唐佑綿，范海琪，劉書(shū)君，3，呼金勇

(1.廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 肇慶 526442；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)交通與物流工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；3.干旱荒漠區(qū)公路工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 烏魯木齊 830000；4.廣東交通集團(tuán)檢測(cè)中心，廣東 廣州 510550)

0 引言

軟土路基上的鋪面工程或其他淺層加固工程都會(huì)受到土基沉降的影響而產(chǎn)生諸如開(kāi)裂、波浪型起伏等病害，由此可能帶來(lái)坑槽、沉陷和唧泥等次生病害。當(dāng)沉降量超過(guò)規(guī)范給出的極值時(shí)將顯著提高道路安全行駛風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本[1]。通常我們所說(shuō)的沉降是工后沉降，即路基鋪筑完成后產(chǎn)生的沉降，也稱“殘余沉降量”[2]。從表現(xiàn)變化上來(lái)看，殘余沉降主要表現(xiàn)為不均勻沉降，這種差異沉降會(huì)在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，當(dāng)差異沉降達(dá)到足夠大時(shí)所產(chǎn)生的附加應(yīng)力將大于路面移動(dòng)荷載作用下的應(yīng)力。張嘉凡等[3-7]提出當(dāng)差異沉降值超過(guò)2 cm時(shí)，水穩(wěn)基層底面將由于拉應(yīng)力過(guò)大而破壞；隨著瀝青層厚度增大，瀝青層底附加彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力將呈線性函數(shù)增加；隨著差異沉降的增加，路面結(jié)構(gòu)層與下部路基之間將產(chǎn)生脫空從而引發(fā)縱向開(kāi)裂，且多見(jiàn)于重車所在的慢車道并沿外側(cè)輪跡帶分布。對(duì)于殘余沉降所引起的路面開(kāi)裂問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多傾向于運(yùn)用線彈性斷裂力學(xué)來(lái)分析路面開(kāi)裂機(jī)理。鄭健龍等[8]提出路基承載力下降和非均勻沉降將導(dǎo)致半剛性路面單一的縱向和橫向直線型裂縫或者塊裂；重荷載并非馬上觸發(fā)縱向裂縫擴(kuò)展，而由于重荷載的常年作用導(dǎo)致土基的沉降量增加，當(dāng)達(dá)到一定值的時(shí)候才使裂縫擴(kuò)展，同時(shí)縱向裂縫擴(kuò)展還與路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)有關(guān)，如果路面的側(cè)向位移受到較好的限制可防止縱向裂縫的擴(kuò)展。

從以上綜述可知，軟基殘余沉降區(qū)路面縱向裂縫處治的關(guān)鍵是瀝青層能承受荷載-附加應(yīng)力疊加作用下的彎拉疲勞作用?，F(xiàn)有關(guān)于軟土路基地段路面開(kāi)裂的研究大部分在關(guān)注開(kāi)裂形成機(jī)理、影響因素與軟基加固等方面[9]。然而，軟基加固的成本較高，對(duì)既有交通影響較大，且較適用于新建路面需短期控制沉降的路段，對(duì)于殘余沉降不斷收斂的路段而言效果并不明顯。現(xiàn)有對(duì)縱向裂縫的處治方法大部分采用熱瀝青灌縫和貼壓縫帶的方法，顯然該方法并不適應(yīng)沉降附加應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞作用，處治后的路面在短時(shí)間(一般為2個(gè)月)內(nèi)便失效，而用SBS瀝青重鋪的瀝青路面一年后也會(huì)產(chǎn)生裂縫?；谝陨媳尘氨狙芯刻岢鰬?yīng)用高彈瀝青混凝土抗疲勞性能處治軟基殘余沉降區(qū)縱向開(kāi)裂問(wèn)題的思路，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和試驗(yàn)路來(lái)驗(yàn)證高彈瀝青及混合料的抗疲勞開(kāi)裂效果。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所用的瀝青均為佛山殼牌瀝青有限公司提供。其中高彈瀝青由70#基質(zhì)瀝青添加一定比例的有機(jī)酯類化合物鄰苯二甲酸二辛酯(Dioctyl Phthalate)來(lái)增強(qiáng)基質(zhì)瀝青的塑化性，以及少量的交聯(lián)劑(硫)和SBS改性劑(約30%苯乙烯)；SBS I-D瀝青是廣東地區(qū)最常用的筑路瀝青品種，在I類A、B、C和D等4種瀝青中其軟化點(diǎn)最高，延度指標(biāo)最低，因此常被用于瀝青路面上面層以改善瀝青路面在高溫狀態(tài)下的抗車轍性能。在本研究中SBS I-D瀝青被定義為控制組(Control Group Asphalt)，簡(jiǎn)記為CGA，用于對(duì)照高彈瀝青的性能，高彈瀝青(High Elasticity Asphalt)簡(jiǎn)記為HEA。

1.2 常規(guī)性能指標(biāo)與測(cè)試方法

常規(guī)性能指標(biāo)(和相應(yīng)的測(cè)試方法)包括針入度(T0604)、延度(T0605)、軟化點(diǎn)(T0605)、布氏黏度(T0625)、閃點(diǎn)(T0611)、溶解度(T0607)、25 ℃彈性恢復(fù)(T0662)和貯存穩(wěn)定性離析48 h軟化點(diǎn)差值(T0661)，以及旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱短期老化(T0610)后殘留物的質(zhì)量變化、針入度25 ℃和延度5 ℃，測(cè)試方法與流程參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)[10]進(jìn)行操作。在以上測(cè)試中延度與彈性恢復(fù)率指標(biāo)是主要關(guān)注的對(duì)象，從表觀力學(xué)性能上來(lái)說(shuō)，這兩項(xiàng)指標(biāo)通常決定了瀝青的粘彈性性能。

1.3 瀝青的流變性能與測(cè)試方法

使用SHRP動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer)來(lái)測(cè)定瀝青在不同溫度和旋切頻率下的動(dòng)態(tài)剪切模量和相位角，測(cè)試樣品包括原樣瀝青和短老化后的瀝青[10]。試驗(yàn)溫度依次范圍為5 ℃～85 ℃，誤差精度<±0.1 ℃；加載頻率為10 rad/s±0.1 rad/s的正弦波，加載方法為采用應(yīng)變控制荷載，其目標(biāo)應(yīng)變值如表1所示。試驗(yàn)的結(jié)果主要包括復(fù)合模量(Complex Modulus)G*(kPa，取絕對(duì)值)和相位角(Phase Angle)δ(精確至0.1°)。

表1 加載應(yīng)變目標(biāo)值表

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和CAM模型可以生成G*主曲線[11，12]，見(jiàn)公式(1)。瀝青結(jié)合料DSR試驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

(1)

式中，μ——瀝青結(jié)合料的泊松比；

ωc、v、w——CAM模型中的擬合參數(shù)。

表2 瀝青結(jié)合料DSR試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

注：(3)中的數(shù)字為試驗(yàn)試件數(shù)量。轉(zhuǎn)動(dòng)頻率(rad/s)：1.000，1.586，2.515，3.980，6.309，10.000，15.840，25.120，39.810，63.090，100.00；應(yīng)變范圍：0.000 2～0.000 8

1.4 瀝青混合料抗疲勞性能

本研究采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)測(cè)定瀝青混合料承受重復(fù)彎曲荷載的疲勞壽命。在本研究中為了降低集料與級(jí)配對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，集料統(tǒng)一采用玄武巖，級(jí)配為典型AC-13密級(jí)配，設(shè)計(jì)配合比如表3所示，油石比由馬歇爾試驗(yàn)(浸水馬歇爾試驗(yàn))、車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)等確定，限于篇幅具體試驗(yàn)過(guò)程在此省略。試驗(yàn)溫度為15 ℃，誤差精度±0.5 ℃；加載頻率10 Hz，誤差精度±0.1 Hz，加載波型為偏正弦波。測(cè)試裝置為澳大利亞IPC公司UTM-130系統(tǒng)，試驗(yàn)所需試件需預(yù)先制作，每組3個(gè)，并在環(huán)境箱中養(yǎng)生4 h以上。由于IPC公司四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)?zāi)K中沒(méi)有我國(guó)的規(guī)范，因此試驗(yàn)規(guī)程參照AASHTO T321[13]進(jìn)行。

表3 AC-13瀝青混合料設(shè)計(jì)配合比表

1.5 試驗(yàn)路概況

試驗(yàn)段位于廣東省佛山市境內(nèi)，公路所穿越地段原為魚(yú)塘，由上至下依次為沖洪積亞黏土、淤泥、中細(xì)砂交替層和殘積亞黏土。自2010年通車后開(kāi)始對(duì)該路段進(jìn)行沉降觀測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示該路段沉降尚未完全穩(wěn)定，KZ2點(diǎn)觀測(cè)點(diǎn)處的沉降較為典型，沉降變化如圖1所示。由圖1可知，在通車后500 d內(nèi)，路面的沉降非常大，累積約40 cm；其后路面的沉降雖在繼續(xù)加大但變化的幅度明顯收窄。此外，觀察發(fā)現(xiàn)路面沉降受雨、旱季交替影響，但年均振幅均未超過(guò)3 cm。為保證路面原有線型與斷面幾何尺寸，通車后不斷在路段進(jìn)行銑刨加鋪，因此，該路段瀝青層較厚(通常>30 cm)。該路段常見(jiàn)病害為不均勻沉降產(chǎn)生路面跳車和縱向裂縫，但跳車的發(fā)生率較公路開(kāi)通初期已有大幅下降。為了驗(yàn)證高彈瀝青的抗疲勞效果，我們選取120 m路段，該路段縱向裂縫發(fā)育成熟，將此試驗(yàn)段分成兩部分，各60 m，一部分仍鋪筑SBS改性瀝青混凝土，另一部分則使用高彈瀝青混凝土，用以對(duì)比兩種瀝青混合料的抗疲勞開(kāi)裂效果。

圖1 累積沉降觀測(cè)值曲線圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 瀝青常規(guī)性能對(duì)比

經(jīng)過(guò)上述力學(xué)性能試驗(yàn)，得出的試驗(yàn)結(jié)果如下頁(yè)表4所示。

表4 高彈瀝青與控制組常規(guī)性能指標(biāo)對(duì)比表

注：“-”為空白

由表4可知，在未老化前，除軟化點(diǎn)指標(biāo)外，高彈瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于控制組；在經(jīng)過(guò)RTFOT老化后瀝青的各項(xiàng)性能指標(biāo)均有所下降，但高彈瀝青仍優(yōu)于控制組。從延度指標(biāo)來(lái)看，老化前后高彈瀝青較控制組分別高55.9%和56.6%；從彈性恢復(fù)率指標(biāo)來(lái)看，老化前后高彈瀝青較控制組分別高16%和16.8%；從軟化點(diǎn)指標(biāo)來(lái)看，兩者之間的差值在6%以內(nèi)，對(duì)瀝青高溫穩(wěn)定性不會(huì)造成顯著的影響。因此，從試驗(yàn)得出的基本性能指標(biāo)上來(lái)說(shuō)，高彈瀝青具備更強(qiáng)的延伸性和彈性，具備抵抗更大應(yīng)變和疲勞荷載長(zhǎng)期作用的潛力。

2.2 瀝青的流變性能對(duì)比

高彈瀝青與控制組復(fù)合模量G*的試驗(yàn)結(jié)果在圖2、圖3列出。︱G*sinδ-1︱的對(duì)比情況在圖4中列出。

圖2 復(fù)合模量比較(原樣)曲線圖

圖3 復(fù)合模量比較(短期老化)曲線圖

圖4 ︱G*sinδ-1︱比較曲線圖

由圖2、圖3可知，原樣瀝青的復(fù)合模量隨溫度的升高而降低，經(jīng)過(guò)RTFOT短期老化后，復(fù)合模量值均有所下降且他們之間的差值減小了，但其變化趨勢(shì)并未發(fā)生改變。當(dāng)溫度較低時(shí)(5 ℃～20 ℃)，控制組的復(fù)合模量要大于高彈瀝青；當(dāng)溫度較高時(shí)(60 ℃以上)，控制組的復(fù)合模量則低于高彈瀝青。復(fù)合模量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：高彈瀝青相較于控制組在低溫時(shí)更具“彈性”，并且在溫度不斷上升的過(guò)程中，其“彈性”的衰減幅度低于控制組；在高溫狀態(tài)，高彈瀝青的“勁度”更強(qiáng)，即結(jié)合料的抗旋切能力更強(qiáng)，這有助于提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

由圖4可知，高彈瀝青的︱G*sinδ-1︱較控制組的小，說(shuō)明高彈瀝青的抗疲勞性能優(yōu)于控制組。︱G*sinδ-1︱值隨溫度的升高而降低，其趨勢(shì)基本與復(fù)合模量相同；老化后瀝青的︱G*sinδ-1︱升高了，說(shuō)明其抗疲勞性能隨著老化而下降。

2.3 瀝青混合料疲勞性能對(duì)比

在疲勞荷載的作用下試件將因達(dá)到疲勞破壞循環(huán)次數(shù)而失效，通常來(lái)說(shuō)是瀝青混合料的模量衰減至初始值的50%[14]。圖5所示加載循環(huán)次數(shù)與試件勁度模量之間的關(guān)系，當(dāng)然，這里所說(shuō)的勁度模量是依賴于加載頻率和加載時(shí)間模量值。由圖5可知，高彈瀝青混合料的疲勞壽命超過(guò)50 000次，控制組的疲勞壽命接近20 000次，兩者差值超過(guò)一倍，但初始的勁度模量值控制組略大于高彈瀝青混合料。兩種混合料的疲勞荷載作用下的力學(xué)特性也有較大差別，高彈瀝青混合料在疲勞荷載下的勁度模量發(fā)展過(guò)程大致分成兩個(gè)階段：在0～34 000次，試件的勁度模量始終保持在4 000～6 000 MPa之間；當(dāng)超過(guò)35 000次時(shí)，試件的勁度模量快速下降，我們發(fā)現(xiàn)此時(shí)試件表面已有細(xì)裂紋，截面面積的削弱使試件抵抗變形的能力下降，并且在疲勞荷載的繼續(xù)作用下加速破壞。控制組的勁度模量值發(fā)展與之類似，但疲勞壽命的次數(shù)要小得多，在加載次數(shù)達(dá)到8 000次時(shí)，試件的勁度模量值陡然下降并快速失效。試驗(yàn)表明：高彈瀝青混合料較控制組有更好的抗疲勞性能，具備承受長(zhǎng)期彎拉疲勞荷載作用的能力。

運(yùn)用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得到混合料勁度模量與疲勞壽命的函數(shù)關(guān)系，記勁度模量為S(kPa)，疲勞壽命為L(zhǎng)(次)，高彈瀝青混合料如公式(2)所示，控制組如公式(3)所示：

SHEA=-4×10-11L3+2×10-5L2-3.03L+6×106

(2)

SCPA=-1×10-10L3-0.000 1L2+6.503 8L+6×106

(3)

公式(2)擬合后的相關(guān)系數(shù)R2為0.945 7，公式(3)的相關(guān)系數(shù)R2為0.989 2，擬合的效果良好；公式(2)和公式(3)表明，瀝青混合料的彎拉勁度模量隨加載次數(shù)呈3次函數(shù)遞減。考慮到路面所處的環(huán)境較實(shí)驗(yàn)室惡劣，諸如太陽(yáng)輻射、溫度變化、雨水沖刷和超載車輛作用，因此當(dāng)路面出現(xiàn)細(xì)裂縫時(shí)將會(huì)加速破壞[15]，實(shí)際的疲勞壽命應(yīng)當(dāng)是第一次出現(xiàn)細(xì)裂縫時(shí)的加載次數(shù)，即高彈瀝青混合料為35 000次，控制組約為6 500次，該加載次數(shù)為有效的疲勞壽命，則高彈瀝青混合料的有效疲勞壽命約是控制組的5.4倍。

圖5 高彈瀝青與控制組疲勞壽命測(cè)試對(duì)比曲線圖

3 試驗(yàn)路實(shí)測(cè)效果

試驗(yàn)段于2016年12月鋪筑完成。攤鋪前先銑刨4 cm，然后使用噴灑SBS改性乳化瀝青作為粘層，瀝青混凝土均由佛山同一拌合站出料，控制組的油石比為5.4%，高彈瀝青為5.5%。攤鋪溫度170 ℃～175 ℃，膠輪壓路機(jī)保證壓實(shí)4遍。經(jīng)過(guò)一年時(shí)間的實(shí)際使用效果，高彈瀝青路面仍然完好，未出現(xiàn)開(kāi)裂，而SBS改性瀝青路面已經(jīng)出現(xiàn)了新的縱向裂縫。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)短期老化前后高彈瀝青的延度與彈性恢復(fù)率均高于控制組，其他指標(biāo)相差不大，說(shuō)明高彈瀝青較常用SBS改性瀝青有更好的粘彈性。

(2)在低溫狀態(tài)下高彈瀝青的復(fù)合模量較控制組低，在高溫狀態(tài)下高彈瀝青的復(fù)合模量則更高，短期老化后其趨勢(shì)不變，但他們之間的差值減小了；動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)表明，高彈瀝青在低溫下有更好的“柔性”以及有更好的高溫穩(wěn)定性。

(3)短期老化前，高彈瀝青︱G*sinδ-1︱值小于控制組，表明高彈瀝青較控制組有更好的抗疲勞性能；老化后兩種瀝青的︱G*sinδ-1︱均上升，但趨勢(shì)沒(méi)有改變，表明抗疲勞性能隨短期老化而下降。

(4)高彈瀝青混合料的疲勞壽命約是控制組的2.8倍，有效疲勞壽命約是控制組的5.4倍；顯然高彈瀝青混合料較控制組有更好的抗疲勞性能；試驗(yàn)段的實(shí)際使用性能驗(yàn)證了其抗疲勞開(kāi)裂性能較SBS改性瀝青更強(qiáng)。

本研究驗(yàn)證了課題組的設(shè)想，性能實(shí)測(cè)表明高彈瀝青較普通的SBS改性瀝青更適用于對(duì)抗疲勞性能要求更高的軟基殘余沉降區(qū)路段，后續(xù)將進(jìn)行跟綜觀測(cè)以確定高彈瀝青路面的實(shí)際疲勞壽命。

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