沥青路面抗车辙混合料水温稳定性试验分析

高群花

(南通市公路事业发展中心,江苏 南通 226000)

0 前 言

沥青混合料是典型的黏弹塑性材料,承受水分、温度及荷载的长期作用会产生显著的变形或开裂,是导致沥青路面车辙、裂缝和推移拥包等病害的主要原因。水温稳定性是表征沥青混合料在温度、水分作用下,抵抗车辆荷载的反复作用,不发生显著永久变形,保证路面平整度和承载能力的重要技术指标。因此,路面沥青混合料有良好的抵抗车辙能力和水温稳定性是保证其使用耐久性和使用性能的前提条件。

沥青混合料水稳定性的评价试验方法包括浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验和冻融劈裂试验等,其中冻融劈裂试验是采用标准马歇尔试件,经浸水、饱水、冻融后进行测试,故冻融劈裂试验的测试条件更加严格,是目前广泛使用的沥青混合料水稳定性评价试验方法。沥青混合料高温稳定性的评价试验方法较多,一般采用车辙试验和动载压入试验[1,2]。低温抗裂性则是评价沥青路面混合料抵抗低温收缩裂缝能力的重要指标,目前常采用低温小梁弯曲试验、应力松弛试验等进行评价,我国规范规定采用沥青混合料低温弯曲试验。以下结合沥青路面抗车辙混合料级配研究成果,分别采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验、动载压入试验和小梁低温弯曲试验来评价抗车辙沥青混合料的水温稳定性。

1 沥青路面抗车辙混合料级配构成

根据沥青路面抗车辙混合料级配研究成果,试验采用的抗车辙沥青混合料级配如表1所示。作为对比参考级配,同时选取规范中AC-16Ⅰ级配范围的一个走向作为对比,亦列入表1。依据马歇尔试验结果,2种级配所对应的最佳油石比分别为4.5%、4.8%[2-5]。

表1 抗车辙混合料及对比混合料级配

试验采用的集料为石灰岩,沥青为盘锦AH-90#重交通石油沥青。试验采用的集料、沥青满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定的技术指标要求。

2 水稳定性

沥青路面出现水损害的主要原因是进入沥青混合料内部的水分降低了沥青的黏附性,并导致集料表面沥青剥离。在寒冷地区,温度的升降变化还会导致冻融循环,进一步加重了沥青路面水损害的严重程度。

在沥青混合料路用性能试验中,一般采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价沥青混合料的水稳定性。

2.1 浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验是我国现行试验规程中规定的常规试验方法之一。通过浸水马歇尔试验,可以根据沥青混合料马歇尔试件在浸水前后物理、力学性能的变化程度来判断沥青混合料的水稳定性。

马歇尔试件浸水后,将导致试件沥青混合料中沥青与集料之间的黏附性下降。体现在力学性能上,即为沥青混合料整体力学强度的下降。残留稳定度以浸水前后马歇尔稳定度的比值来表征,残留稳定度的数值越接近100%,代表沥青混合料的水稳定性越好。浸水马歇尔对比试验结果如表2所示。

表2 浸水马歇尔对比试验结果

由对比试验结果可知,抗车辙级配沥青混合料和AC-16I沥青混合料的残留稳定度分别为82.1%、93.6%,两种级配混合料都能够满足规范不小于80%的规定。但抗车辙级配沥青混合料的残留稳定度只有AC-16I沥青混合料残留稳定度的87.7%。分析其原因,浸水马歇尔试验的稳定度大小主要取决于沥青混合料中集料与沥青的黏附性和粘接力,而相对于骨架嵌挤类的抗车辙级配沥青混合料,AC-16I混合料的沥青胶浆更多,故其集料与沥青的黏附性更好,呈现出较高的残留稳定度。从试验结果来看,抗车辙级配沥青混合料的水稳定性也完全符合规范要求。

2.2 冻融劈裂试验

冻融劈裂试验是通过测定沥青混合料试件在受到水损害前后的冻融劈裂抗拉强度比(TSR),来评价沥青混合料的水稳定性,也是目前广泛采用的试验方法之一。与浸水马歇尔试验相比,因为增加了冻融过程,所以冻融劈裂的试验条件更加严格。依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的规定进行试验,冻融劈裂对比试验结果如表3所示。

表3 两种级配沥青混合料冻融劈裂对比试验结果

由对比试验结果可知,抗车辙级配沥青混合料、AC-16I沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比(TSR)均满足规范不小于75%的要求,且数值比较接近。

在劈裂试验条件中设置的冻融环节,使沥青混合料试件内部增加了两种作用力,其一是温度收缩应力,其二是沥青混合料空隙中的自由水遇负温冻结,因体积膨胀而产生局部膨胀应力。在集料表面没有出现裂缝之前,混合料水稳定性能的下降是缓慢的。而一旦出现裂缝,侵入的水分就会在较短的时间内将沥青从集料表面剥离,从而导致集料与沥青之间的黏附性下降,混合料松散[6,7]。

从表3的试验结果看,抗车辙级配沥青混合料、AC-16I沥青混合料的冻融劈裂抗拉强度比(TSR)均接近80%。根据规范的规定,在湿润区和潮湿区冻融劈裂抗拉强度比(TSR)不应小于75%。因此,两种级配的沥青混合料都满足规范要求,且冻融劈裂抗拉强度比(TSR)基本相当。

3 车辙试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的有关规定,使用国产HYCZ-7型全自动车辙试验机进行沥青混合料车辙对比试验,结果如表4。其中d1为对应于时间t1(45 min)的车辙变形量,d2为对应于时间t2(60 min)的车辙变形量。

图1 车辙变形量试验结果对比

图2 动稳定度试验结果对比

表4 两种级配沥青混合料车辙试验对比测试结果

一般而言,动稳定度大代表高温抗车辙能力强。但由试验结果对比,可知以车辙试验的动稳定度(DS)来评价沥青混合料的高温稳定性,相对车辙试验的车辙变形量数据(如果变形量小,则说明抵抗高温变形的能力较强),两者所对应的评价结论不完全一致。由于抗车辙混合料试件45 min和60 min的车辙变形差值较大,所以动稳定度值较小,但AC-16I型沥青混合料试件45 min和60 min的车辙变形量远大于抗车辙混合料试件,加之变形量能够比较全面地反映沥青混合料抵抗变形的能力,因此,仅靠动稳定度(DS)来评价沥青混合料的高温稳定性,有出现偏差的可能。

4 动载压入试验

由车辙对比试验数据分析可知,由动稳定度(DS)评价沥青混合料的高温稳定性有一定的不确定性,故采用有侧限动载压入试验作对比分析[6,7]。

采用大型马歇尔试验试件,成型后冷却24 h,然后在45 ℃的恒温箱中静置6～8 h。利用MTS试验机(动态材料测试系统)模拟重交通的30 kN正弦波加载,对恒温的马歇尔试件循环加载100次,记录试件的瞬时变形和总变形,试验结果如表5、图3所示。

图3 动载压入试验的瞬时变形和总变形

表5 两种级配沥青混合料动载压入对比试验结果

由表5、图3可知,抗车辙级配沥青混合料的瞬时变形明显小于对比混合料AC-16I,说明在重交通30 kN正弦波循环作用下,抗车辙级配沥青混合料抵抗高温变形的能力较强,瞬时变形只有1.60 mm,总变形也明显小于对比混合料AC-16I;动载压入试验评价结果符合车辙试验的变形规律,间接表明以动载压入试验判断沥青混合料的高温抗变形能力具有一定的可靠性。另外,抗车辙级配沥青混合料的瞬时变形、总变形都比较小,说明“骨架—密实型”的抗车辙级配沥青混合料抵抗高温变形的能力良好。

5 评估低温抗裂性的小梁低温弯曲试验

低温抗裂性是表征沥青路面混合料抵抗低温收缩裂缝能力的重要指标。为具备良好的低温抗裂性,沥青路面混合料应具备低温环境下抵抗变形的能力。

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的规定,进行小梁低温弯曲对比试验。如果抗弯拉强度较高,说明材料抵抗破坏的能力较强;如果破坏时的弯拉应变较大,则代表沥青混合料破坏时出现的变形较大,具有良好的抗裂性。

抗车辙级配沥青混合料和AC-16I沥青混合料的小梁低温弯曲试验结果如表6所示。根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)规定,设计沥青路面抗车辙混合料时,不仅要考虑沥青混合料的高温稳定性,还需兼顾其低温抗裂性。

表6 两种级配沥青混合料低温弯曲对比试验结果

由表6的对比试验结果可知,抗车辙级配沥青混合料、AC-16I沥青混合料的最大弯拉应变有一定的差异。其中,抗车辙级配沥青混合料的弯拉应变总体上要大于AC-16I沥青混合料,且分别满足规范中的要求。说明抗车辙级配沥青混合料具有较好的低温变形性能,能够满足沥青路面低温抗裂性能的要求。

6 试验路修筑与观测情况

6.1 试验路概况

试验路全长29.5 km,采用双向四车道一级公路标准建设。路线的总体走向为由南向北,沿线地势平坦。试验段的路面结构为5 cm抗车辙级配沥青混合料、7 cm AC-25I粗粒式沥青混凝土、6%水泥稳定碎石20 cm、6%水泥稳定砂砾20 cm。

6.2 路面车辙观测情况

公路竣工通车2年后,对试验段和相邻路段的车辙情况进行观测。观测结果显示,试验段沥青路面出现了轻微车辙,深度在1.5～3.5 mm,测点车辙均值为2.8 mm。试验段车辙的产生与试验段路面建成后通行较多的施工运料车有关,虽然总体交通量不大,但前期重车荷载对路面车辙产生了一定的影响。相邻路段的车辙深度在1.5～5.0 mm,测点车辙均值3.4 mm。说明抗车辙级配沥青混合料具有良好的抵抗重载车辙的效果。

7 结 论

通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验、动载压入试验和小梁低温弯曲试验,结合试验路观测,可知抗车辙级配沥青混合料具有良好的高温稳定性、低温稳定性和水稳定性,其高低温稳定性和水稳定性与AC-16I沥青混合料相当,并在高温抗变形、低温抗裂性能上表现优良,完全符合现行规范对沥青混合料高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性的相关规定。