集料級配對瀝青混合料路用性能的影響研究

集料級配對瀝青混合料路用性能的影響研究

南京是中國著名的“烤箱”城市。夏季溫度高，全年時間長，雨水多，道路使用條件差。同時，道路交叉口區(qū)域溝渠交通嚴(yán)重，車輛調(diào)動頻繁，速度慢。因此，本研究中發(fā)現(xiàn)，由于主要原因，交叉口嚴(yán)重受損的車輛結(jié)構(gòu)。除基本因素外，混合板的制備不充分，瀝青混凝土的強(qiáng)度低，高原穩(wěn)定性不足。因此，有必要對交叉口瀝青路面的立面進(jìn)行處理?？紤]到交叉口以外的特殊使用要求，本研究采用具有良好耐夏性、水穩(wěn)定性和抗疲勞性的sd-w混合料，進(jìn)行全面的道路性能試驗(yàn)，重點(diǎn)評價材料的高溫穩(wěn)定性。1材料級設(shè)備選擇1.1混合料性質(zhì)對抗車轍性能的影響集料級配組成對瀝青混凝土路面表面層的性能有很大影響.佛羅尼達(dá)大學(xué)R.C.West的研究表明,集料的抗剪強(qiáng)度顯著影響混合料的永久變形速率,路面通過互相嵌擠的集料骨料結(jié)構(gòu)傳遞所承受的荷載,其抗剪強(qiáng)度主要不取決于瀝青或膠漿,而是取決于集料的性質(zhì).在通常情況下瀝青路面的抗車轍能力中,集料級配的貢獻(xiàn)率占60%,瀝青結(jié)合料只占40%,所以盡管合理選擇瀝青結(jié)合料可以使車轍病害減輕,但集料的性質(zhì)對抵抗車轍有更大的影響,這里集料的性質(zhì)主要包括集料的粒徑、顆粒形狀、棱角性及表面紋理,尤其指集料的級配類型,大量的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐顯示混合料中集料級配組成顯著地影響瀝青路面的性能,尤其是高溫抗車轍性能.1.2瀝青混凝土集料級配對針對南京的氣候條件和道路交叉口的交通特點(diǎn),瀝青混合料上面層材料首先應(yīng)該具有良好的高溫穩(wěn)定性,同時,還應(yīng)具有良好的水穩(wěn)定性和抗疲勞特性.根據(jù)這個要求,本研究選擇了2組具有不同特點(diǎn)的密級配型式(連續(xù)級配AC-16I調(diào)整型和間斷級配SAC-16A)進(jìn)行對比試驗(yàn).2組集料級配組成見表1.AC-16I是連續(xù)密級配.傳統(tǒng)的連續(xù)密級配瀝青混凝土的特點(diǎn)是空隙率小,透水性小,但目前《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ032—94)提出的I型級配范圍較寬,變異性較大,作為目標(biāo)級配的中值級配瀝青混凝土高溫下抗永久變形能力相對較弱.因此,本研究瀝青混合料所使用集料級配對傳統(tǒng)的AC-16I型中值級配進(jìn)行了調(diào)整,增加了4.75mm以上集料的用量,減少了0.075～4.75mm范圍的集料用量,但仍是連續(xù)密級配,在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ032—94)給出的AC-16I型級配范圍內(nèi),屬于AC-16I調(diào)整型.SAC-16屬于多碎石瀝青混凝土,最初由沙慶林院士提出,是粗集料斷級配瀝青混凝土的一種.為了使瀝青混凝土路面表面具有良好的高溫穩(wěn)定性,在集料級配中增加粗集料含量,減少砂礫的含量;同時為減少其空隙率,又相對地增加了礦粉的含量,這就是當(dāng)前多碎石瀝青混凝土級配組成的依據(jù).參照文獻(xiàn)中給出的車轍試驗(yàn)結(jié)果,本研究采用高溫穩(wěn)定性較好的SAC-16A作為試驗(yàn)級配.2路面材料優(yōu)選試驗(yàn)本研究選用國內(nèi)常用的2種采用不同方法改性的SBS改性瀝青1#和2#,其試驗(yàn)指標(biāo)見表2.針對城市道路交叉口路面表面層強(qiáng)磨耗的需要,本研究經(jīng)優(yōu)選采用高強(qiáng)耐磨的玄武巖和石灰?guī)r礦粉,其各項試驗(yàn)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ032—94)的要求.3混合料配合比設(shè)計本研究AC-16I調(diào)整型和SAC-16A兩種級配與2種SBS改性瀝青1#和2#組成4組瀝青混合料.混合料配合比設(shè)計按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ032—94)確定,其馬歇爾最佳油石比結(jié)果見表3.4混合材料的性能試驗(yàn)4.1試驗(yàn)結(jié)果分析本研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性,試驗(yàn)結(jié)果見表4、表5.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,4組瀝青混合料水穩(wěn)定性均很好,滿足《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ036—98)浸水殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比均不低于80%的規(guī)范要求.4.2車轍試驗(yàn)和模試驗(yàn)研究材料的高溫穩(wěn)定性用于評價瀝青混合料高溫性能的試驗(yàn)方法很多.大量的試驗(yàn)已經(jīng)證明,馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)主要是用于確定混合料最佳瀝青用量和施工質(zhì)量管理,并不能正確地反映材料的抗車轍能力,而車轍試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際路面車轍有極好的相關(guān)性,另外蠕變試驗(yàn)也可較好地反映實(shí)際瀝青路面在車輪荷載作用下永久變形的累積效應(yīng).因此,本研究分別采用車轍試驗(yàn)和蠕變試驗(yàn)研究材料的高溫穩(wěn)定性.4.2.1抗車轍性能試驗(yàn)分析南京夏季瀝青路面路表在太陽長時間照射下達(dá)到近70℃的高溫.因此,為了更好地評價瀝青混合料的高溫抗車轍性能,本研究除了按《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ036—98)要求進(jìn)行60℃車轍試驗(yàn),還特別安排了70℃車轍試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果見表6.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:同種瀝青AC-16I調(diào)整型混合料的抗車轍性能優(yōu)于SAC-16A混合料;而KA抗車轍性能明顯最優(yōu),其70℃的動穩(wěn)定度值高達(dá)3916次/mm,超過了60℃車轍試驗(yàn)不低于3000次/mm的規(guī)范要求.4.2.2瀝青混合料高溫力學(xué)性能從4組瀝青混合料中選出抗車轍性能最優(yōu)的KA進(jìn)行蠕變試驗(yàn)研究,為了增加可比性,另加KS進(jìn)行對比試驗(yàn).試驗(yàn)采用單軸靜載壓縮蠕變的方法,在MTS-810試驗(yàn)機(jī)上完成.試件為?100mm×200mm的圓柱體,以靜壓法成型.根據(jù)南京的實(shí)際氣溫變化情況,試驗(yàn)溫度采用40℃.試驗(yàn)歷程加載為60min,卸載為30min,加載應(yīng)力為0.1MPa.KA,KS蠕變曲線見圖1.由蠕變曲線可以看出:1)隨著加載時間的延長,蠕變曲線的斜率由大變小并逐漸穩(wěn)定,這表明瀝青混合料對變形的“抗力”越來越大,致使進(jìn)一步的變形更加困難,這就是所謂的“固結(jié)效應(yīng)”.瀝青路面的實(shí)際應(yīng)用情況也證實(shí)了瀝青混合料的這一變形特性,即車轍多產(chǎn)生于路面使用前期,在使用后期,車轍深度的增加速率越來越小.2)在同一應(yīng)力、同一溫度條件下,KA的永久變形比KS小得多,即KA的高溫抗蠕變性能明顯優(yōu)于KS,這表明,同種瀝青AC-16I調(diào)整型混合料的高溫抗蠕變性能優(yōu)于SAC-16A混合料.4.3瀝青混合料高溫穩(wěn)定性研究瀝青混合料屬于分散體系,在較高溫度域范圍內(nèi),是由強(qiáng)度很高的礦質(zhì)粒料和粘結(jié)性相對較弱的瀝青結(jié)合料所構(gòu)成的混合體.一般采用庫侖的內(nèi)摩擦理論分析瀝青混合料在高溫狀態(tài)下的強(qiáng)度和穩(wěn)定性.為此,本研究除采用車轍試驗(yàn)和蠕變試驗(yàn)研究瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,還采用閉式三軸試驗(yàn)儀進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn),測定瀝青混合料的抗剪切參數(shù),以評價材料的高溫抗剪切性能.試驗(yàn)溫度為60℃,試驗(yàn)結(jié)果見表7.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,4組瀝青混合料中,KA的粘結(jié)力c最大,KS的內(nèi)摩阻角φ最大.這也充分反映了2種級配類型混合料的強(qiáng)度形成特點(diǎn).4.4調(diào)整型與正/型瀝青ac-16i調(diào)整型混合料的抗壓強(qiáng)度對比15℃與20℃單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果見圖2.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,同種瀝青AC-16I調(diào)整型混合料的抗壓強(qiáng)度性能明顯優(yōu)于SAC-16A混合料.4.5開裂試驗(yàn)15℃劈裂試驗(yàn)結(jié)果見圖3.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,同種瀝青AC-16I調(diào)整型混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度性能明顯優(yōu)于SAC-16A混合料.4.6瀝青的高溫性能彎曲試驗(yàn)用以評價瀝青混合料抗彎拉的強(qiáng)度特性和彈性特性,試驗(yàn)按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ052—2000)規(guī)定的條件進(jìn)行,采用車轍試驗(yàn)板切割成的30mm×35mm×250mm梁式試件,試驗(yàn)溫度為15℃和-10℃.試驗(yàn)結(jié)果見圖4.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:1)4組瀝青混合料除SA外破壞應(yīng)變均未滿足《公路改性瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ036—98)-10℃彎曲試驗(yàn)“應(yīng)變不宜低于1200×10-6”的要求,但是KA的破壞應(yīng)變?yōu)?090×10-6,已相當(dāng)接近規(guī)范要求,考慮到其高溫穩(wěn)定性明顯高于其他各組混合料,而且南京道路交叉口區(qū)域路面材料的重點(diǎn)在于高溫抗車轍要求,而其低溫性能要求并不是很高,因此,這個數(shù)據(jù)還是可以接受的.2)同種瀝青AC-16I調(diào)整型混合料的15℃抗彎拉強(qiáng)度及低溫性能均明顯優(yōu)于SAC-16A混合料.4.7抗疲勞性能試驗(yàn)瀝青混合料室內(nèi)疲勞試驗(yàn)方法各異,各國都沒有統(tǒng)一的規(guī)定,目前以彎拉試驗(yàn)以及間接拉伸試驗(yàn)(即劈裂試驗(yàn))應(yīng)用最為廣泛.經(jīng)過多方比較,本研究采用彎拉疲勞試驗(yàn)研究瀝青混合料的抗疲勞性能.試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式的三分點(diǎn)加載方式,試件同彎曲試驗(yàn),跨徑為200mm.加載采用正弦波形荷載,正弦波荷載的最小荷載取為最大荷載的2%.為加快試驗(yàn)速度,相鄰波形之間不插入間歇時間.加載頻率為10Hz.我國《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTJ014—97)中容許拉應(yīng)力指標(biāo)采用的是15℃時的參考值,因此試驗(yàn)溫度為15℃.根據(jù)15℃彎曲試驗(yàn)抗彎拉強(qiáng)度,以應(yīng)力比0.2,0.25,0.3,0.35,0.4進(jìn)行彎拉疲勞試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)過回歸后的疲勞方程及回歸結(jié)果比較見表8和圖5.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出:同種瀝青AC-16I調(diào)整型混合料抗疲勞性能明顯優(yōu)于SAC-16A混合料;而KA的抗疲勞性能最優(yōu),尤其在低應(yīng)力水平下,由于城市道路交叉口通行