成型方式對(duì)應(yīng)力吸收層瀝青混合料性能的影響

石學(xué)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(xué)硅酸鹽建筑材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430070)

應(yīng)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(yīng)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(xì)集料組成,且集料粒徑大部分在5 mm以下,屬于懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)[1,2]。應(yīng)力吸收層配合比設(shè)計(jì)時(shí)一般采用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)通常采用50次,設(shè)計(jì)空隙率在0.5%～2.5%范圍內(nèi)[3,4]。當(dāng)前旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法可很好地用于應(yīng)力吸收層室內(nèi)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì),但其設(shè)備昂貴,普及率低,不利于工地現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制,適用性差;而馬歇爾擊實(shí)成型方法普及率高,操作簡(jiǎn)單,現(xiàn)場(chǎng)可控性強(qiáng),因此有必要研究應(yīng)力吸收層旋轉(zhuǎn)壓實(shí)和馬歇爾擊實(shí)成型對(duì)體積和力學(xué)性能的影響關(guān)系,為基于馬歇爾擊實(shí)成型的應(yīng)力吸收層瀝青混合料設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)控制提供數(shù)據(jù)支撐。

前期研究結(jié)果表明,旋轉(zhuǎn)壓實(shí)與馬歇爾擊實(shí)對(duì)不同瀝青混合料體積和力學(xué)性能均有影響[5-7]。當(dāng)前針對(duì)應(yīng)力吸收層瀝青混合料的馬歇爾擊實(shí)成型研究較少,缺少旋轉(zhuǎn)壓實(shí)與馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)對(duì)比分析,因此結(jié)合大慶至廣州高速公路(G45)河南境內(nèi)新縣段路面專項(xiàng)工程應(yīng)力吸收層瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制需要,開展旋轉(zhuǎn)壓實(shí)與馬歇爾擊實(shí)成型試件的體積與力學(xué)性能相關(guān)性分析,并提出基于馬歇爾擊實(shí)成型的瀝青混合料質(zhì)量控制指標(biāo)體系以適應(yīng)工地現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管控要求。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

應(yīng)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(diǎn)為82.0 ℃,5 ℃延度52 cm;礦料分為5～8 mm、3～5 mm和0～3 mm機(jī)制砂三種規(guī)格,礦粉由石灰石研磨而成。經(jīng)前期試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試鋪確定應(yīng)力吸收層瀝青混合料的最佳油石比在8.5%～9.0%范圍內(nèi)。應(yīng)力吸收層瀝青混合料所用礦料合成級(jí)配見表1。

表1 應(yīng)力吸收層瀝青混合料合成級(jí)配

1.2 方法

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0702—2011進(jìn)行馬歇爾試件成型。應(yīng)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(shí)次數(shù)為50次。

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

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》T 0706—2011開展瀝青混合料密度試驗(yàn),采用水中重法檢驗(yàn)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(yàn)規(guī)程》T 0716—2011開展瀝青混合料劈裂試驗(yàn)以檢驗(yàn)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件和馬歇爾試件的劈裂抗拉強(qiáng)度,試驗(yàn)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(zhuǎn)壓實(shí)試件壓條寬度為19 mm。

參照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50—2017附錄F瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)方法分別進(jìn)行旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件和馬歇爾試件的單軸貫入試驗(yàn),試驗(yàn)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(zhuǎn)壓實(shí)試件壓頭為直徑42 mm×高50 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 體積性能分析

為研究不同油石比旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件與馬歇爾試件體積性能之間的關(guān)系,根據(jù)同一設(shè)計(jì)級(jí)配采用8.5%、9.0%和9.5%油石比成型馬歇爾試件和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件,通過水中重法測(cè)試體積性能,試驗(yàn)結(jié)果見表2。試驗(yàn)結(jié)果表明:旋轉(zhuǎn)壓實(shí)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(zhuǎn)壓實(shí)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(zhuǎn)壓實(shí)試件的空隙率、礦料間隙率和瀝青飽和度作為基準(zhǔn),進(jìn)行馬歇爾試件體積參數(shù)換算,得到:1)當(dāng)油石比為8.5%時(shí),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(dāng)油石比為9.0%時(shí),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(dāng)油石比為9.5%時(shí),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(duì)各體積指標(biāo)的換算系數(shù)影響大,但在最佳油石比8.5%～9.0%范圍內(nèi),馬歇爾與旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的體積性能參數(shù)的換算系數(shù)相差不大,而當(dāng)油石比為9.5%時(shí)的空隙率小于0.5%,不符合設(shè)計(jì)要求,故取8.5%和9.0%油石比計(jì)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(yàn)結(jié)果

2.2 劈裂抗拉強(qiáng)度分析

為研究不同油石比旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件與馬歇爾試件劈裂抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系,根據(jù)同一設(shè)計(jì)級(jí)配采用8.5%、9.0%和9.5%油石比成型馬歇爾試件和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件,通過25 ℃瀝青混合料劈裂試驗(yàn)測(cè)試劈裂抗拉強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見表3。試驗(yàn)結(jié)果表明,在相同條件下旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度均大于馬歇爾試件。兩種試件9.0%油石比時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度最大,但三種油石比的強(qiáng)度變化不明顯。以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度作為基準(zhǔn),對(duì)馬歇爾試件劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行換算,得到8.5%油石比時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度換算系數(shù)為1.370。同理可得9.0%和9.5%油石比對(duì)應(yīng)的劈裂抗拉強(qiáng)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(zhuǎn)壓實(shí)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度換算系數(shù)相差不大,若以三種油石比計(jì)算得到平均劈裂抗拉強(qiáng)度換算系數(shù)為1.347。

表3 不同試件的間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.3 單軸貫入應(yīng)力分析

為研究不同油石比旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件與馬歇爾試件貫入應(yīng)力之間的關(guān)系,根據(jù)同一設(shè)計(jì)級(jí)配采用8.5%、9.0%和9.5%油石比成型馬歇爾試件和旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件,進(jìn)行了60 ℃貫入試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表4。試驗(yàn)結(jié)果表明,相同條件下旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的貫入應(yīng)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(shí)兩種試件的貫入應(yīng)力最大。若以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的貫入應(yīng)力作為基準(zhǔn),油石比為8.5%、9.0%和9.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的貫入應(yīng)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(zhuǎn)壓實(shí)試件的貫入應(yīng)力換算系數(shù)相差不大,三種油石比平均貫入應(yīng)力換算系數(shù)為0.910。

表4 不同試件的單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

2.4 基于馬歇爾擊實(shí)方法的應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)要求

大慶至廣州高速公路(G45)河南境內(nèi)新縣段路面專項(xiàng)工程應(yīng)力吸收層瀝青混合料設(shè)計(jì)主要以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)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(shí)對(duì)高溫性能要求以貫入試驗(yàn)為主,貫入應(yīng)力不低于1 MPa。經(jīng)大量試驗(yàn)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)貫入應(yīng)力均大于2 MPa,故建議后期應(yīng)按不低于2 MPa進(jìn)行高溫性能設(shè)計(jì)。對(duì)于耐疲勞性能,項(xiàng)目要求在15 ℃和1 000個(gè)微應(yīng)變下其彎曲梁疲勞壽命不低于10萬次,實(shí)際上梁疲勞壽命設(shè)計(jì)明顯偏低,經(jīng)室內(nèi)彎曲梁疲勞試驗(yàn)表明其疲勞壽命均可大于50萬次,建議后期應(yīng)按不低于50萬次進(jìn)行設(shè)計(jì)。此外,因試件空隙率對(duì)疲勞試驗(yàn)結(jié)果影響較大,建議彎曲梁疲勞試驗(yàn)應(yīng)對(duì)試件空隙率作出要求,即試件空隙率與現(xiàn)場(chǎng)芯樣實(shí)測(cè)空隙率相一致,二者壓實(shí)度控制在同一水平,以保證室內(nèi)疲勞試驗(yàn)結(jié)果能真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)力吸收層疲勞條件。項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求中沒有對(duì)瀝青飽和度和間接抗拉強(qiáng)度提出要求,而這二個(gè)指標(biāo)分別是重要的體積和力學(xué)指標(biāo),且實(shí)用性強(qiáng),可用于更好地進(jìn)行質(zhì)量管控。結(jié)合大量試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果,建議后期瀝青飽和度應(yīng)不低于90%,間接抗拉強(qiáng)度應(yīng)不低于0.4 MPa。結(jié)合前面旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件與馬歇爾試件體積性能和力學(xué)性能的換算關(guān)系,提出了基于馬歇爾擊實(shí)成型的應(yīng)力吸收層性能設(shè)計(jì)要求,如表5所示。采用馬歇爾擊實(shí)成型時(shí),建議空隙率設(shè)計(jì)可適當(dāng)放寬到3.0%,但實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)按低值控制以保證瀝青用量充足。實(shí)際瀝青用量應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工和易性進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化,在表面不泛油或輕微泛油的前提下應(yīng)適當(dāng)提高瀝青用量。

表5 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件與馬歇爾試件設(shè)計(jì)要求

3 結(jié) 論

a.應(yīng)力吸收層配合比設(shè)計(jì)中可用馬歇爾擊實(shí)50次代替旋轉(zhuǎn)壓實(shí)50次成型試件,馬歇爾試件體積性能設(shè)計(jì)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(zhuǎn)壓實(shí)試件與馬歇爾試件的劈裂抗拉強(qiáng)度具有很好相關(guān)性,二者平均換算系數(shù)為1.347,馬歇爾試件的劈裂抗拉強(qiáng)度可按不小于0.4 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)。

c.旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件與馬歇爾試件的貫入應(yīng)力相關(guān)性好,二者平均換算系數(shù)為0.910,馬歇爾試件的貫入應(yīng)力可按不小于2.0 MPa進(jìn)行設(shè)計(jì)。

d.馬歇爾試件體積性能和力學(xué)性能可達(dá)到旋轉(zhuǎn)壓實(shí)設(shè)計(jì)要求的同等水平,且馬歇爾擊實(shí)成型試驗(yàn)方法實(shí)用性強(qiáng),采用馬歇爾試驗(yàn)更有利于工地現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制。