行開(kāi)發(fā)的環(huán)形加載試驗(yàn),模擬路面受力情況,通過(guò)簡(jiǎn)單的工序完成抗裂性能檢測(cè)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次實(shí)驗(yàn)采用橡膠粉改性瀝青作為基礎(chǔ)材料,模擬橡膠瀝青再生公路路面結(jié)構(gòu)[6],制造試驗(yàn)所需的試塊。其中,橡膠瀝青作為主材料,其性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 橡膠瀝青性能檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Performance test results of rubber asphalt

除了橡膠瀝青外,再生公路路面的組成還包括粗集料和細(xì)集料。選用華鎣山玄武巖作為粗集料,選用干燥的石灰?guī)r石屑作為細(xì)集料,這2種材料的檢測(cè)指標(biāo)參數(shù)如表2所示。

表2 粗集料與細(xì)集料檢測(cè)指標(biāo)參數(shù)Tab.2 Coarse and fine aggregate detection index parameters

應(yīng)用檢測(cè)后符合要求的橡膠粉改性瀝青、粗集料和細(xì)集料,模擬橡膠瀝青再生公路路面結(jié)構(gòu),構(gòu)建試驗(yàn)用的材料試塊。在試塊制作過(guò)程中,為了更加貼近公路路面真實(shí)狀態(tài),應(yīng)用了體積分塊法[7],結(jié)合路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程,測(cè)量公路路面的具體構(gòu)造深度。操作時(shí)需要在目標(biāo)區(qū)域?qū)⒁阎w積的砂鋪平為圓形,并確定此時(shí)砂層的直徑,則結(jié)合砂的體積、砂的覆蓋面積即可得出平均構(gòu)造深度:

(1)

式中:λ表示橡膠瀝青再生公路路面的平均構(gòu)造深度;V表示試樣材料體積;L表示平均覆蓋直徑。

根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果,確定試塊厚度?？紤]到橡膠瀝青再生公路路面中廢舊瀝青路面材料(RAP)的摻量,會(huì)影響路面抗裂性能,實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備階段,分別制作RAP摻量為10%、20%、30%、40%和50%的試塊,作為后續(xù)環(huán)形加載試驗(yàn)的基礎(chǔ),以便得到抗裂性能檢測(cè)結(jié)果。

1.2 試驗(yàn)方法

研究采用自行開(kāi)發(fā)的環(huán)形加載試驗(yàn),檢測(cè)橡膠瀝青再生公路路面的抗裂性能[8]。試驗(yàn)過(guò)程中所應(yīng)用的模具和試件如圖1所示。

圖1 環(huán)形加載模具與試件

從圖1可以明顯看出,環(huán)形加載試驗(yàn)針對(duì)的試件厚度為4 cm,而試件的直徑包括8、10、15 cm 3種類(lèi)型。將不同直徑的試件放入對(duì)應(yīng)尺寸的模具中,進(jìn)行環(huán)形加載測(cè)試。

在不同的溫度、加載速率條件下,橡膠瀝青混合材料表現(xiàn)出不同的動(dòng)力學(xué)特性,為了確保環(huán)形加載試驗(yàn)的順利進(jìn)行,需要先確定合適的加載參數(shù),保證試驗(yàn)結(jié)果符合實(shí)際情況。正常情況下,環(huán)形加載試驗(yàn)的溫度條件主要包括0、10與 20 ℃,而比較合適的加載速率包括10、5、1 mm/min。溫度與加載速率分別配合,營(yíng)造不同的加載參數(shù)條件,而從這些加載參數(shù)中選擇最優(yōu)方案,是試驗(yàn)開(kāi)始前的必要步驟。

首先,設(shè)置環(huán)形加載實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度為20 ℃,此時(shí)賦予加載設(shè)備不同的加載速率[9],形成圖2所示的荷載變形曲線(xiàn)。由圖2可知,直徑為8、10、15 cm的三種試件,在相同的加載參數(shù)下荷載變化趨勢(shì)基本保持一致。而同樣在20 ℃溫度環(huán)境下,加載速率與極限荷載之間,呈現(xiàn)出正比例增長(zhǎng)特點(diǎn),3種加載速率下試件1的極限荷載為5.5、4.3、3.1 kN,試件1與試件3的極限荷載分別為5.6、3.5、2.4 kN和6.5、3.3、2.2 kN。但在過(guò)快的加載速率下試塊內(nèi)部的內(nèi)部微裂紋無(wú)法擴(kuò)展,此時(shí)荷載變形量不斷降低。

(a)20 ℃,10 mm/min

而后,假設(shè)環(huán)形加載試驗(yàn)環(huán)境為10 ℃,此時(shí)試塊在不同加載速率下的荷載-變形情況如圖3所示。

圖3 溫度為10 ℃時(shí)不同加載速率下荷載變形曲線(xiàn)Fig.3 Load-deformation curves at different loading rates at 10 ℃

由圖3可知,加載速率設(shè)置為10 mm/min的情況下,傳感器無(wú)法測(cè)量出極限荷載,使得荷載變形數(shù)據(jù)不完整。考慮到橡膠瀝青再生公路路面遭受破壞時(shí),可能會(huì)同時(shí)出現(xiàn)塑性變形與脆性開(kāi)裂,而在較高的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下,試塊出現(xiàn)的破壞有很大的可能為非脆性破壞[10],不符合路面開(kāi)裂實(shí)際情況。綜合來(lái)看,本次實(shí)驗(yàn)選定加載實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度為10 ℃,以獲取完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為目標(biāo),定義加載速率為5 mm/min。

1.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

選定極限荷載、破壞變形、勁度指數(shù)和斷裂能4個(gè)量化指標(biāo),綜合評(píng)價(jià)得到抗裂性能檢測(cè)結(jié)果。這4個(gè)抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)中,勁度指數(shù)需要按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算結(jié)果可以表示為荷載-變形曲線(xiàn)的切線(xiàn)斜率。斷裂能指標(biāo)的計(jì)算,需要從初始加載時(shí)刻開(kāi)始計(jì)算,直到荷載衰減為0才停止計(jì)算,從而得到準(zhǔn)確的斷裂能。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 表面破壞形態(tài)分析結(jié)果

在環(huán)形加載試驗(yàn)結(jié)束后,首先觀察試件的表面破壞狀態(tài),確定橡膠瀝青再生混合料的基本性能,試件具體破壞形態(tài)如圖4所示。

圖4 環(huán)形加載試驗(yàn)過(guò)程中試件破壞形態(tài)

由圖4可知,在加載處理后圓柱體試件受到外荷載影響,其內(nèi)部微小裂縫會(huì)吸收加載點(diǎn)釋放的荷載能量,使得整個(gè)試件出現(xiàn)多條主裂縫,甚至?xí)霈F(xiàn)碎裂現(xiàn)象,這表明橡膠瀝青再生公路路面承受越來(lái)越大的荷載時(shí),其抗裂性能不斷降低。

2.2 極限荷載分析結(jié)果

向橡膠瀝青材料中添加不同量的RAP,再進(jìn)行環(huán)形加載試驗(yàn)處理,最終得到圖5所示的試件極限荷載統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖5 不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面極限荷載

由圖5可知,對(duì)于橡膠瀝青再生公路路面來(lái)說(shuō),混合料中RAP摻量越多,其相對(duì)應(yīng)的極限荷載值越高。當(dāng)RAP摻量為10、20、30、40、50%時(shí),試件的極限荷載分別為12 、13 、14.7 、15.9與17.5 kN。這表明,橡膠瀝青再生料中RAP摻量的增加,會(huì)使得老化瀝青的比重隨之增大,表現(xiàn)出硬化、脆化特征,反映到再生公路路面的抗裂性能上,就是RAP摻量的增加會(huì)使得路面強(qiáng)度提高。

2.3 破壞變形分析結(jié)果

環(huán)形加載試驗(yàn)過(guò)程中,當(dāng)向試件施加的壓力超過(guò)極限荷載后,試件會(huì)出現(xiàn)破壞變形情況,經(jīng)過(guò)調(diào)查可知,不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面破壞變形情況如圖6所示。

圖6 不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面破壞變形

由圖6可知,在不同RAP摻量條件下,橡膠瀝青再生公路路面破壞變形值分別為3.1、2.7、1.9、1.4與2.1 mm。隨著RAP摻量的增加材料變形值得到降低,但是這種下降趨勢(shì)并非單調(diào)遞減的,當(dāng)RAP摻量達(dá)到50%后,路面破壞變形反而高于摻量為30%和40%時(shí),這很大的可能是RAP摻量的提高使得公路路面混合材料的組成更加復(fù)雜,新料與舊料之間并未均勻融合,使得部分環(huán)形加壓試驗(yàn)得到的破壞變形結(jié)果存在一定波動(dòng)。綜合來(lái)看,橡膠瀝青再生公路路面的抗變形能力,會(huì)隨著RAP摻量的增加而下降。

2.4 斷裂能分析結(jié)果

考慮到橡膠瀝青再生混合材料在面對(duì)外部施加的能量時(shí),可能會(huì)吸收一部分,當(dāng)能量超出自身能量吸收水平后,試件會(huì)出現(xiàn)裂縫。因此,研究過(guò)程中運(yùn)用環(huán)形加載試驗(yàn)描述材料抗裂性能,對(duì)于不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面來(lái)說(shuō),其斷裂能如圖7所示。

圖7 不同RAP摻量的橡膠瀝青再生公路路面斷裂能

由圖7可知,橡膠瀝青再生材料中RAP摻量占比增大后,路面斷裂能不斷降低,當(dāng)RAP摻量從10%增長(zhǎng)至50%后,斷裂能也從65 J降至40 J。從能量角度可以看出,路面的抗裂性能會(huì)隨著RAP摻量的增加而降低。

3 討論

以橡膠瀝青再生公路路面為研究對(duì)象,為了得到準(zhǔn)確的抗裂性能檢測(cè)結(jié)果,提出將環(huán)形加載試驗(yàn)?zāi)Ｊ饺谌氲綑z測(cè)過(guò)程中,設(shè)置溫度環(huán)境和加載速率分別為10 ℃、5 mm/min,對(duì)仿照路面制作的試塊進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)研究。在進(jìn)行不間斷的環(huán)形加載處理后,試件表面出現(xiàn)多條主裂縫甚至造成試件碎裂。同時(shí),在橡膠瀝青再生混合料中不斷添加RAP后,試件的極限荷載與勁度指數(shù)均得以提高,破壞變形與斷裂能2項(xiàng)指標(biāo)則不斷降低。

綜上所述,RAP摻量增加后,橡膠瀝青再生公路路面的強(qiáng)度、勁度指數(shù)得以提高,試件抗裂性能則不斷降低。在RAP摻量為50%的情況下,極限荷載為17.5 kN、破壞變形值為2.1 mm,勁度指數(shù)和斷裂能分別為12.4、40 J。綜合來(lái)看,此時(shí)橡膠瀝青再生公路路面的抗裂性能依舊滿(mǎn)足規(guī)范技術(shù)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái),橡膠瀝青材料在公路建設(shè)施工中得到廣泛應(yīng)用,絕大部分施工人員采用工廠化生產(chǎn)方式讓橡膠瀝青材料與其他材料相融合,用于再生公路路面建設(shè)過(guò)程中。為了實(shí)現(xiàn)再生公路路面的高質(zhì)量養(yǎng)護(hù),應(yīng)用環(huán)形加載試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)研究,明確不同RAP摻量條件下路面的抗裂性能,為后續(xù)路面建設(shè)、路面養(yǎng)護(hù)工作提供指導(dǎo)。