瀝青路面抗車轍混合料水溫穩定性試驗分析

高群花

(南通市公路事業發展中心,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生顯著的變形或開裂,是導致瀝青路面車轍、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作用,不發生顯著永久變形,保證路面平整度和承載能力的重要技術指標。因此,路面瀝青混合料有良好的抵抗車轍能力和水溫穩定性是保證其使用耐久性和使用性能的前提條件。

瀝青混合料水穩定性的評價試驗方法包括浸水馬歇爾試驗、真空飽水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗等,其中凍融劈裂試驗是采用標準馬歇爾試件,經浸水、飽水、凍融后進行測試,故凍融劈裂試驗的測試條件更加嚴格,是目前廣泛使用的瀝青混合料水穩定性評價試驗方法。瀝青混合料高溫穩定性的評價試驗方法較多,一般采用車轍試驗和動載壓入試驗[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,目前常采用低溫小梁彎曲試驗、應力松弛試驗等進行評價,我國規范規定采用瀝青混合料低溫彎曲試驗。以下結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、凍融劈裂試驗、車轍試驗、動載壓入試驗和小梁低溫彎曲試驗來評價抗車轍瀝青混合料的水溫穩定性。

1 瀝青路面抗車轍混合料級配構成

根據瀝青路面抗車轍混合料級配研究成果,試驗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,同時選取規范中AC-16Ⅰ級配范圍的一個走向作為對比,亦列入表1。依據馬歇爾試驗結果,2種級配所對應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

試驗采用的集料為石灰巖,瀝青為盤錦AH-90#重交通石油瀝青。試驗采用的集料、瀝青滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)規定的技術指標要求。

2 水穩定性

瀝青路面出現水損害的主要原因是進入瀝青混合料內部的水分降低了瀝青的黏附性,并導致集料表面瀝青剝離。在寒冷地區,溫度的升降變化還會導致凍融循環,進一步加重了瀝青路面水損害的嚴重程度。

在瀝青混合料路用性能試驗中,一般采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗來評價瀝青混合料的水穩定性。

2.1 浸水馬歇爾試驗

浸水馬歇爾試驗是我國現行試驗規程中規定的常規試驗方法之一。通過浸水馬歇爾試驗,可以根據瀝青混合料馬歇爾試件在浸水前后物理、力學性能的變化程度來判斷瀝青混合料的水穩定性。

馬歇爾試件浸水后,將導致試件瀝青混合料中瀝青與集料之間的黏附性下降。體現在力學性能上,即為瀝青混合料整體力學強度的下降。殘留穩定度以浸水前后馬歇爾穩定度的比值來表征,殘留穩定度的數值越接近100%,代表瀝青混合料的水穩定性越好。浸水馬歇爾對比試驗結果如表2所示。

表2 浸水馬歇爾對比試驗結果

由對比試驗結果可知,抗車轍級配瀝青混合料和AC-16I瀝青混合料的殘留穩定度分別為82.1%、93.6%,兩種級配混合料都能夠滿足規范不小于80%的規定。但抗車轍級配瀝青混合料的殘留穩定度只有AC-16I瀝青混合料殘留穩定度的87.7%。分析其原因,浸水馬歇爾試驗的穩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,呈現出較高的殘留穩定度。從試驗結果來看,抗車轍級配瀝青混合料的水穩定性也完全符合規范要求。

2.2 凍融劈裂試驗

凍融劈裂試驗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度比(TSR),來評價瀝青混合料的水穩定性,也是目前廣泛采用的試驗方法之一。與浸水馬歇爾試驗相比,因為增加了凍融過程,所以凍融劈裂的試驗條件更加嚴格。依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的規定進行試驗,凍融劈裂對比試驗結果如表3所示。

表3 兩種級配瀝青混合料凍融劈裂對比試驗結果

由對比試驗結果可知,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度比(TSR)均滿足規范不小于75%的要求,且數值比較接近。

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

從表3的試驗結果看,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度比(TSR)均接近80%。根據規范的規定,在濕潤區和潮濕區凍融劈裂抗拉強度比(TSR)不應小于75%。因此,兩種級配的瀝青混合料都滿足規范要求,且凍融劈裂抗拉強度比(TSR)基本相當。

3 車轍試驗

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)的有關規定,使用國產HYCZ-7型全自動車轍試驗機進行瀝青混合料車轍對比試驗,結果如表4。其中d1為對應于時間t1(45 min)的車轍變形量,d2為對應于時間t2(60 min)的車轍變形量。

圖1 車轍變形量試驗結果對比

圖2 動穩定度試驗結果對比

表4 兩種級配瀝青混合料車轍試驗對比測試結果

一般而言,動穩定度大代表高溫抗車轍能力強。但由試驗結果對比,可知以車轍試驗的動穩定度(DS)來評價瀝青混合料的高溫穩定性,相對車轍試驗的車轍變形量數據(如果變形量小,則說明抵抗高溫變形的能力較強),兩者所對應的評價結論不完全一致。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,僅靠動穩定度(DS)來評價瀝青混合料的高溫穩定性,有出現偏差的可能。

4 動載壓入試驗

由車轍對比試驗數據分析可知,由動穩定度(DS)評價瀝青混合料的高溫穩定性有一定的不確定性,故采用有側限動載壓入試驗作對比分析[6,7]。

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

圖3 動載壓入試驗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結果

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正弦波循環作用下,抗車轍級配瀝青混合料抵抗高溫變形的能力較強,瞬時變形只有1.60 mm,總變形也明顯小于對比混合料AC-16I;動載壓入試驗評價結果符合車轍試驗的變形規律,間接表明以動載壓入試驗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

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。為具備良好的低溫抗裂性,瀝青路面混合料應具備低溫環境下抵抗變形的能力。

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中的規定,進行小梁低溫彎曲對比試驗。如果抗彎拉強度較高,說明材料抵抗破壞的能力較強;如果破壞時的彎拉應變較大,則代表瀝青混合料破壞時出現的變形較大,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結果如表6所示。根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)規定,設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結果

由表6的對比試驗結果可知,抗車轍級配瀝青混合料、AC-16I瀝青混合料的最大彎拉應變有一定的差異。其中,抗車轍級配瀝青混合料的彎拉應變總體上要大于AC-16I瀝青混合料,且分別滿足規范中的要求。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 試驗路修筑與觀測情況

6.1 試驗路概況

試驗路全長29.5 km,采用雙向四車道一級公路標準建設。路線的總體走向為由南向北,沿線地勢平坦。試驗段的路面結構為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%水泥穩定碎石20 cm、6%水泥穩定砂礫20 cm。

6.2 路面車轍觀測情況

公路竣工通車2年后,對試驗段和相鄰路段的車轍情況進行觀測。觀測結果顯示,試驗段瀝青路面出現了輕微車轍,深度在1.5～3.5 mm,測點車轍均值為2.8 mm。試驗段車轍的產生與試驗段路面建成后通行較多的施工運料車有關,雖然總體交通量不大,但前期重車荷載對路面車轍產生了一定的影響。相鄰路段的車轍深度在1.5～5.0 mm,測點車轍均值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 論

通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗、動載壓入試驗和小梁低溫彎曲試驗,結合試驗路觀測,可知抗車轍級配瀝青混合料具有良好的高溫穩定性、低溫穩定性和水穩定性,其高低溫穩定性和水穩定性與AC-16I瀝青混合料相當,并在高溫抗變形、低溫抗裂性能上表現優良,完全符合現行規范對瀝青混合料高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性的相關規定。