重交通条件下白加黑路面粗粒式应力吸收结构层沥青混合料设计及其性能研究

2023-09-23罗雪平陈楚鹏

西部交通科技 2023年7期

罗雪平,陈楚鹏

(广东华路交通科技有限公司,广东广州 510420)

0 引言

在“白加黑”工艺处治后的沥青路面中,车辆荷载的反复作用下,其原有旧水泥路面接缝或横缝处的沥青层底部易出现应力集中现象,进而引发反射裂缝。此外,在平交路口处,由于车辆慢速、加减速现象频繁,会不同程度地增大车辆荷载对路面结构产生的竖向剪应力及层间剪切应力,特别是在重载状态下,这种作用将进一步放大,导致路面出现车辙病害,从而缩短路面的使用寿命。

针对此类路面病害的处治已有许多研究。Hao Liang[1]应用切锯横缝及灌注封浆技术处治路面反射裂缝。周富杰等[2]通过室内试验和相关理论计算分析得出,适当增加沥青加铺层厚度可提高路面抗车辙能力及抗裂能力。郭红兵[3]提出采用开级配大粒径沥青碎石混合料作为裂缝缓解层,并通过有限元模型分析及实际工程应用情况验证其防裂效果。周志刚等[4]通过试验分析及有限元计算发现,在旧水泥路面与沥青加铺层之间铺筑土工合成材料夹层能有效缓解沥青层底部裂缝尖端应力集中现象,延缓反射裂缝的进一步扩展。叶平[5]设计了粗粒式应力吸收结构层混合料,并基于铺筑试验段,验证了该混合料在处治沥青路面反射裂缝的优良效果。

在旧水泥路面与沥青加铺层之间铺设应力吸收结构层可起到抗开裂和抗车辙的作用,同时具有防水、防裂、抗疲劳等多重功能,是目前最常用、最有效的处治措施。然而,随着现代交通量的不断增大,重载超载现象频繁发生,对应力吸收结构层材料的性能提出了更高的要求。目前常用的粗粒式应力吸收结构层类型单一,未考虑不同交通环境对材料性能的不同需求。

因此,针对目前应力吸收结构层材料设计存在的不足之处,本研究采用三种沥青胶结料,基于CAVF级配设计法和半圆弯曲试验设计不同类型的粗粒式应力吸收结构层混合料,基于室内试验评估其性能特点,为不同交通荷载条件下的应力吸收结构层材料的选择提供参考和依据。

1 原材料

1.1 沥青

本研究采用三种沥青胶结料,分别为SBS改性沥青(壳牌改性沥青,PG等级为PG76-22)、SH-V改性沥青(壳牌克裂王SH-V改性沥青)、超高黏改性沥青(大象热拌超薄路面专用特种改性沥青混合胶结料)。为了表述方便,以下简称为SBS、SH-V和超高黏,其性能指标检测结果均符合规范要求,如表1所示。

表1 沥青性能检测结果表

1.2 集料和矿粉

本研究选用的粗细集料为牛江石场的碎石和机制砂,岩性用于石灰石,填料为石灰岩矿粉。经检验,集料和矿粉均符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的质量要求。

2 配合比设计

根据本研究背景可知,研究设计的材料主要用于解决重载交通条件下“白加黑”路面频繁出现的车辙、反射裂缝等路面病害。因此,需要针对性地设计试验,验证材料的抗剪强度和抗裂性能。相关研究表明,半圆弯曲试验简便易操作,试件在加载中的受力状态与路面结构实际受力状态较为一致,用于评估混合料的抗裂性能具备相当的合理性及优越性[6]。因此,本研究提出一种基于主骨料空隙体积填充法(CAVF)级配设计法[7]和半圆弯曲试验相结合的配合比设计方法。

2.1 级配设计——CAVF法

分别选用SBS改性沥青、SH-V改性沥青和超高黏改性沥青设计三种沥青混合料,每种混合料根据工程经验初定五个油石比。根据混合料的路用性能及相关规范要求,本研究设计了混合料的目标孔隙率为5%,矿粉用量为5%。根据CVAF法计算不同油石比对应的粗细集料用量,得到了三种沥青混合料各油石比对应的合成级配,共计15种,如表2所示。

表2 不同类型混合料各油石比下的具体级配组成表

由表2可以看出,随着油石比的增大,粗集料用量逐渐增多,细集料逐渐减少,符合CAVF法的设计理念。粗集料主要担任骨架作用,而沥青、细集料和矿粉作为填充料填充骨架空隙,形成密实的空间网状结构。

2.2 最佳油石比确定——半圆弯曲试验

在低温条件下,对15种混合料进行半圆弯曲试验,得到试件破坏时的最大荷载和位移,进一步计算得断裂能(计算加载试验时的力—位移曲线最高点以下的面积)。断裂能由破坏时的最大荷载和最大位移所决定,而断裂能越大,反映沥青混合料的抗裂能力越强[8]。根据相关研究表明,在低温条件下,各混合料表现出极强的冷脆性,通常变形能力的变化幅度较小,此时其断裂能主要由破坏时的最大荷载所决定。因此,为简化试验,本研究在确定各混合料的最佳油石比时,主要考虑其最大荷载的影响。通过拟合得到各混合料最大荷载与油石比的关系曲线,取曲线中最大荷载对应的油石比为各混合料的最佳油石比。拟合各混合料最大荷载与油石比的关系曲线如图1～3所示。

图1 SBS型混合料拟合曲线图

图2 SH-V型混合料拟合曲线图

图3 超高黏型混合料拟合曲线图

从混合料最大荷载与油石比拟合曲线可知,各拟合曲线的相关系数均>0.9,表明拟合结果较好。其中SBS型、SH-V型及超高黏型混合料破坏时最大荷载分别为5.2%、5.5%及6.0%。因此,取以上油石比为各混合料设计的最佳油石比。

2.3 最佳配合比确定

基于前文得出的各混合料的最佳油石比,在各材料参数均不变的情况下,运用CAVF法再次计算各混合料的最佳油石比下粗细集料用量,根据粗细集料级配组成,可以得出各混合料的最佳配合比组成,如表3所示。

表3 不同沥青类型混合料的最佳配合比组成表

按表3确定的最佳配合比组成制备三种粗粒式应力吸收结构层沥青混合料并进行半圆弯曲试验,试验结果如图4所示。

图4 半圆弯曲试验结果对比柱状图

由图4半圆弯曲试验结果可知,在低温条件下,三种混合料破坏时最大荷载约为10 MPa,从大到小依次为SBS型、SH-V型和超高黏型。三种混合料的断裂能均超过20 000 N·mm,满足材料在重交通条件下所需的强度和抗裂能力。其中,超高黏型混合料的断裂能最大,说明其在荷载作用过程中可吸收的能量最多,在三种粗粒式应力吸收结构层混合料中抗裂能力最好。

3 材料性能研究分析

为研究混合料性能,开展了马歇尔试验、车辙试验和小梁弯曲试验。基于试验结果,分析了不同混合料的抗车辙和抗裂性能特点。

3.1 标准马歇尔试验

三种沥青混合料的马歇尔试验结果如图5所示。

图5 马歇尔试验结果对比柱状图

从马歇尔试验结果可知,三种混合料的稳定度及流值均满足规范要求的各地区马歇尔稳定度技术标准(>8 kN)和流值技术标准15～40(0.1 mm)。其中,SH-V型的粗粒式应力吸收结构层混合料的稳定度最大,为11.90 kN,且流值最小,为25.5(0.1 mm);超高黏型的粗粒式应力吸收结构层混合料的稳定度最小,为9.6 KN,流值最大,为30.1(0.1 mm);SBS型的粗粒式应力吸收结构层混合料的稳定度及流值与SH-V型的相差不大。综上所述,三种粗粒式应力吸收结构层混合料中SH-V型的高温稳定性能较好,在高温下更能保证行车的安全性和舒适性。

3.2 车辙试验

三种沥青混合料的车辙试验结果如图6所示。

图6 车辙试验结果对比柱状图

由图6车辙试验结果可知,三种混合料的动稳定度均>4 000 次/mm,满足规范要求的各地区动稳定度技术标准(>2 800 次/mm)。相比较而言,SH-V型的粗粒式应力吸收结构层混合料的动稳定度次数最大,为6 363 次/mm,远大于SBS型和超高黏型的,表明SH-V型的粗粒式应力吸收结构层混合料在高温下拥有较好的稳定性,能够抵抗较大的车辙变形。

3.3 小梁弯曲试验

三种沥青混合料的小梁弯曲试验结果如图7所示。

图7 小梁弯曲试验结果对比柱状图

由图7试验结果可知,三种混合料的抗弯拉强度均超过10 MPa,且从大到小依次为SBS型、SH-V型和超高黏型。三种混合料破坏时梁底最大弯拉应变约为2 000με,能够满足在车辆荷载及温度周期性变化的耦合作用下所需的材料强度及应变要求。其中,超高黏型混合料破坏时梁底弯拉应变最大,达2 113.4με,说明该混合料具有良好的抗裂性能。在荷载作用下,其可以通过自身优良的变形能力,吸收和消散旧水泥板裂缝处沥青面层底部的应力,从而延缓反射裂缝的产生和发展。