高群花

(南通市公路事業(yè)發(fā)展中心,江蘇 南通 226000)

0 前 言

瀝青混合料是典型的黏彈塑性材料,承受水分、溫度及荷載的長期作用會產(chǎn)生顯著的變形或開裂,是導(dǎo)致瀝青路面車轍、裂縫和推移擁包等病害的主要原因。水溫穩(wěn)定性是表征瀝青混合料在溫度、水分作用下,抵抗車輛荷載的反復(fù)作用,不發(fā)生顯著永久變形,保證路面平整度和承載能力的重要技術(shù)指標(biāo)。因此,路面瀝青混合料有良好的抵抗車轍能力和水溫穩(wěn)定性是保證其使用耐久性和使用性能的前提條件。

瀝青混合料水穩(wěn)定性的評價試驗(yàn)方法包括浸水馬歇爾試驗(yàn)、真空飽水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)等,其中凍融劈裂試驗(yàn)是采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件,經(jīng)浸水、飽水、凍融后進(jìn)行測試,故凍融劈裂試驗(yàn)的測試條件更加嚴(yán)格,是目前廣泛使用的瀝青混合料水穩(wěn)定性評價試驗(yàn)方法。瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評價試驗(yàn)方法較多,一般采用車轍試驗(yàn)和動載壓入試驗(yàn)[1,2]。低溫抗裂性則是評價瀝青路面混合料抵抗低溫收縮裂縫能力的重要指標(biāo),目前常采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)等進(jìn)行評價,我國規(guī)范規(guī)定采用瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)。以下結(jié)合瀝青路面抗車轍混合料級配研究成果,分別采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、動載壓入試驗(yàn)和小梁低溫彎曲試驗(yàn)來評價抗車轍瀝青混合料的水溫穩(wěn)定性。

1 瀝青路面抗車轍混合料級配構(gòu)成

根據(jù)瀝青路面抗車轍混合料級配研究成果,試驗(yàn)采用的抗車轍瀝青混合料級配如表1所示。作為對比參考級配,同時選取規(guī)范中AC-16Ⅰ級配范圍的一個走向作為對比,亦列入表1。依據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果,2種級配所對應(yīng)的最佳油石比分別為4.5%、4.8%[2-5]。

表1 抗車轍混合料及對比混合料級配

試驗(yàn)采用的集料為石灰?guī)r,瀝青為盤錦AH-90#重交通石油瀝青。試驗(yàn)采用的集料、瀝青滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求。

2 水穩(wěn)定性

瀝青路面出現(xiàn)水損害的主要原因是進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部的水分降低了瀝青的黏附性,并導(dǎo)致集料表面瀝青剝離。在寒冷地區(qū),溫度的升降變化還會導(dǎo)致凍融循環(huán),進(jìn)一步加重了瀝青路面水損害的嚴(yán)重程度。

在瀝青混合料路用性能試驗(yàn)中,一般采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

2.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾試驗(yàn)是我國現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定的常規(guī)試驗(yàn)方法之一。通過浸水馬歇爾試驗(yàn),可以根據(jù)瀝青混合料馬歇爾試件在浸水前后物理、力學(xué)性能的變化程度來判斷瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

馬歇爾試件浸水后,將導(dǎo)致試件瀝青混合料中瀝青與集料之間的黏附性下降。體現(xiàn)在力學(xué)性能上,即為瀝青混合料整體力學(xué)強(qiáng)度的下降。殘留穩(wěn)定度以浸水前后馬歇爾穩(wěn)定度的比值來表征,殘留穩(wěn)定度的數(shù)值越接近100%,代表瀝青混合料的水穩(wěn)定性越好。浸水馬歇爾對比試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 浸水馬歇爾對比試驗(yàn)結(jié)果

由對比試驗(yàn)結(jié)果可知,抗車轍級配瀝青混合料和AC-16I瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度分別為82.1%、93.6%,兩種級配混合料都能夠滿足規(guī)范不小于80%的規(guī)定。但抗車轍級配瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度只有AC-16I瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的87.7%。分析其原因,浸水馬歇爾試驗(yàn)的穩(wěn)定度大小主要取決于瀝青混合料中集料與瀝青的黏附性和粘接力,而相對于骨架嵌擠類的抗車轍級配瀝青混合料,AC-16I混合料的瀝青膠漿更多,故其集料與瀝青的黏附性更好,呈現(xiàn)出較高的殘留穩(wěn)定度。從試驗(yàn)結(jié)果來看,抗車轍級配瀝青混合料的水穩(wěn)定性也完全符合規(guī)范要求。

2.2 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)是通過測定瀝青混合料試件在受到水損害前后的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR),來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性,也是目前廣泛采用的試驗(yàn)方法之一。與浸水馬歇爾試驗(yàn)相比,因?yàn)樵黾恿藘鋈谶^程,所以凍融劈裂的試驗(yàn)條件更加嚴(yán)格。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn),凍融劈裂對比試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 兩種級配瀝青混合料凍融劈裂對比試驗(yàn)結(jié)果

由對比試驗(yàn)結(jié)果可知,抗車轍級配瀝青混合料、AC-16I瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)均滿足規(guī)范不小于75%的要求,且數(shù)值比較接近。

在劈裂試驗(yàn)條件中設(shè)置的凍融環(huán)節(jié),使瀝青混合料試件內(nèi)部增加了兩種作用力,其一是溫度收縮應(yīng)力,其二是瀝青混合料空隙中的自由水遇負(fù)溫凍結(jié),因體積膨脹而產(chǎn)生局部膨脹應(yīng)力。在集料表面沒有出現(xiàn)裂縫之前,混合料水穩(wěn)定性能的下降是緩慢的。而一旦出現(xiàn)裂縫,侵入的水分就會在較短的時間內(nèi)將瀝青從集料表面剝離,從而導(dǎo)致集料與瀝青之間的黏附性下降,混合料松散[6,7]。

從表3的試驗(yàn)結(jié)果看,抗車轍級配瀝青混合料、AC-16I瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)均接近80%。根據(jù)規(guī)范的規(guī)定,在濕潤區(qū)和潮濕區(qū)凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)不應(yīng)小于75%。因此,兩種級配的瀝青混合料都滿足規(guī)范要求,且凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比(TSR)基本相當(dāng)。

3 車轍試驗(yàn)

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)的有關(guān)規(guī)定,使用國產(chǎn)HYCZ-7型全自動車轍試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行瀝青混合料車轍對比試驗(yàn),結(jié)果如表4。其中d1為對應(yīng)于時間t1(45 min)的車轍變形量,d2為對應(yīng)于時間t2(60 min)的車轍變形量。

圖1 車轍變形量試驗(yàn)結(jié)果對比

圖2 動穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果對比

表4 兩種級配瀝青混合料車轍試驗(yàn)對比測試結(jié)果

一般而言,動穩(wěn)定度大代表高溫抗車轍能力強(qiáng)。但由試驗(yàn)結(jié)果對比,可知以車轍試驗(yàn)的動穩(wěn)定度(DS)來評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,相對車轍試驗(yàn)的車轍變形量數(shù)據(jù)(如果變形量小,則說明抵抗高溫變形的能力較強(qiáng)),兩者所對應(yīng)的評價結(jié)論不完全一致。由于抗車轍混合料試件45 min和60 min的車轍變形差值較大,所以動穩(wěn)定度值較小,但AC-16I型瀝青混合料試件45 min和60 min的車轍變形量遠(yuǎn)大于抗車轍混合料試件,加之變形量能夠比較全面地反映瀝青混合料抵抗變形的能力,因此,僅靠動穩(wěn)定度(DS)來評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,有出現(xiàn)偏差的可能。

4 動載壓入試驗(yàn)

由車轍對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知,由動穩(wěn)定度(DS)評價瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有一定的不確定性,故采用有側(cè)限動載壓入試驗(yàn)作對比分析[6,7]。

采用大型馬歇爾試驗(yàn)試件,成型后冷卻24 h,然后在45 ℃的恒溫箱中靜置6～8 h。利用MTS試驗(yàn)機(jī)(動態(tài)材料測試系統(tǒng))模擬重交通的30 kN正弦波加載,對恒溫的馬歇爾試件循環(huán)加載100次,記錄試件的瞬時變形和總變形,試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖3所示。

圖3 動載壓入試驗(yàn)的瞬時變形和總變形

表5 兩種級配瀝青混合料動載壓入對比試驗(yàn)結(jié)果

由表5、圖3可知,抗車轍級配瀝青混合料的瞬時變形明顯小于對比混合料AC-16I,說明在重交通30 kN正弦波循環(huán)作用下,抗車轍級配瀝青混合料抵抗高溫變形的能力較強(qiáng),瞬時變形只有1.60 mm,總變形也明顯小于對比混合料AC-16I;動載壓入試驗(yàn)評價結(jié)果符合車轍試驗(yàn)的變形規(guī)律,間接表明以動載壓入試驗(yàn)判斷瀝青混合料的高溫抗變形能力具有一定的可靠性。另外,抗車轍級配瀝青混合料的瞬時變形、總變形都比較小,說明“骨架—密實(shí)型”的抗車轍級配瀝青混合料抵抗高溫變形的能力良好。

5 評估低溫抗裂性的小梁低溫彎曲試驗(yàn)

低溫抗裂性是表征瀝青路面混合料抵抗低溫收縮裂縫能力的重要指標(biāo)。為具備良好的低溫抗裂性,瀝青路面混合料應(yīng)具備低溫環(huán)境下抵抗變形的能力。

根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的規(guī)定,進(jìn)行小梁低溫彎曲對比試驗(yàn)。如果抗彎拉強(qiáng)度較高,說明材料抵抗破壞的能力較強(qiáng);如果破壞時的彎拉應(yīng)變較大,則代表瀝青混合料破壞時出現(xiàn)的變形較大,具有良好的抗裂性。

抗車轍級配瀝青混合料和AC-16I瀝青混合料的小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)規(guī)定,設(shè)計瀝青路面抗車轍混合料時,不僅要考慮瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,還需兼顧其低溫抗裂性。

表6 兩種級配瀝青混合料低溫彎曲對比試驗(yàn)結(jié)果

由表6的對比試驗(yàn)結(jié)果可知,抗車轍級配瀝青混合料、AC-16I瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變有一定的差異。其中,抗車轍級配瀝青混合料的彎拉應(yīng)變總體上要大于AC-16I瀝青混合料,且分別滿足規(guī)范中的要求。說明抗車轍級配瀝青混合料具有較好的低溫變形性能,能夠滿足瀝青路面低溫抗裂性能的要求。

6 試驗(yàn)路修筑與觀測情況

6.1 試驗(yàn)路概況

試驗(yàn)路全長29.5 km,采用雙向四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。路線的總體走向?yàn)橛赡舷虮?沿線地勢平坦。試驗(yàn)段的路面結(jié)構(gòu)為5 cm抗車轍級配瀝青混合料、7 cm AC-25I粗粒式瀝青混凝土、6%水泥穩(wěn)定碎石20 cm、6%水泥穩(wěn)定砂礫20 cm。

6.2 路面車轍觀測情況

公路竣工通車2年后,對試驗(yàn)段和相鄰路段的車轍情況進(jìn)行觀測。觀測結(jié)果顯示,試驗(yàn)段瀝青路面出現(xiàn)了輕微車轍,深度在1.5～3.5 mm,測點(diǎn)車轍均值為2.8 mm。試驗(yàn)段車轍的產(chǎn)生與試驗(yàn)段路面建成后通行較多的施工運(yùn)料車有關(guān),雖然總體交通量不大,但前期重車荷載對路面車轍產(chǎn)生了一定的影響。相鄰路段的車轍深度在1.5～5.0 mm,測點(diǎn)車轍均值3.4 mm。說明抗車轍級配瀝青混合料具有良好的抵抗重載車轍的效果。

7 結(jié) 論

通過浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、動載壓入試驗(yàn)和小梁低溫彎曲試驗(yàn),結(jié)合試驗(yàn)路觀測,可知抗車轍級配瀝青混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性,其高低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性與AC-16I瀝青混合料相當(dāng),并在高溫抗變形、低溫抗裂性能上表現(xiàn)優(yōu)良,完全符合現(xiàn)行規(guī)范對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性的相關(guān)規(guī)定。