關(guān)鍵詞：道路工程 | 應(yīng)力吸收層 | 設(shè)計(jì)方法 | 反射裂縫 | 抗變形能力

廣西地區(qū)早期修建的高等級(jí)道路主要以水泥混凝土路面為主，近年來大部分水泥混凝土路面進(jìn)入養(yǎng)護(hù)維修階段。在水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土既能充分利用原有路面強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，又能發(fā)揮瀝青路面的整體性和舒適性，已成為水泥混凝土路面改造升級(jí)的主要方式。但由于水泥混凝土路面的接縫及裂縫缺陷，行車荷載作用下在層間縫隙處易出現(xiàn)應(yīng)力集中而導(dǎo)致反射裂縫的發(fā)生，進(jìn)而影響路面的使用性能和耐久性[1]。境內(nèi)外通常采用聚酯玻纖布、乳化瀝青封層、土工格柵或者瀝青混合料應(yīng)力吸收層等預(yù)防反射裂縫的發(fā)生，其中瀝青混合料應(yīng)力吸收層具有更優(yōu)異的黏結(jié)性能、低溫抗裂性能及疲勞性能，是高等級(jí)公路水泥混凝土路面加鋪方案中防反射裂縫的有效措施[2]。瀝青膠結(jié)料對(duì)應(yīng)力吸收層使用性能有顯著影響，在幾種常用的SBS改性瀝青、橡膠瀝青及70號(hào)道路石油瀝青中，SBS改性瀝青及橡膠瀝青具有優(yōu)異的使用性能[3，4]。有學(xué)者提出以60℃動(dòng)力黏度、軟化點(diǎn)及針入度作為關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行控制，有利于提升應(yīng)力吸收層瀝青混合料的疲勞性能及低溫性能[5]。

在瀝青混合料應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)方法上，劉小滔等提出采用zui緊密狀態(tài)油石比與析漏“拐點(diǎn)”油石比確定zui佳油石比范圍，以抗變形能力和0℃抗裂性能綜合確定zui佳油石比[6]；耿立濤則采用高溫性能、水穩(wěn)定性能和疲勞性能評(píng)價(jià)瀝青混合料應(yīng)力吸收層使用性能[3]。目前國內(nèi)瀝青混合料應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)大多是采用馬歇爾設(shè)計(jì)法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以體積指標(biāo)確定zui佳油石比，再進(jìn)行性能驗(yàn)證，設(shè)計(jì)流程與瀝青混合料結(jié)構(gòu)層基本一致。然而細(xì)粒式瀝青混合料作為應(yīng)力吸收層，主要目的是延緩反射裂縫發(fā)生、防止雨水下滲，從而提高瀝青路面加鋪層耐久性，與瀝青路面結(jié)構(gòu)層在性能需求上并不一致，瀝青混合料結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)思想不完全適用于應(yīng)力吸收層。目前國內(nèi)仍缺乏應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，也未形成系統(tǒng)、成熟的設(shè)計(jì)方法。為充分發(fā)揮應(yīng)力吸收層的功能優(yōu)勢(shì)，本文針對(duì)應(yīng)力吸收層的功能定位，重點(diǎn)考慮應(yīng)力吸收層的抗裂性能、防水性能、抗變形能力及疲勞性能，提出細(xì)粒式AC-10瀝青混合料應(yīng)力吸收層“4個(gè)控制點(diǎn)”的設(shè)計(jì)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)，為細(xì)粒式瀝青混合料應(yīng)力吸收層在濕熱地區(qū)水泥混凝土路面改造升級(jí)中的應(yīng)用及質(zhì)量控制提供參考。

設(shè)計(jì)方法

瀝青混合料應(yīng)力吸收層位于水泥混凝土路面面板與瀝青下面層之間，厚度通常為2~3cm。對(duì)于高等級(jí)水泥混凝土路面，在加鋪改造時(shí)，瀝青層的加鋪厚度通常為6~12cm，即2.5cm應(yīng)力吸收層＋4cm瀝青面層，或者2.5cm應(yīng)力吸收層＋5cm瀝青下面層＋4cm瀝青上面層?；诠こ虒?shí)際對(duì)其性能的需求，主要考慮以下幾點(diǎn)：

(1)水泥混凝土路面加鋪瀝青層，在水泥混凝土面板接縫及裂縫處易發(fā)生反射裂縫早期病害。為延緩及預(yù)防反射裂縫的出現(xiàn)，應(yīng)力吸收層bi須具有良好的抗裂性能，而小梁彎曲試驗(yàn)正好可以反映材料的這種性能?？紤]到濕熱地區(qū)平均氣溫相對(duì)較高，采用0℃彎拉破壞應(yīng)變指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

?(2)為防止雨水下滲至水泥混凝土面板內(nèi)而引起路面的加速破壞，應(yīng)力吸收層bi須具有良好的防水性能及水穩(wěn)定性，因此在目標(biāo)空隙率設(shè)計(jì)上應(yīng)比瀝青路面結(jié)構(gòu)層更小。

?(3)應(yīng)力吸收層高溫抗變形能力不足時(shí)在行車荷載作用下易出現(xiàn)剪切變形，累積變形達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響路面的使用性能和行車安全性。瀝青層內(nèi)zui大剪應(yīng)力主要發(fā)生在瀝青層以下6cm左右[7]。為防止層間出現(xiàn)剪切破壞或過大變形，當(dāng)采用單層加鋪方案時(shí)需要重點(diǎn)考慮應(yīng)力吸收層的高溫抗變形能力。

?(4)應(yīng)力吸收層在水泥混凝土路面接縫或者裂縫處易出現(xiàn)應(yīng)力集中，在車輛荷載反復(fù)作用下因疲勞損傷而加劇應(yīng)力吸收層的開裂。為提高其抗疲勞性能，應(yīng)力吸收層應(yīng)具有較高的油石比、較低的空隙率[8，9]。為防止油石比過高而出現(xiàn)施工泛油現(xiàn)象，采用析漏“拐點(diǎn)”處油石比作為上限進(jìn)行控制。

基于上述考慮，提出彎曲破壞應(yīng)變指標(biāo)、空隙率指標(biāo)、高溫抗變形指標(biāo)及析漏拐點(diǎn)“4個(gè)控制點(diǎn)”的設(shè)計(jì)方法。瀝青混合料應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

材料組成設(shè)計(jì)

原材料

本研究采用SBS改性瀝青進(jìn)行試驗(yàn)研究，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

試驗(yàn)用集料為5~10mm、3~5mm及0~3mm的石灰?guī)r碎石，填料為石灰?guī)r加工的礦粉。集料技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

礦料級(jí)配采用間斷級(jí)配類型，以形成較好的骨架結(jié)構(gòu)。優(yōu)選的礦料級(jí)配如表3所示。

性能試驗(yàn)及分析

zui佳油石比范圍的確定

(1)體積指標(biāo)

采用設(shè)計(jì)的礦料級(jí)配進(jìn)行不同油石比下馬歇爾試驗(yàn)，分別測(cè)試其體積指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

空隙率與油石比的關(guān)系曲線如圖2所示。

混合料在較低空隙率下具有良好的抗?jié)B水性能及疲勞性能，但空隙率過小時(shí)在高溫重載作用下易出現(xiàn)流動(dòng)變形而出現(xiàn)早期病害，本研究以空隙率為2％~4％進(jìn)行控制。由圖2可知，隨油石比的增加空隙率逐漸減小，在一定范圍內(nèi)，油石比與空隙率具有良好的線性相關(guān)性，則以空隙率為di一控制點(diǎn)的油石比范圍為5.45％~6.35％。

(2)析漏損失率

細(xì)粒式瀝青混合料典型特征是集料較細(xì)、礦粉用量大、油石比高，但當(dāng)油石比過高時(shí)瀝青混合料中自由瀝青含量偏多，現(xiàn)場(chǎng)攤鋪碾壓時(shí)存在泛油、軟彈的風(fēng)險(xiǎn)。因此，考慮施工和易性的影響，以析漏損失率“拐點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的油石比作為zui佳油石比控制上限。為得到不同油石比下析漏損失率拐點(diǎn)，參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行了8組油石比下混合料的析漏試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。析漏損失率與油石比關(guān)系曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3，AC-10瀝青混合料析漏損失率隨油石比的增加而增da，在油石比為6.6％時(shí)，析漏損失率增加速率出現(xiàn)突變，表明當(dāng)油石比超過6.6％時(shí)混合料中的自由瀝青含量迅速增加，將不利于施工質(zhì)量控制，易出現(xiàn)碾壓泛油或軟彈現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)影響混合料高溫抗變形能力。因此以此“拐點(diǎn)”的油石比作為di二控制點(diǎn)，則油石比上限為6.6％。

抗裂性能

為了進(jìn)一步了解油石比對(duì)抗裂性能影響規(guī)律，進(jìn)行了0℃條件下5.4％、5.8％、6.2％、6.6％等4種油石比的小梁彎曲試驗(yàn)。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)，成型不同油石比的車轍板并切割成小梁試件。每組油石比成型6根小梁試件。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，油石比與彎拉破壞應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。

根據(jù)圖4可知，油石比與彎拉破壞應(yīng)變呈現(xiàn)良好的二次曲線關(guān)系，隨著油石比的增加混合料的彎拉破壞應(yīng)變逐漸增da。這表明增加油石比可有效提高混合料應(yīng)力吸收層的抗反射裂縫能力。參考相關(guān)文獻(xiàn)[5]以不低于6000με對(duì)應(yīng)的油石比作為第三控制點(diǎn)，則油石比不低于5.6％。

抗變形能力

車轍動(dòng)穩(wěn)定度通常用來評(píng)價(jià)混合料的高溫抗變形能力，反映的是混合料在試驗(yàn)中的后15min碾壓過程的抗變形能力，忽略了早期變形對(duì)混合料性能影響，不能衡量混合料整體的變形情況。粗粒式瀝青混合料由于粗集料含量高，更容易形成骨架嵌擠作用，高溫yong久變形往往較小。但細(xì)粒式瀝青混合料則相反，高溫條件下易發(fā)生流動(dòng)變形，即使在車轍動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果較高時(shí)也可能出現(xiàn)較大的yong久變形。由于yong久變形與混合料的厚度直接相關(guān)，本研究提出以車轍試驗(yàn)的相對(duì)變形為指標(biāo)評(píng)價(jià)應(yīng)力吸收層的抗變形能力。定義相對(duì)變形指標(biāo)為碾壓結(jié)束時(shí)總變形量與1min時(shí)變形量的差值與車轍板試件厚度的比值。為預(yù)防應(yīng)力吸收層發(fā)生較大yong久變形而影響路面使用性能，相對(duì)變形以3.0％進(jìn)行控制，并將動(dòng)穩(wěn)定度作為參考指標(biāo)。為得到油石比對(duì)瀝青混合料抗變形能力影響規(guī)律，進(jìn)行60℃條件下5.4％、5.8％、6.2％、6.6％等4種油石比的瀝青混合料車轍試驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。油石比與相對(duì)變形及動(dòng)穩(wěn)定度各指標(biāo)關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5可知，在一定范圍內(nèi)，油石比與相對(duì)變形及動(dòng)穩(wěn)定度均具有良好的線性相關(guān)性，相對(duì)變形隨油石比增加而增da，動(dòng)穩(wěn)定度隨油石比增加而逐漸減小。這主要是因?yàn)殡S著油石比的增加瀝青膜厚度增da，混合料中自由瀝青含量增加，混合料顆粒間的潤滑作用增加，在荷載作用下顆粒間相對(duì)移動(dòng)的阻力減小，更易發(fā)生剪切流動(dòng)變形，使高溫抗變形能力降低。以3.0％的相對(duì)變形對(duì)應(yīng)的油石比作為第四控制點(diǎn)，則油石比上限為6.25％。

zui佳油石比確定

根據(jù)上述的試驗(yàn)研究，di一控制點(diǎn)確定的油石比范圍為5.45％~6.35％，di二控制點(diǎn)確定的油石比范圍為不大于6.6％，第三控制點(diǎn)確定的油石比為不低于5.6％，第四控制點(diǎn)確定的油石比范圍為不大于6.25％。綜合4個(gè)控制點(diǎn)確定的油石比范圍為5.6％~6.25％。均衡考慮使用性能，以范圍中值5.9％為zui佳油石比。結(jié)合表4及圖2~圖5，則zui佳油石比下AC-10瀝青混合料體積指標(biāo)及路用性能如表8所示。

水穩(wěn)定性驗(yàn)證

本研究采用室內(nèi)成型zui佳油石比下的車轍板試件進(jìn)行滲水試驗(yàn)，室內(nèi)驗(yàn)證結(jié)果為不滲水。同時(shí)采用浸水馬歇爾試驗(yàn)及凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證該油石比下的混合料水穩(wěn)定性，結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

結(jié)語

(1)瀝青混合料應(yīng)力吸收層可有效預(yù)防水泥混凝土路面加鋪結(jié)構(gòu)中早期開裂病害的發(fā)生，但若設(shè)計(jì)不合理也可能成為軟弱夾層而影響路面的使用性能，須予以重視。

(2)本文針對(duì)應(yīng)力吸收層的功能定位，提出細(xì)粒式AC-10瀝青混合料“4個(gè)控制點(diǎn)”的設(shè)計(jì)方法，確定的zui佳油石比為5.9％。該油石比下的瀝青混合料具有良好的路用性能。

(3)兼顧疲勞性能及抗?jié)B性能，建議空隙率控制范圍為2％~4％。提出以相對(duì)變形指標(biāo)來控制應(yīng)力吸收層的高溫抗變形能力，為預(yù)防應(yīng)力吸收層yong久變形過大而影響路面行車舒適性，建議相對(duì)變形指標(biāo)不大于3.0％。

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全文完 發(fā)布于《公路》2021年4月

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