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      瀝青路面層間剪切性能研究



      摘要


      為研究瀝青路面層間剪切性能,基于SBS改性瀝青、70-A瀝青、改性乳化瀝青3種層間粘結材料,通過旋轉壓實儀SGC成型試件(中面層AC-13,上面層SMA-10及AC-10),采用伺服液壓瀝青混合料動態試驗系統UTM-100對試件進行直剪試驗,研究了粘層油用量對層間抗剪強度的影響。在確定zui佳粘層油用量后,測試了溫度和水對面層層間抗剪強度的影響,結果表明瀝青路面層間抗剪強度隨粘層材料撒布量的增加呈現先升高后降低的趨勢,在抗剪強度峰值處的粘層材料用量即為zui佳粘結材料撒布量,在zui佳粘結材料撒布量下,面層抗剪強度為級配上面層SMA-10+中間層AC-13>上面層AC-10+中面層AC-13,路面層間抗剪強度在溫度升高和浸水條件下均降低。



      關鍵詞:瀝青路面 | 層間剪切強度 | 層間粘結


      隨著我國交通行業的快速發展,瀝青路面被廣泛應用于我國高等級公路,但是按照彈性層狀理論[1-2]體系設計的路面存在著層間抗剪強度不足和防水問題。目前我國瀝青路面的施工規范對瀝青路面層間施工規定較少,對于實際工程,路面層間粘層材料以及用量的選定沒有系統的測試方法與評價標準,大多依靠經驗。而良好的路面抗剪強度可以延長路面使用壽命,節約養護成本,因此對路面層間抗剪進行研究具有重要的意義。

      由于沒有統一的抗剪強度試驗方法和評價指標,試驗裝置大多為自主設計,Mohammad[3]使用SuperpaveShearTester剪切儀研究了層間抗剪強度的影響因素,Sholar[4]發明了簡單直接剪切試驗設備,研究了水對面層層間抗剪強度的影響,長安大學劉細軍等[5]開發了可以在MTS上測試的簡單直剪儀器,劉麗等[6]在此基礎上進行了剪切疲勞試驗,但是該儀器沒有考慮到橫向的約束力作用,有待進一步改進,朱磊等[7-9]采用了直剪試驗研究了層間抗剪強度的影響因素,本研究參考國內外抗剪強度試驗方法[10-11],采用山東省交科院自主研發的剪切夾具進行直剪試驗,不但能裝備在MTS試驗機上,同時能完成橫向約束力的施加,以此確定層間抗剪力各因素的影響程度,對層間抗剪能力進行評價,從施工控制措施、路面結構設計和性能預測方面給出合理化建議。



      材料與試驗

      原材料及混合料配合比設計

      選取SBS改性瀝青、70-A瀝青、改性乳化瀝青三種作為層間粘結材料,各項指標均滿足JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》[12]的相關要求,具體測試指標見表1-3。瀝青混合料試件模擬工程實際的中上面層,選用的級配為中面層AC-13,上面層為SMA-10AC-10兩種,分別按照JTGE20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[13]的要求進行試件制備;其中膠結料均采用SBS改性瀝青,面層SMA-10的集料采用玄武巖,面層AC-10AC-13的集料采用優的石灰巖。試驗填料為石灰巖礦粉,纖維選用絮狀木質素纖維,具體指標見表4-7。







      SMA-10、AC-10AC-13混合料配合比設計按照JTG F40-2004,合成級配見表8~10。馬歇爾設計方法確定瀝青混合料zui佳瀝青用量,SMA-106.2%,纖維用量為0.3%,AC-10AC-13瀝青混合料zui佳瀝青用量分別為5.2%、4.7%。


      試件制備

      試件制備步驟為:

      (1)制備AC-13試件。使用旋轉壓實儀(SGC)先成型Ф150mm圓柱體試件,成型過程中先進行試壓,使試件高度控制在40mm,試件成型時溫度控制在145°C,旋轉壓實100次待冷卻后可脫模。

      (2)涂抹粘結層材料,撒布預拌碎石,碎石撒布量為4kg/㎡。用橡膠墊模擬膠輪壓路機墊于試件上方進行壓實,使石料嵌入粘層中。

      (3)先將涂抹粘結層材料的AC-13上面層試件放入試模中,再將拌合好的罩面層熱瀝青混合料倒入試模進行旋轉壓實,成型溫度控制在165°C,加鋪厚度控制在25mm左右,壓實100次后脫模,完成復合式試件的制作。試件制備流程見圖1。


      試驗方案

      本試驗采用山東省交科院自主研發的剪切夾具進行直剪試驗[14]。試驗采用伺服液壓瀝青混合料動態試驗系統UTM-100,儀器通過剪切套具下的支撐的偏移來實現剪切,操作簡便,試驗數據由軟件自動采集和輸出。試驗系統如圖2所示。采用UTM-100記錄數據。試件抗剪強度P剪按式(1)計算



      根據工程實際應用及參考相關文獻[14-15],選取取SBS改性瀝青、70-A瀝青的瀝青用量為0.9kg/㎡、1.2kg/㎡、1.5kg/㎡、1.8kg/;改性乳化瀝青取0.6kg/㎡、0.8kg/㎡、1.0kg/㎡、1.2kg/㎡,在25°C,加載速率50mm/min條件下研究粘結材料與其用量對抗剪強度的影響。在確定zui佳粘層油用量后,測試不同溫度溫度和水對測試試件面層的層間抗剪強度的影響,每組試驗制備兩個平行試件,試驗結果取均值。具體試驗方案見表9~11。





      結果及討論

      粘層油種類及灑布量

      (1)AC-10+AC-13層間剪切,抗剪強度與粘層材料撒布量關系曲線見圖3




      (2)SMA-10+AC-13層間剪切,抗剪強度與粘層材料撒布量關系曲線見圖4




      由不同種類的粘層油抗剪強度與粘層材料撒布量關系曲線可以看出:

      1)不同類型的層間粘結材料其層間的抗剪強度先隨粘層油撤布量濃度升高呈現增長趨勢,到達峰值后,此后隨撒布量增加層間抗剪強度逐漸降低。這是因為初期粘結層材料的撒布量較小,面層不能與粘層油完全接觸。此后隨撒布量增加接觸面擴大,抗剪強度隨之變大;當粘結層撒布量到達某一定值時,此時面層與粘層油接觸完全,此時層間抗剪強度更大,峰值處對應粘層油灑布量即為zui佳粘層油用量。超過此值后,多余的粘層油在層間形成富油層,多余的粘層油降低了兩個面層間的摩擦系數,使層間抗剪強度減小。

      2)層間抗剪強度與粘層材料撒布量二次回歸曲線相關系數均大于0.9,表明兩者之間高度相關,由回歸曲線公式可得AC-10+AC-13級配對應的SBS改性瀝青、70-A瀝青和改性乳化瀝青zui佳粘層油用量分別是1.27kg/㎡,1.4kg/㎡、0.86kg/㎡。SMA-10+AC-13級配對應的SBS改性瀝青、70-A瀝青和改性乳化瀝青zui佳粘層油用量分別是1.34kg/㎡、1.37kg/㎡、0.86kg/㎡。


      級配對層間剪切強度的影響

      粘層材料zui佳撒布量下級配與層間抗剪強度的關系曲線見圖5




      由圖5可以看出,面層材料為SMA-10+AC-13的層間zui大抗剪強度均大于AC-10+AC-13。表明粘結層材料在zui佳瀝青用量時,SMA-10+AC-13的層間抗剪能力大于AC-10+AC-13。這可能是因為SMA-10級配為骨架密實性結構,其表面構造深度大于AC-10級配,粘結材料更易嵌入構造,與AC-13面層層間結合更加充分,層間結合強度和摩擦力也更大。


      溫度對層間剪切強度的影響

      6AC-10面層不同粘結層隨溫度變化抗剪強度曲線見圖6,SMA-10面層不同粘結層隨溫度變化抗剪強度曲線見圖7




      由圖6、圖7可以看出:

      (1)在zui佳粘層材料撒布量條件下,隨溫度升高三種粘結層材料的抗剪強度均減小。這是因為瀝青作為一種粘彈性材料,溫度升高,瀝青黏度下降,復數剪切模量變小,相位角大,抵抗流動變形的能力下降。

      (2)當級配為AC-10+AC-20時,SBS改性瀝青5°C時抗剪強度更大,25°C時較5°C抗剪強度減小了36.9%,60°C時較5°C抗剪強度減小了56.1%;70-A瀝青25°C5°C時抗剪強度減小了32.8%;60°C5°C時抗剪強度減小了55.4%,改性乳化瀝青在25°C時較5°C抗剪強度減小了20.6%。60°C5°C時抗剪強度減小了39%。當級配為SMA-13+AC-20時,SBS改性瀝青25°C5°C時抗剪強度減小了28.8%;60°C5°C時抗剪強度減小了57.6%;70-A瀝青25°C5°C時抗剪強度減小了32%;60°C5°C時抗剪強度減小了55.7%;改性乳化瀝青25°C5°C時抗剪強度減小了23.6%。60°C5°C時抗剪強度減小了45%。

      (3)層間粘結材料抗剪強度在溫度升高初期下降較快,后期速率降低,兩種級配中在溫度小于40°C時抗剪強度為SBS改性瀝青>70-A瀝青>改性乳化瀝青,在60°C3種粘結材料層間抗剪強度相差不大,其中SBS改性瀝青在60°C下降幅度大,表明其溫度敏感性高,受溫度影響大,改性乳化瀝青在60°C下降幅度小,表明其溫度敏感性小,受溫度影響小。


      水對層間剪切強度的影響

      AC-10對應個粘結層材料浸水后抗剪強度對比見圖8,SMA-10對應各粘結層材料浸水后抗剪強度對比見圖9




      由圖8和圖9分析可知:

      (1)兩種面層材料在浸水條件下面層層間抗剪強度均減小。這是因為水進入面層間與粘結材料結合,是粘結材料的粘結性能減弱。此外水進入層間充當介質減小了粘層材料與面層間的直接接觸面積,且起到潤滑作用,故而層間抗剪強度減小。

      (2)對于兩種級配的瀝青混合料不論在浸水前還是浸水后,其面層的層間抗剪強度均為AC-10<SMA-10。粘結層材料的抗剪強度為SBS改性瀝青>70-A瀝青>改性乳化瀝青。當面層材料為AC-10時,浸水后SBS改性瀝青抗剪強度相較于浸水前降低了21.2%,70-A瀝青抗剪強度相較于浸水前降低了22.5%,改性乳化瀝青抗剪強度相較于浸水前降低了23.8%。當面層材料為SMA-10時,浸水后SBS改性瀝青抗剪強度相較于浸水前降低了19.1%,70-A瀝青抗剪強度相較于浸水前降低了18.6%改性乳化瀝青抗剪強度相較于浸水前降低了22.4%。由此可知兩種級配浸水后抗剪強度的下降幅度為AC-10大于SMA-10,表明級配SMA-10+AC-13層間抗剪性能水敏感性低,抗水損害的能力強。粘結層材料下降幅度為SBS改性瀝青<70-A瀝青<改性乳化瀝青。其中改性乳化瀝青下降多,表明此類粘層材料遇水粘結性能降低較多,不易抵抗水損害。



      結論


      (1)瀝青路面層間剪切強度受瀝青粘結材料類型以及撒布量影響,粘層材料撒布量呈現先增加后減小的趨勢,且存在一個zui佳粘層油用量。

      (2)溫度為25℃時,在zui佳粘層油撒布量條件下,層間粘結性能為級配上面層SMA-10+中間層AC-13>上面層AC-10+中面層AC-13。

      (3)三種粘結層材料的抗剪強度隨溫度升高而降低。不同粘結材料受溫度影響不同,其中SBS改性瀝青溫度敏感性大,改性乳化瀝青受溫度影響小。當溫度小于40°C時,粘層材料的抗剪強度為SBS改性瀝青>70-A瀝青>改性乳化瀝青。當溫度為60°C時,3種粘層材料抗剪性能相差不大。

      (4)面層材料在浸水之后層間的抗剪強度均減小,從下降的幅度分析可知,抗水損害能力為級配上面層SMA-10+中間層AC-13>上面層AC-10+中面層AC-13。3種粘層材料的抗水損害能力為SBS改性瀝青>70-A瀝青>改性乳化瀝青。



      全文完 發布于《石油瀝青》2021年8月 如涉侵權,請聯系刪除!



      瀝青混合料旋轉壓實儀

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