季冻区橡胶沥青碎石封层设计与性能研究

2018-01-19袁其华马建坤

长春工程学院学报（自然科学版） 2017年4期

袁其华，范雪，马建坤

(1.吉林建筑大学城建学院，长春 130114； 2.长春工程学院，长春 130012)

0 引言

我国高速公路多采用半刚性基层和沥青混凝土面层的结构形式[1]。半刚性基层材料在养护过程中易产生细小的裂缝，在道路使用过程中裂缝会向面层扩展形成反射裂缝进而使结构层发生破坏。季冻区由于基层反射裂缝使道路发生破坏的现象较为严重，特别是在春融季节，道路反射裂缝是引发一系列病害的主要诱因。

在基层和面层之间设置橡胶沥青碎石封层不但可以有效地抑制和减缓反射裂缝的产生和扩展，而且基层和面层通过封层材料的黏结与过渡形成了一个结构整体，这使得道路结构层的承载能力有了较大的提高。由于橡胶沥青碎石封层的使用效果受外界环境影响较大，特别是组成封层的结构类型和材料配比，所以本文对结构类型和材料配比对封层性能的影响进行了试验研究。

1 橡胶沥青碎石封层原材料

1.1 橡胶沥青

本试验采用90#道路石油沥青作为基质沥青。橡胶粉是斜交胎在常温粉碎的条件下制备而成的。制备橡胶沥青时所用的胶粉目数为80目，胶粉的掺量为23%，反应时间为90 min，反应温度控制为180℃。

1.2 集料

橡胶沥青单层碎石封层的集料选用粒径为9.5～13.2 mm的优质玄武岩；橡胶沥青倒装封层的集料第一层(下层)选用粒径为2.35～4.75 mm的碎石，第二层(上层)选用粒径范围为9.5～13.2 mm的碎石。撒布碎石时，满铺率控制在70%～90%。玄武岩各指标试验结果均满足要求。

2 橡胶沥青碎石封层剪切实验研究

2.1 试件制备

根据橡胶沥青碎石封层材料不同的配比制备试件。试件的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm，按照水泥稳定碎石+橡胶沥青碎石封层+沥青面层3层进行制作，其厚度分别为40 cm+20 cm+40 cm。按照比例为3.5%的水泥剂量制备水泥稳定基层，沥青层油石比选用3.5%[2]，封层原材料使用情况见表1，制备过程中沥青混合料的碾压温度控制在140～150 ℃[3]。

表1 封层材料用量推荐范围

2.2 实验方案设计

本试验采用正交思想对组成两种不同结构类型的试件原材料进行方案设计。试件完成后，采用TDR-16混凝土快速冻融试验机在-25～15 ℃范围内对试件进行20次循环冻融。试验采用ELE多极变速加载设备进行加载，剪切角度为40°。剪切速率为10 mm/min。组成橡胶沥青单层碎石封层试件原材料的组合形式有3×3=9种，组成橡胶沥青倒装封层原材料的两种变量的随机组合采用L9(34)正交实验法进行，因素水平见表2。

表2 倒装封层因素水平表

2.3 结果分析

2.3.1 橡胶沥青碎石封层单层碎石封层

由表3中的试验结果数据可知，采用单层碎石封层的构件在经过20次循环冻融试验后，橡胶沥青和集料的配比为2.0∶11时，试件的抗剪强度较大，达到0.856 MPa，与未经循环冻融的抗剪强度0.885 MPa相比衰减较少。

表3 单层碎石封层试件剪切实验结果

注*：该组试件不进行循环冻融得到的抗剪强度。

2.3.2 橡胶沥青倒装碎石封层实验结果

首先根据正交试验法对橡胶沥青倒装封层不同因素情况下的不同水平进行组合，其组合形式为9种，然后按照组合的配比数据进行试件制作并按照试验规程对冻融作用后的试件进行剪切试验，数据见表4。

表4 结构类型为倒装封层的试件抗剪实验数据

由表3和4实验数据可知，试件经过冻融循环后，铺设倒装封层结构类型的试件抗剪强度较大。从表2～4中极值R的大小可以看出各因素对结构抗剪强度的影响程度为因素A>因素C>因素D>因素B。由不同因素情况下不同水平下的剪力值确定组成橡胶沥青倒装封层原材料配比的最优组合为A2B3C2D3。根据该种组合形式按照同样的制备方法制备6个试件，将试件平均分成两组，每组3个，将其中一组试件进行冻融循环作用后进行剪切实验，另一组试件不做处理。两组试件剪切实验数据取平均值，其结果见表5。

表5 试件冻融循环后和不进行冻融的抗剪强度对比

由表5可知，试件经过20次冻融循环作用后其抗剪强度有所减小，减小值为0.023 MPa，该减小值小于0.039 MPa，根据实验结果和分析得出铺设两种不同封层类型的试件的原材料最佳配比，其结果见表6。

表6 组成封层材料配比

3 抗疲劳性能实验

3.1 复合小梁试件的制作

根据表6组成两种不同类型封层的材料配比进行制备实验板，然后切割成尺寸为300 mm(长)×100 mm(宽)×100 mm(高)的12个小梁构件，将结构类型相同的小梁平均分成2组，分别编号为A1、A2、B1和B2，在梁底切割2 mm宽的小缝模拟基层裂缝。试件基层材料为水泥稳定碎石，面层为AC-20C沥青混凝土材料，厚度均为40 mm，碎石封层的厚度为20 mm。试件示意图如图1所示。

图1 试件示意图

3.2 实验方案设计

实验采用HYCZ-5A自动车辙实验仪对试件进行加载，测定试件出现裂缝时轮载作用次数以判断不同类型封层试件的抗疲劳能力。车轮荷载的大小为0.7 MPa，工作频率为50次/min。将试件置于20 ℃的恒温水浴中浸泡24 h，取A1、B1组试件进行循环冻融20次，其循环稳定为-25～15 ℃，A2、B2组试件不做处理。实验过程中将结构面层出现裂缝时的车轮荷载作用次数作为试件的开裂寿命，将裂缝扩展到面层出现贯通裂缝的时候作为试件的断裂寿命。实验方案设计按照表7中的内容进行。

表7 胶沥青碎石封层疲劳性能实验方案

3.3 实验结果分析

最终将同条件下的试件的抗疲劳试验次数取平均值汇总见表8。

表8 不同条件下试件的抗疲劳试验数据

由表8不同条件下试件的抗疲劳试验数据可知，在同样的实验条件下铺设倒装类型结构的橡胶沥青碎石封层出现裂缝较晚，且试件出现贯通裂缝时轮载的作用次数较多，其原因为橡胶沥青倒装封层具有较好的吸能作用，能够较好地缓解裂缝的产生和扩展。经过20次冻融循环后，不同结构类型的试件抗疲劳性能都有所衰减，但是，铺设橡胶沥青倒装封层试件衰减较少。在实验过程中基层裂缝向上扩展经过封层后的发展方向发生了变化，从而有效地减小了应力峰值。