橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗裂性能影響因素研究
2023-12-29 00:00:00黃松陳海濤
西部交通科技 2023年6期
作者簡(jiǎn)介：黃 松（1986—），工程師，主要從事試驗(yàn)檢測(cè)工作。
摘要：針對(duì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗開裂性能影響因素，文章基于Overlay Test（OT）試驗(yàn)從膠粉摻量和級(jí)配的角度對(duì)其進(jìn)行探討，采用荷載損失、抗開裂指數(shù)和臨界斷裂能作為混合料試件抗開裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。研究表明：增加膠粉摻量能夠提升橡膠瀝青的黏度，增大混合料試件的臨界斷裂能；隨著分形維數(shù)D的增大，混合料試件的臨界斷裂能和荷載損失增加，抗開裂指數(shù)減小；增加粒徑為0.075 mm的集料含量，能夠提升混合料的抗開裂性能；抗開裂指數(shù)、臨界斷裂能和荷載損失三者之間密切相關(guān)，抗開裂指數(shù)增大，荷載損失和臨界斷裂能減小。此外，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臨界斷裂能足夠大時(shí)，即便抗開裂指數(shù)小，荷載損失大，但荷載周期-最大荷載冪函數(shù)曲線余坐標(biāo)軸圍成的面積大，試件在開裂過程中所需能量多，瀝青混合料抗開裂性能強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：應(yīng)力吸收層；膠粉摻量；級(jí)配；Overlay Test試驗(yàn)；抗開裂性能
中圖分類號(hào)：U416.03A130405
0 引言
反射裂縫是瀝青路面常見的病害問題，特別是在“白改黑”的瀝青路面尤為突出，為此提出應(yīng)力吸收層這一解決方案。相關(guān)研究表明，應(yīng)力吸收層能有效延緩反射裂縫的發(fā)展，具備良好的柔韌性和抗?jié)B性能［1-3］。橡膠瀝青因環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、制備工藝成熟和性能優(yōu)良等特點(diǎn)，［4-8］已在應(yīng)力吸收層中得到了應(yīng)用［9］。余波等［10］通過對(duì)橡膠瀝青、改性乳化瀝青、土工格柵、聚酯玻布和Strata應(yīng)力吸收層進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，證明了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的抗剪強(qiáng)度最好，并在鄭州的項(xiàng)目上得到應(yīng)用，潘睿［11］結(jié)合軟件模擬確認(rèn)了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層對(duì)反射裂縫有明顯抑制作用。曹榮吉等［12］通過鹽通高速公路工程驗(yàn)證了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的作用。為了更好地提升橡膠瀝青應(yīng)力吸收層路用性能，確定各影響因素對(duì)應(yīng)力吸收層的影響，譚繼宗等［13］從級(jí)配角度研究了橡膠應(yīng)力吸收層的高溫、水穩(wěn)定性、低溫性能，認(rèn)為2.36 mm篩孔通過率對(duì)混合料高溫、低溫性能具有重要影響，且瀝青膜厚度與水穩(wěn)定性相關(guān)性較好。張紅波等［14］發(fā)現(xiàn)減小空隙率能夠提升橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的低溫、水穩(wěn)和應(yīng)力吸收能力，但會(huì)降低混合料抗車轍性能。祝譚雍等［15］通過SCB試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，增加RAP摻量會(huì)對(duì)橡膠橡膠瀝青應(yīng)力吸收層抗開裂性能產(chǎn)生不利影響。孫雅珍等［16］發(fā)現(xiàn)溫度升高會(huì)降低SCB試件的破壞荷載，提升試件斷裂韌度。
現(xiàn)有研究成果通過拉拔、剪切、車轍、低溫小梁和SCB試驗(yàn)評(píng)價(jià)了應(yīng)力吸收層的粘結(jié)、抗剪、高溫、低溫和疲勞性能。然而，這些試驗(yàn)并不能有效模擬瀝青面層在車輛荷載下基層裂縫對(duì)瀝青面層的反復(fù)作用，也不能有效測(cè)定瀝青混合料的抗開裂能力。而Overlay Test試驗(yàn)通過正弦三角位移波形荷載形式有效地模擬了基層裂縫開閉運(yùn)動(dòng)，并通過荷載損失、臨界斷裂能和抗開裂指數(shù)對(duì)應(yīng)力吸收層的抗開裂能力進(jìn)行評(píng)價(jià)［17-18］。現(xiàn)有基于OT試驗(yàn)的研究，大多僅對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性分析，缺乏從各方面對(duì)應(yīng)力吸收層抗裂能力展開定量研究［19-22］。同時(shí)，基于膠粉含量和級(jí)配角度對(duì)橡膠應(yīng)力吸收層抗裂性能方面的研究仍存在不足，本文通過OT試驗(yàn)，研究四種AC-10級(jí)配和三種不同膠粉摻量對(duì)應(yīng)力吸收層的影響，并定量分析各影響因素對(duì)應(yīng)力吸收層抗開裂性能的影響程度，以期為提升橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的抗開裂能力提供借鑒。
1 原材料與試驗(yàn)方案
1.1 原材料
試驗(yàn)用橡膠瀝青由70#基質(zhì)瀝青、SBS顆粒和30～80目橡膠粉等材料按照一定比例在180 ℃環(huán)境下高速剪切而成，膠粉摻量分別是18%、20%和22%。制得的橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)如表1所示。
采用石灰?guī)r碎石作為試驗(yàn)用粗、細(xì)集料，石灰粉作為填料。其技術(shù)指標(biāo)如表2所示。
1.2 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)
現(xiàn)有瀝青應(yīng)力吸收層的實(shí)際工程采用的級(jí)配多為瀝青薄層罩面中的10型級(jí)配，故以不同地方瀝青薄層罩面級(jí)配設(shè)計(jì)范圍中值作為本文的混合料級(jí)配，命名為AC-1、AC-2和AC-3。此外，以融水至河池高速公路應(yīng)力吸收層的級(jí)配為AC-4。本文的應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)級(jí)配如圖1所示。
本文采用貝雷參數(shù)和分形維數(shù)D作為本文級(jí)配的評(píng)價(jià)方法。
（1）分形公式［23］按照式（1）表述：
式中：rmin——集料最小粒徑尺寸；
rmax——集料最大粒徑尺寸；
r——集料中某篩孔尺寸；
D——分形維數(shù)。
因rmin遠(yuǎn)小于rmax，故將其忽略不計(jì)，可將式（1）表示為：
P（r）=（r/rmax）3-D（2）
對(duì)式（2）兩邊取對(duì)數(shù)得：
lg（P（r））=（3-D）lg（r/rmax）（3）
建立篩孔尺寸與通過率的雙對(duì)數(shù)散點(diǎn)圖，可得級(jí)配分形維數(shù)：
D=3-k（4）
式中：k——在篩孔尺寸與通過率的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中進(jìn)行線性回歸得到的擬合直線斜率，當(dāng)只取2.36 mm以上或以下部分時(shí)，可分別根據(jù)擬合直線計(jì)算得出粗集料和細(xì)集料的級(jí)配分形維數(shù)Dc和Df。
（2）貝雷參數(shù)CA、FAc、FAf計(jì)算公式［24］見式（5）～（7）。
式中：PD/2——粒徑為D/2（D為公稱最大粒徑）的通過率（%）；
PPCS——第一控制篩孔（PCS=0.22D）通過率（%）；
PSCS——第二控制篩孔（SCS=0.22PCS）通過率（%）；
PTCS——第三控制篩孔（TCS=0.22SCS）通過率（%）。
通過計(jì)算，得到各級(jí)配對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)參數(shù)，結(jié)果如下頁(yè)表3所示。
1.3 試驗(yàn)方案
Overlay Test（OT）試驗(yàn)?zāi)苡行У貙?duì)瀝青混合料抗反射裂縫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。其工作原理為：將制備好的試件放置在設(shè)備的座動(dòng)器上，其中一端固定不動(dòng)，另一端在水平面上做三角波形周期運(yùn)動(dòng)，以模擬瀝青路面受到反射裂縫時(shí)的情況。試件制備流程如圖2所示，制備標(biāo)準(zhǔn)大馬歇爾試件，將其上下、左右進(jìn)行切除，制得長(zhǎng)152.4 mm×寬76.2 mm×高38.1 mm的試件。
設(shè)備的使用方法：（1）將制備好的試件用環(huán)氧樹脂AB膠固定在兩塊試驗(yàn)鋼板上，并在室溫中養(yǎng)護(hù)24 h使固定效果達(dá)到最佳值；（2）將試件放置在設(shè)備中養(yǎng)護(hù)至少1 h，溫度為25 ℃±0.5 ℃；（3）試驗(yàn)測(cè)試參數(shù)設(shè)置：最大目標(biāo)位移為0.635 mm，周期為1 000次，荷載損失終止值為93%，加載頻率為0.1 Hz。
本文采用Overlay Test設(shè)備測(cè)定了在18%膠粉摻量的橡膠瀝青下4個(gè)級(jí)配混合料試件的抗裂性能，并選取其中一個(gè)級(jí)配，測(cè)定其在18%、20%和22%膠粉摻量下瀝青混合料試件的抗裂性能。以臨界斷裂能、荷載損失率R、抗開裂指數(shù)CRI為評(píng)價(jià)指標(biāo)，各指標(biāo)的計(jì)算方式見式（8）～（10），抗裂指數(shù)計(jì)算結(jié)果如圖3所示。
臨界斷裂能：
式中：Gc——臨界斷裂能（kN/mm2）；
Wc——斷裂面積（kN/mm）；
b——試件寬度，取76.2 mm；
h——試件高度，取38.1 mm。
荷載損失率R：
式中：R——荷載損失率（%）；
F——試驗(yàn)初始周期最大荷載（kN）；
FN——試驗(yàn)結(jié)束周期最大荷載（kN）。
抗開裂指數(shù)CRI：
CRI=β（10）
式中：β——由荷載與加載循環(huán)次數(shù)擬合曲線的冪方程求得。
2 試驗(yàn)結(jié)果分析
通過Overlay Test試驗(yàn)儀對(duì)不同級(jí)配不同膠粉摻量的瀝青混合料試件進(jìn)行抗反射裂縫性能測(cè)試，試驗(yàn)平行試件個(gè)數(shù)為3，試驗(yàn)結(jié)果均值如表4所示。
（1）隨著分形維數(shù)的增大，臨界斷裂能也隨之增大。由圖4可知，臨界斷裂能和分形維數(shù)呈線性正相關(guān)，R2達(dá)到0.703 5。臨界斷裂能表示混合料試件在OT試驗(yàn)中第一個(gè)周期受到最大力時(shí)所需要的能量，用來評(píng)價(jià)瀝青混合料初始抵抗開裂的能力。臨界斷裂能越大，抗開裂能力越強(qiáng)。隨著D值的增大，混合料試件中細(xì)集料的含量逐漸增加，大集料顆粒之間的空隙得到填充，整個(gè)混合料試件更加密實(shí)，粘結(jié)力更強(qiáng)，需要更大的外力作用才能導(dǎo)致試件發(fā)生破壞，因此臨界斷裂能增大。
（2）隨著分形維數(shù)D值和CA值的增大，瀝青混合料的抗開裂指數(shù)不斷減小。由圖5可知，抗開裂指數(shù)與D值和CA值均呈線性負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)R2分別達(dá)到0.875 6和0.691 9。抗開裂指數(shù)用來評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗開裂能力衰減速率，該指標(biāo)越大，代表著混合料試件抗開裂能力衰減速率越低。隨著D值的增大，級(jí)配混合料中細(xì)集料顆粒含量增加，CA值的增加主要代表2.36 mm這一檔集料含量的增加。由于增加的細(xì)集料填充了骨架空隙，使得骨架中用來填充瀝青的空間減小，混合料試件整體的柔韌性會(huì)一定程度地減小，抗疲勞性能減小。因此，在外力的反復(fù)作用下，試件抵抗開裂的能力下降速率加快。
（3）隨著分形維數(shù)D和FAf值的增大，級(jí)配混合料的荷載損失不斷增大。由圖6可知，D值和FAf值與均成線性正相關(guān)，R2分別達(dá)到0.543 1和0.785 7。荷載損失一定程度上評(píng)價(jià)了混合料試件抗開裂能力衰減幅度，荷載損失小意味著混合料試件在第一個(gè)周期和最后一個(gè)周期所受最大力的差值小，混合料試件抗開裂能力衰減幅度小。FAf值的增大，表明粒徑為0.075 mm的集料含量增加，混合料內(nèi)部瀝青膠漿增多；而D值增大，表明細(xì)集料含量增多，混合料試件比表面積增大。在兩者作用下，瀝青混合料內(nèi)部的粘結(jié)力增大，初始破壞時(shí)所需作用力增大，但是細(xì)集料將骨架空隙填充，會(huì)在一定程度上致使試件整體柔韌性減小，抗開裂能力衰減速率增大，從而導(dǎo)致試件的荷載損失增大。
（4）通過增加瀝青中膠粉摻量，可以有效地提升瀝青混合料的抗裂性能。如圖7所示，隨著膠粉含量的增加，混合料試件的臨界斷裂能不斷增加，抗開裂指數(shù)和荷載損失不斷減小。這是因?yàn)槟z粉含量的增加會(huì)導(dǎo)致橡膠瀝青的黏度增加，使混合料試件的粘結(jié)力不斷增大，需要更大的外力作用才能對(duì)試件造成破壞，因此臨界斷裂能增加。此外，從試驗(yàn)結(jié)果可知，試件在外力作用1 000次后，結(jié)束周期的最大荷載相近，因此試驗(yàn)開始時(shí)試件的最大荷載越大，則荷載損失越大，抗開裂指數(shù)越小。
（5）隨著抗開裂指數(shù)的增大，荷載損失和臨界斷裂能不斷減小。由圖8可知，抗開裂指數(shù)、臨界斷裂能和荷載損失三者之間密切相關(guān)。從OT試驗(yàn)的數(shù)據(jù)中可知，當(dāng)混合料試件第一個(gè)周期最大荷載越大時(shí)，試件的臨界斷裂能越大，而所有試件在經(jīng)過外力反復(fù)作用1 000次后，最后一個(gè)周期的最大荷載均較為接近，因此試件的初始最大荷載值越大，則荷載損失越大，抗開裂指數(shù)越小。
3 結(jié)語(yǔ)
（1）增加膠粉摻量能夠有效增加橡膠瀝青的黏度，增大混合料試件的臨界斷裂能，提升瀝青混合料的抗開裂性能。
（2）級(jí)配對(duì)混合料抗開裂性能有著重要的影響，增加集料中細(xì)集料的含量，試件的臨界斷裂能增加，抗開裂指數(shù)減小；增加粒徑為0.075 mm的集料含量，能夠增加混合料膠漿含量，增加混合料試件粘結(jié)力，增大臨界斷裂能。
（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)臨界斷裂能較大時(shí)，即使抗開裂性能衰減速率和荷載損失增大，但是荷載周期-最大荷載冪函數(shù)曲線在坐標(biāo)軸上圍成的面積增大，試件開裂過程中需要的能量增加，瀝青混合料的抗開裂性能增強(qiáng)。
（4）抗開裂指數(shù)、臨界斷裂能和荷載損失三者之間密切相關(guān)，隨著抗開裂指數(shù)的增大，荷載損失和臨界斷裂能不斷減小。
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