韓 彰

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,安徽 合肥230009;2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽合肥230051)

0 前 言

瀝青混合料指的是用具有一定黏度和適當(dāng)用量的瀝青材料與一定級(jí)配的礦質(zhì)集料,經(jīng)過充分拌和形成的混合物。將這種混合料加以攤鋪、碾壓成型,即成為各種類型的瀝青路面。為保證瀝青路面能夠長期穩(wěn)定的發(fā)揮作用,應(yīng)根據(jù)各地的氣溫、車載等情況,采用合理的瀝青混合料級(jí)配類型,以提高相關(guān)性能。

瀝青路面的主要性質(zhì)包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等。在不同地區(qū),對(duì)各性質(zhì)的要求程度不一。在溫度較高的區(qū)域,車轍現(xiàn)象發(fā)生比較頻繁,所以高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料設(shè)計(jì)的首要考慮因素;而在溫度較低的地區(qū),低溫抗裂性能需要予以關(guān)注,以避免裂縫的大量產(chǎn)生。

瀝青混合料抵抗低溫收縮變形的能力稱為低溫抗裂性。低溫開裂往往是瀝青路面各種病害的開始,而裂縫的發(fā)展將直接影響路面的使用性能。裂縫的產(chǎn)生不僅會(huì)破壞路面的連續(xù)性、整體性及美觀,而且會(huì)從裂縫中不斷滲入水分是基層甚至路基軟化,導(dǎo)致路面承載力下降,加速路面破壞。同時(shí)縱向無限長的瀝青面層開裂后,其承載能力轉(zhuǎn)變?yōu)橛邢蕹叽绨濉６久鎸幽Ａ枯^高,承受重復(fù)車輪荷載時(shí),開裂后的路面可能折斷成更小尺寸的板,并發(fā)生網(wǎng)裂。隨著裂縫逐年加寬,邊緣折斷破碎,促使路面平整度降低,嚴(yán)重危機(jī)道路的使用壽命和質(zhì)量。

1 瀝青混合料低溫開裂機(jī)理及裂縫形式

位于路面面層的瀝青混合料結(jié)構(gòu)層,直接受到氣溫變化的影響。一方面當(dāng)溫度下降時(shí),瀝青混合料就會(huì)產(chǎn)生收縮變形。由于瀝青路面無收縮縫,這種變形會(huì)受到基層對(duì)路面的摩阻力和路面無限連續(xù)板塊體對(duì)收縮變形的約束作用,使瀝青面層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。另一方面,瀝青混合料具有應(yīng)力松弛性能,當(dāng)給瀝青混凝土一定的應(yīng)變時(shí),由此產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的延長而松弛。在一般溫度范圍內(nèi),由溫度降低而產(chǎn)生的拉應(yīng)力,會(huì)由于應(yīng)力松弛而減小,將不會(huì)產(chǎn)生出現(xiàn)裂縫那么大的應(yīng)力。

瀝青混合料路面的低溫開裂就是溫度應(yīng)力和應(yīng)力松弛性能之間關(guān)系的問題。當(dāng)瀝青混合料的應(yīng)力松弛能力下降幅度較大,導(dǎo)致材料的抗拉強(qiáng)度小于溫度應(yīng)力,就會(huì)導(dǎo)致開裂;當(dāng)瀝青混合料的應(yīng)力松弛性能下降幅度較小,能夠保證材料的抗拉強(qiáng)度大于溫度應(yīng)力,就不會(huì)發(fā)生開裂。

瀝青混合料的低溫開裂主要有兩種形式:一種是由于氣溫驟降造成材料低溫收縮。當(dāng)溫度驟降時(shí),混合料的應(yīng)力松弛性能趕不上,溫度下降產(chǎn)生的應(yīng)力超過了材料的極限抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生的;另一種形式是低溫收縮疲勞裂縫。這是由于在瀝青混合料經(jīng)受長期多次溫度循環(huán)后,瀝青混合料的極限拉伸應(yīng)變變小,同時(shí)瀝青的老化使勁度提高,應(yīng)變松弛性能降低,所以即使當(dāng)溫度應(yīng)力小于其相應(yīng)溫度原始抗拉強(qiáng)度時(shí)也會(huì)產(chǎn)生開裂,即溫度疲勞裂縫可能會(huì)在比一次性降溫開裂溫度高的溫度下開裂。

瀝青混合料的低溫變形能力在很大程度上取決于瀝青材料的性質(zhì)、瀝青與礦料的黏結(jié)強(qiáng)度、級(jí)配類型以及瀝青混合料的均勻性。在上述諸多因素中,本文重點(diǎn)闡述礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性的影響。

2 瀝青混合料礦料級(jí)配組成

瀝青混合料的礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)就是確定礦質(zhì)混合料中不同粒徑的顆粒之間用量比例關(guān)系,通常采用不同粒徑顆粒的質(zhì)量比來表示。瀝青混合料可以因?yàn)榈V料的級(jí)配不同而形成不同的組成結(jié)構(gòu),不同結(jié)構(gòu)狀況的混合料將會(huì)表現(xiàn)出不同的物理—力學(xué)性質(zhì)和功能特征。所以,集料的級(jí)配組成對(duì)混合料的組成結(jié)構(gòu)和性能有著較大的影響,甚至起著決定性作用

瀝青混合料按照強(qiáng)度構(gòu)成特性的不同,劃分為三種結(jié)構(gòu)類型:

(1)密實(shí)—懸浮結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。這種瀝青混合料的礦料采用連續(xù)密級(jí)配,即礦料粒徑由大到小連續(xù)存在。這種礦物混合料含有大量細(xì)料,而粗顆粒數(shù)量較少,相互間沒有接觸,不能形成骨架,粗顆粒懸浮于細(xì)顆粒之間。

(2)骨架—空隙結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。這種混合料的礦料采用連續(xù)開級(jí)配,礦質(zhì)混合料級(jí)配遞減系數(shù)較大,粗集料含量較高,細(xì)集料很少。這種礦物混合料的粗集料可以相互靠攏形成骨架,但由于細(xì)料數(shù)量過少,不足以填充粗集料之間的空隙,其殘余空隙率較大。

(3)密實(shí)—骨架結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。這種混合料的礦料采用間斷型密級(jí)配礦質(zhì)混合料。既有一定數(shù)量的粗集料形成骨架,又有足夠數(shù)量的細(xì)集料填充骨架空隙。

在這三種結(jié)構(gòu)類型中,骨架—空隙結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于排水性瀝青路面,密實(shí)—骨架結(jié)構(gòu)主要是SMA路面,前一種路面形式由于原材料以及施工工藝等方面要求較高,在我國暫未普及;SMA路面造價(jià)相對(duì)較為昂貴,但由于其行車效果良好,逐漸推廣。目前,在我國瀝青路面主要采用的是密實(shí)—懸浮結(jié)構(gòu),即連續(xù)密級(jí)配瀝青混合料。所以,本文以AC型瀝青混合料為研究類型,討論AC型瀝青混合料與低溫抗裂性的關(guān)系。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

為了研究礦料級(jí)配以及瀝青混合料最大公稱粒徑對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能的影響,擬采用AC-5、AC-10、AC-13三種礦料級(jí)配,以及各自相應(yīng)的設(shè)計(jì)曲線靠近級(jí)配上限、級(jí)配中值以及級(jí)配下限的情況進(jìn)行研究。AC-5、AC-10和AC-13三種瀝青混合料是按照礦料的公稱最大粒徑劃分的。根據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE42-2005)的定義,集料的最大粒徑是指通過百分率為100%的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸;而集料的公稱最大粒徑是指全部通過或者允許少量不通過(一般允許篩余不超過10%)的最小標(biāo)準(zhǔn)篩篩孔尺寸。通常公稱最大粒徑比最大粒徑小一個(gè)粒級(jí)。AC-5的集料公稱最大粒徑為4.75 mm,最大粒徑為9.5 mm;AC-10的集料公稱最大粒徑9.5 mm,最大粒徑為13.2 mm;AC-13的集料最大公稱粒徑為13.2 mm,最大粒徑為16 mm。

4 瀝青混合料低溫抗裂性的測定方法

瀝青混合料的低溫開裂主要由于外部荷載以及環(huán)境溫度的改變,導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于混合料自身抗拉強(qiáng)度造成的。隨著環(huán)境溫度的幅度、頻率的不同,就會(huì)導(dǎo)致混合料不同裂縫形式,如低溫收縮裂縫,低溫荷載裂縫等。相應(yīng)的評(píng)價(jià)低溫抗裂性的試驗(yàn)方法包括:低溫線收縮系數(shù)、低溫彎曲蠕變以及約束試件的溫度應(yīng)力試驗(yàn)等,每種試驗(yàn)方法都有其針對(duì)性。

瀝青路面溫度下降時(shí)的收縮受到基層及周圍的約束,而產(chǎn)生拉應(yīng)力以及拉應(yīng)變,由此導(dǎo)致路面開裂,所以收縮性能是瀝青混合料最基本的性能之一。本次試驗(yàn)采用低溫線收縮系數(shù)試驗(yàn)方法正是基于收縮性能而制定的。試驗(yàn)研究重點(diǎn)是溫度下降時(shí),瀝青面層內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力的大小。對(duì)于外部荷載的影響因素沒有過多考慮。試驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)為平均線收縮系數(shù)。

瀝青混合料的平均線收縮系數(shù)是規(guī)定尺寸的棱柱體試件在規(guī)定溫度區(qū)間,以規(guī)定速率降溫時(shí)收縮變形與試件長度的比值。試件采用從輪碾成型的扳塊狀試件上切制的棱柱體,采用+10～-20℃的溫度區(qū)間,降溫速率為5℃/h。試驗(yàn)具體操作步驟參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0720-1993瀝青混合料線收縮系數(shù)試驗(yàn)。

瀝青混合料面層溫度應(yīng)力的計(jì)算公式為:

式中 σ1—溫度應(yīng)力; E—松弛模量;θ—溫度差;

α—瀝青混合料的線收縮系數(shù);μ—泊松比。

由公式(5-2)可以發(fā)現(xiàn),瀝青混合料溫度應(yīng)力與線收縮系數(shù)成正比。線收縮系數(shù)越大,溫度應(yīng)力也越大,瀝青混合料產(chǎn)生裂縫的可能性也就越大。

5 礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料低溫抗裂的影響

5.1 AC-5型礦料級(jí)配對(duì)低溫抗裂性能的影響

表1 AC-5型瀝青混合料低溫線收縮系數(shù)測試結(jié)果

圖1 AC-5型瀝青混合料三種級(jí)配與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系

綜合比照AC-5型瀝青混合料在相同瀝青含量時(shí),不同設(shè)計(jì)級(jí)配曲線與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系,可以得到以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)三種設(shè)計(jì)級(jí)配曲線的線收縮系數(shù)均隨著瀝青含量的增加而增大。

(2)AC-5X型瀝青混合料與其他二者相比,在各種瀝青含量情況下,均能夠保持較小的線收縮系數(shù),從而保證瀝青混合料具有較好的低溫抗裂性能。

所以,對(duì)于AC-5型瀝青混合料而言,AC-5X型瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

5.2 AC-10型礦料級(jí)配對(duì)低溫抗裂性能的影響

表2 AC-10型瀝青混合料低溫線收縮系數(shù)測試結(jié)果

圖2 AC-10型瀝青混合料三種級(jí)配與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系

綜合比照AC-10型瀝青混合料在相同瀝青含量時(shí),不同設(shè)計(jì)級(jí)配曲線與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系,可以得到以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)三種設(shè)計(jì)級(jí)配曲線的線收縮系數(shù)均隨著瀝青含量的增加而增大。

(2)在瀝青含量小于6.7%時(shí),A-10S型瀝青混合料具有最小的線收縮系數(shù)。而正常情況下,為保證工程的經(jīng)濟(jì)性,瀝青用量一般控制在6.7%以下。

所以,對(duì)于AC-10型瀝青混合料而言,AC-10S型瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

5.3 AC-13型礦料級(jí)配對(duì)低溫抗裂性能的影響

表3 AC-13型瀝青混合料低溫線收縮系數(shù)測試結(jié)果

綜合比照AC-13型瀝青混合料在相同瀝青含量時(shí),不同設(shè)計(jì)級(jí)配曲線與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系,可以得到以下幾個(gè)結(jié)論:

圖3 AC-13型瀝青混合料三種級(jí)配與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系

(1)三種設(shè)計(jì)級(jí)配曲線的線收縮系數(shù)隨著瀝青含量的增加均出現(xiàn)峰值。

(2)AC-13Z型瀝青混合料在瀝青含量小于5%階段,其線收縮系數(shù)明顯低于其他二者;在瀝青含量大于5%區(qū)間,其線收縮系數(shù)與AC-13X接近,均遠(yuǎn)小于AC-13S型。另外,AC-13Z型瀝青混合料線收縮系數(shù)變化較均衡,無較大突變。

所以,對(duì)于AC-13型瀝青混合料而言,AC-13Z型瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

5.4 基于低溫抗裂性的礦料級(jí)配優(yōu)選

通過對(duì)AC-5、AC-10以及AC-13三種級(jí)配類型瀝青混合料性質(zhì)的對(duì)比,選出各種類型中防滲性質(zhì)較好的的設(shè)計(jì)曲線,即相同瀝青用量,線收縮系數(shù)較小的級(jí)配類型。

完成上述橫向比較后,將各種級(jí)配類型中低溫抗裂性能良好的瀝青混合料(AC-5X、AC-10S,AC-13Z)進(jìn)行縱向比較,選擇出低溫抗裂性最優(yōu)良的瀝青混合料。

通過對(duì)右圖的研究分析,可以得到以下結(jié)論:

圖4 瀝青混合料礦料級(jí)配對(duì)低溫抗裂性影響的縱向優(yōu)化圖

(1)三種級(jí)配類型的瀝青混合料線收縮系數(shù)均隨著瀝青含量的增加而增大。

(2)在瀝青含量小于6.7%時(shí),AC-10S相對(duì)于其他兩種瀝青混合料具有較小的線收縮系數(shù),從而保證其具有良好的低溫抗裂性能。

(3)AC-5型瀝青混合料瀝青用量是三種混合料中最大的,這就使其溫縮系數(shù)較大,加大了開裂出現(xiàn)的可能性。此外,由于AC-5型瀝青混合料結(jié)構(gòu)比較密實(shí),內(nèi)部空隙偏少,應(yīng)力松弛極限溫度上升,增大了溫度應(yīng)力,提高了開裂的可能性。而AC-13型瀝青混合料相較于AC-10,粒徑差距較大,離析現(xiàn)象更明顯,使結(jié)構(gòu)均勻性下降,導(dǎo)致混合料抗裂性較差。

所以,對(duì)AC-5、AC-10與AC-13三種類型,9種級(jí)配曲線的的綜合比較,可以判定AC-10S型瀝青混合料具有最好的低溫抗裂性能。

6 結(jié) 論

(1)本文闡述了瀝青混合料低溫開裂的機(jī)理及裂縫形式,并從溫度應(yīng)力角度出發(fā),采用低溫線收縮系數(shù)指標(biāo),評(píng)價(jià)瀝青路面的低溫抗裂性能。

(2)通過低溫線收縮系數(shù)試驗(yàn),對(duì)比了相同瀝青用量下,瀝青混合料礦料級(jí)配與低溫線收縮系數(shù)之間的關(guān)系,確定了三種瀝青混合料中,AC-10S具有最佳的低溫抗裂性。

[1] 郝培文,張登良.瀝青混合料低溫抗裂性能評(píng)價(jià)[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào),2000,20(3):1～5.

[2] 中華人民共和國交通部.JTJ052-2000,公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2000.

[3] 中華人民共和國交通部.JTGF40-2004,公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,20005.

[4] 張金升、張銀燕等,《瀝青材料》北京化學(xué)工業(yè)出版社。2009:282～290

[5] 鄭健龍,周志剛,張起森.瀝青路面抗裂設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京:人民交通出版社,2002:178～185.

[6] 英國運(yùn)輸研究院、中國路橋(集團(tuán))總公司,青路面道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南[M].北京:人民交通出版社,1999:82～90.

[7] 中華人民共和國交通部.JTJE42-2005,公路工程集料試驗(yàn)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2005.

[8] 葛折圣,黃曉明,許國光.用彎曲應(yīng)變能方法評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào),2002,32(4):653～655.

[9] 吳濤,崔偉.瀝青混合料低溫抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)研究[J],公路交通技術(shù),2006,(2):32～35.