石學文, 李鵬飛,彭俊華,李 想,林振華,磨煉同

(1.湖北楚天智能交通股份有限公司,武漢 430000; 2.河南省豫南高速投資有限公司, 信陽 465550;3.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室,武漢 430070)

應力吸收層是鋪筑在舊水泥混凝土與瀝青面層之間的特殊功能層,主要用于防治反射裂縫和防止路面遭受水損害。應力吸收層瀝青混合料由高摻量特種高粘高彈改性瀝青、填料和細集料組成,且集料粒徑大部分在5 mm以下,屬于懸浮密實結構[1,2]。應力吸收層配合比設計時一般采用Superpave旋轉壓實成型,旋轉壓實次數(shù)通常采用50次,設計空隙率在0.5%～2.5%范圍內[3,4]。當前旋轉壓實成型方法可很好地用于應力吸收層室內目標配合比設計,但其設備昂貴,普及率低,不利于工地現(xiàn)場質量控制,適用性差;而馬歇爾擊實成型方法普及率高,操作簡單,現(xiàn)場可控性強,因此有必要研究應力吸收層旋轉壓實和馬歇爾擊實成型對體積和力學性能的影響關系,為基于馬歇爾擊實成型的應力吸收層瀝青混合料設計和現(xiàn)場控制提供數(shù)據(jù)支撐。

前期研究結果表明,旋轉壓實與馬歇爾擊實對不同瀝青混合料體積和力學性能均有影響[5-7]。當前針對應力吸收層瀝青混合料的馬歇爾擊實成型研究較少,缺少旋轉壓實與馬歇爾擊實試驗對比分析,因此結合大慶至廣州高速公路(G45)河南境內新縣段路面專項工程應力吸收層瀝青混合料配合比設計與現(xiàn)場施工質量控制需要,開展旋轉壓實與馬歇爾擊實成型試件的體積與力學性能相關性分析,并提出基于馬歇爾擊實成型的瀝青混合料質量控制指標體系以適應工地現(xiàn)場質量管控要求。

1 試 驗

1.1 原材料

應力吸收層瀝青混合料采用特種高粘高彈改性瀝青,瀝青密度為1.02 g/cm3,針入度為82 dmm,軟化點為82.0 ℃,5 ℃延度52 cm;礦料分為5～8 mm、3～5 mm和0～3 mm機制砂三種規(guī)格,礦粉由石灰石研磨而成。經前期試驗和現(xiàn)場試鋪確定應力吸收層瀝青混合料的最佳油石比在8.5%～9.0%范圍內。應力吸收層瀝青混合料所用礦料合成級配見表1。

表1 應力吸收層瀝青混合料合成級配

1.2 方法

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T 0702—2011進行馬歇爾試件成型。應力吸收層瀝青混合料制備成型過程中,集料加熱溫度為190～195 ℃,特種高粘高彈改性瀝青加熱溫度為180～185 ℃,拌和溫度為185～190 ℃,試件成型溫度為155～160 ℃,雙面擊實次數(shù)為50次。

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T 0736—2011進行旋轉壓實試件成型,試驗溫度均與上述馬歇爾試件一樣。旋轉壓實的豎直壓力為600 kPa,壓實角為1.25°,旋轉速度為30 r/min,旋轉壓實次數(shù)為50次。

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T 0706—2011開展瀝青混合料密度試驗,采用水中重法檢驗上述兩種成型方法制得的試件體積性能。

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》T 0716—2011開展瀝青混合料劈裂試驗以檢驗旋轉壓實試件和馬歇爾試件的劈裂抗拉強度,試驗溫度為25 ℃,加載速率為50 mm/min。其中馬歇爾試件壓條寬度為12.7 mm,而旋轉壓實試件壓條寬度為19 mm。

參照《公路瀝青路面設計規(guī)范》JTG D50—2017附錄F瀝青混合料單軸貫入試驗方法分別進行旋轉壓實試件和馬歇爾試件的單軸貫入試驗,試驗溫度為60 ℃,加載速率為1 mm/min。其中馬歇爾試件壓頭為直徑28.5 mm×高50 mm,而旋轉壓實試件壓頭為直徑42 mm×高50 mm。

2 結果與討論

2.1 體積性能分析

為研究不同油石比旋轉壓實試件與馬歇爾試件體積性能之間的關系,根據(jù)同一設計級配采用8.5%、9.0%和9.5%油石比成型馬歇爾試件和旋轉壓實試件,通過水中重法測試體積性能,試驗結果見表2。試驗結果表明:旋轉壓實與馬歇爾試件的體積參數(shù)存在較大差異,相同條件下旋轉壓實試件的空隙率和礦料間隙率均小于馬歇爾試件,且瀝青飽和度均大于馬歇爾試件;以旋轉壓實試件的空隙率、礦料間隙率和瀝青飽和度作為基準,進行馬歇爾試件體積參數(shù)換算,得到:1)當油石比為8.5%時,空隙率換算系數(shù)為0.714,礦料間隙率換算系數(shù)為0.978,瀝青飽和度換算系數(shù)為1.022;2)當油石比為9.0%時,空隙率換算系數(shù)為0.641,礦料間隙率換算系數(shù)為0.984,瀝青飽和度換算系數(shù)為1.016。3)當油石比為9.5%時,空隙率換算系數(shù)為0.408,礦料間隙率換算系數(shù)為0.989,瀝青飽和度換算系數(shù)為1.014。

由以上分析可以看出油石比對各體積指標的換算系數(shù)影響大,但在最佳油石比8.5%～9.0%范圍內,馬歇爾與旋轉壓實試件的體積性能參數(shù)的換算系數(shù)相差不大,而當油石比為9.5%時的空隙率小于0.5%,不符合設計要求,故取8.5%和9.0%油石比計算得空隙率平均換算系數(shù)為0.678,礦料間隙率平均換算系數(shù)為0.981,瀝青飽和度平均換算系數(shù)為1.019。

表2 不同試件的體積性能試驗結果

2.2 劈裂抗拉強度分析

為研究不同油石比旋轉壓實試件與馬歇爾試件劈裂抗拉強度之間的關系,根據(jù)同一設計級配采用8.5%、9.0%和9.5%油石比成型馬歇爾試件和旋轉壓實試件,通過25 ℃瀝青混合料劈裂試驗測試劈裂抗拉強度,試驗結果見表3。試驗結果表明,在相同條件下旋轉壓實試件的劈裂抗拉強度均大于馬歇爾試件。兩種試件9.0%油石比時的劈裂抗拉強度最大,但三種油石比的強度變化不明顯。以旋轉壓實試件的劈裂抗拉強度作為基準,對馬歇爾試件劈裂抗拉強度進行換算,得到8.5%油石比時劈裂抗拉強度換算系數(shù)為1.370。同理可得9.0%和9.5%油石比對應的劈裂抗拉強度換算系數(shù)分別為1.362和1.311。上述分析表明不同油石比的馬歇爾與旋轉壓實試件的劈裂抗拉強度換算系數(shù)相差不大,若以三種油石比計算得到平均劈裂抗拉強度換算系數(shù)為1.347。

表3 不同試件的間接拉伸試驗結果

2.3 單軸貫入應力分析

為研究不同油石比旋轉壓實試件與馬歇爾試件貫入應力之間的關系,根據(jù)同一設計級配采用8.5%、9.0%和9.5%油石比成型馬歇爾試件和旋轉壓實試件,進行了60 ℃貫入試驗,試驗結果見表4。試驗結果表明,相同條件下旋轉壓實試件的貫入應力均小于馬歇爾試件且二者存在較大差異,其中9.0%油石比時兩種試件的貫入應力最大。若以旋轉壓實試件的貫入應力作為基準,油石比為8.5%、9.0%和9.5%時對應的貫入應力換算系數(shù)分別為0.897、0.898和0.936。由此看出,不同油石比的馬歇爾與旋轉壓實試件的貫入應力換算系數(shù)相差不大,三種油石比平均貫入應力換算系數(shù)為0.910。

表4 不同試件的單軸貫入試驗結果

2.4 基于馬歇爾擊實方法的應力吸收層設計要求

大慶至廣州高速公路(G45)河南境內新縣段路面專項工程應力吸收層瀝青混合料設計主要以旋轉壓實方法為主,其體積性能要求空隙率0.5%～2.5%,礦料間隙率不小于16%,同時對高溫性能要求以貫入試驗為主,貫入應力不低于1 MPa。經大量試驗實測發(fā)現(xiàn)貫入應力均大于2 MPa,故建議后期應按不低于2 MPa進行高溫性能設計。對于耐疲勞性能,項目要求在15 ℃和1 000個微應變下其彎曲梁疲勞壽命不低于10萬次,實際上梁疲勞壽命設計明顯偏低,經室內彎曲梁疲勞試驗表明其疲勞壽命均可大于50萬次,建議后期應按不低于50萬次進行設計。此外,因試件空隙率對疲勞試驗結果影響較大,建議彎曲梁疲勞試驗應對試件空隙率作出要求,即試件空隙率與現(xiàn)場芯樣實測空隙率相一致,二者壓實度控制在同一水平,以保證室內疲勞試驗結果能真實反映現(xiàn)場實際應力吸收層疲勞條件。項目設計要求中沒有對瀝青飽和度和間接抗拉強度提出要求,而這二個指標分別是重要的體積和力學指標,且實用性強,可用于更好地進行質量管控。結合大量試驗實測結果,建議后期瀝青飽和度應不低于90%,間接抗拉強度應不低于0.4 MPa。結合前面旋轉壓實試件與馬歇爾試件體積性能和力學性能的換算關系,提出了基于馬歇爾擊實成型的應力吸收層性能設計要求,如表5所示。采用馬歇爾擊實成型時,建議空隙率設計可適當放寬到3.0%,但實際設計應按低值控制以保證瀝青用量充足。實際瀝青用量應結合現(xiàn)場施工和易性進行調整和優(yōu)化,在表面不泛油或輕微泛油的前提下應適當提高瀝青用量。

表5 旋轉壓實試件與馬歇爾試件設計要求

3 結 論

a.應力吸收層配合比設計中可用馬歇爾擊實50次代替旋轉壓實50次成型試件,馬歇爾試件體積性能設計要求為空隙率0.5%～3.0%,瀝青飽和度不小于90%,礦料間隙率不小于16.5%。

b.旋轉壓實試件與馬歇爾試件的劈裂抗拉強度具有很好相關性,二者平均換算系數(shù)為1.347,馬歇爾試件的劈裂抗拉強度可按不小于0.4 MPa進行設計。

c.旋轉壓實試件與馬歇爾試件的貫入應力相關性好,二者平均換算系數(shù)為0.910,馬歇爾試件的貫入應力可按不小于2.0 MPa進行設計。

d.馬歇爾試件體積性能和力學性能可達到旋轉壓實設計要求的同等水平,且馬歇爾擊實成型試驗方法實用性強,采用馬歇爾試驗更有利于工地現(xiàn)場質量控制。