成型方法对柔性基层抗裂性能的影响研究

2023-03-16袁盛杰廖亚雄

黑龙江交通科技 2023年2期

袁盛杰，廖亚雄，魏威

(湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北武汉 430051)

半刚性基层沥青路面在低温条件下，经重载反复作用会形成疲劳裂缝[1]，并且是当下重载车载增多的趋势下表现出的主要破坏形式之一，不利于当下长寿命道路的发展理念。而开裂的起始点往往在基层，应用柔性基层解决半刚性基层沥青路面是有效的解决方法之一，因此必须保证柔性基层具有良好的低温抗裂性能，以发挥其优势[2]。而不同的成型方法对柔性基层路用性能的影响也不同，对此研究者在不同成型方法之下均做过一些体积参数与路用性能的比较。刘海龙[3]研究了旋转压实法下柔性基层的路用性能，发现基于力学原理的方法优于马歇尔方法。贾立萍等[4]在北杨公路大中修过程中采用旋转压实法进行柔性基层的设计，发现试件的体积参数虽然与现有规范有出入，但室内试验与实践均表现出了良好的使用效果。王建华[5]研究了常用柔性基层的低温抗裂性，发现ATB-30要优于ATB-25，并以马歇尔设计配合比，再用旋转压实法成型性能最佳。鉴于此，依托G215线马鬃山至桥湾公路工程MQCKS-1标段对ATB-30柔性基层基于抗裂性能研究成型方法的适用性。

1 原材料

(1)沥青

试验用沥青为A级70号沥青，产自新疆克拉玛，其技术性质见表1。

表1 A级70#沥青技术性质

(2)粗集料

试验用粗集料为石灰岩碎石，机制砂为试验用细集料，矿粉为石灰岩矿粉，技术符合规范要求。

(3)级配

表2 ATB-30沥青混合料级配各档筛孔通过率

2 试验方案

2.1 成型方法

为了能评价成型方法的适用性，所有成型的试件尺寸均为φ150 mm×h100 mm，分别采用马歇尔击实法、振动压实法与GTM法成型试件。

(1)马歇尔击实法

马歇尔击实法是世界上使用时间最长、范围最广的方法，20世纪40年代发明，可根据击实次数的调整适应不同的交通轴载水平。但是在使用中会存在试验结果变异系数大、不稳定的情况，会与实际情况有差距。对此，郑求才等[6]研究了柔性基层的标准马歇尔与大马歇尔试件的影响，并根据不同试件尺寸提出了在设计与应用方面的指导意见。马歇尔击实法采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E-20—2011)中的大型马歇尔试件制作方法进行，锤重为10.21 kg，击实次数为112次。

(2)振动击实法

振动击实法最早在欧洲使用，国内外对此有着较多的研究。解晓光等[7]研究指出当混合料中4.75 mm筛孔的通过率若大于40%～50%，马歇尔击实法成型试件的体积参数与振动击实成型基本一致；随着4.75 mm筛孔通过率的减少，马歇尔击实法会呈现出颗粒破碎量增大，而振动击实法不会；当4.75 mm筛孔通过率低于35%时，振动击实法可以使颗粒排列更加密集，马歇尔稳定度和抗裂性能显著提高。沙爱民[8-9]研究指出，对于大粒径碎石沥青混合料不宜采用马歇尔击实法成型试件，易造成集料破碎，尤其是在公称最大粒径附近的集料破碎情况严重，以致改变原有的级配组成影响混合料性质。王天林[10]采用振动击实法对ATB-30的力学性能进行研究，发现该方法下室内试验与现场芯样跟接近。在规范振动成型方法的基础上已有研究采用了与实际跟相符的垂直振动成型方法[11]，根据已有研究成果，垂直振动成型方法的参数采用上车系统重量108 kg，下车系统质量167 kg，使用质量更符合ATB-30沥青混合料的成型。振动频率为38 Hz，名义振幅调为1.2。

(3)旋转压实法

旋转压实仪(Gyratory Testing Machine，简称GTM)在1960年左右由美国Army Corps of Engineers最先发明，用于道路材料试验。随后美国空军发现重型飞行设备对机场道路的损害尤为严重，为了解决这个问题，组织道路相关学者对GTM进一步深入开发研究，研究成果经整理成为现路面材料的旋转压实设计法。GTM较为真实地还原了轮载对路面的作用效果，它将压实与剪切两种作用方式用一台机器来模拟且结合良好，能再现柔性路面在荷载作用下的应力状态，将轮载碾压路面时轮胎与道路的作用效果最大程度地还原，室内试验与现场实际施工、压实都比较接近，经旋转压实后，沥青混合料的试件密度与车辆轮胎作用于路面后的密实度有着高度的一致性。由GTM法的设计理念可以知道，它的目标是防治沥青混合料产生较大的累计变形，先分析混合料的力学特性再设计混合料的配比，与传统经验法相比更加合理[12]。旋转压实法试验压强采用我国标准轴载0.7 MPa，试验参数参考已有研究[13]，应变比取1.05，抗剪安全系数大于1.0。

不同成型方法下马歇尔试验结果见表3。

表3 不同成型方法下马歇尔试验结果

2.2 SCB试验方法

沥青路面的开裂多数是由于疲劳开裂引起，随着轴载作用次数的增加与损伤的加剧，超过一定界限会导致裂缝的出现，因此抗裂性能在一定程度上决定道路的使用寿命。对于抗裂性能的评价方法有很多，尤其以断裂学评价方法最符合实际。半圆弯曲试验(SCB试验)操作简单，试件来源广泛，重复性好，是近年来评价沥青混合料开裂性能的主要方法[14]。根据断裂力学理论进行SCB试验后进行抗裂性能研究，试验在-10 ℃进行，试件底部支撑点间距取120 mm，加载速率为5 mm/min，采用具有伺服机制的UTM试验机开展试验。SCB抗拉强度计算公式如下

(1)

式中：P为极限荷载，N；t为试件厚度，mm，一般选为50。

2.3 抗裂性能评价

对于抗裂性能的评价方法有很多，尤其以断裂学评价方法最符合实际[15]，以线弹性断裂力学的方法，采用应力强度因子与能量释放率来评价柔性基层的抗裂性能。

(1)应力强度因子

应力强度因子是反映裂缝尖端应力场强弱的物理量，它与应力、裂缝位置和尺寸等因素有关。随着裂缝宽度不断增大或者应力逐渐增加，应力强度因子也逐渐增大。研究表明，当K增大到某一临界值KIC时，裂缝就会发生失稳扩展，KIC称为断裂韧度。对于沥青混合料而言，计算见公式(2)

(2)

式中：R、t分别为试件的半径与厚度，厚度取50 mm；a为试件的破坏时的有效裂缝长度；P为试件的破坏荷载；Y是形状参数。

(2)能量释放率

能量释放率按照美国AASHTO TP105-2015中的计算方法进行，由公式(3)计算

(3)

式中：W为试件破坏过程中释放的能量，J；A为试件破坏时的裂缝扩展面积，mm2。

3 试验结果与分析

3.1 SCB试验结果

不同成型方法下的SCB试验结果见表4，归一化数值分析见表5。

表4 不同成型方法-10 ℃下SCB试验结果

表5 不同成型方法-10 ℃下 SCB试验结果归一化分析

沥青混合料试件在-10 ℃下表现为线弹性材料，破坏形式为脆性断裂；由表4、5可知，振动击实法与旋转压实法的试件破坏荷载、强度更高，位移更大，破坏荷载分别比马歇尔击实法提高9%、5%，强度提高38%、50%，位移提高6%，31%，说明后两种成型方法比马歇尔击实法更符合实际，集料在成型过程中的排列与结构更加稳定。

3.2 抗裂性能

不同成型方法下的SCB试验结果见表6，归一化数值分析见表7。

表6 不同成型方法下-10 ℃沥青混合料抗裂性能

表7 不同成型方法下-10 ℃沥青混合料抗裂性能归一化分析

由表6、7可知，振动击实法与旋转压实法成型的试件抗裂性能均优于马歇尔击实法，印证了沥青混合料的抗裂性能会随着孔隙率的增大而降低[16]。而旋转压实法的断裂韧度与能量释放率分别高于振动击实法13%、12%，这是因为改良振动法的击实原理是基于低振幅的持续作用来改变集料的排列方式，无法模拟压实过程中的碾压行为，而旋转压实法的搓揉作用与实际路面成型更相符。