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沥青路面层间剪切性能研究



摘要


为研究沥青路面层间剪切性能,基于SBS改性沥青、70-A沥青、改性乳化沥青3种层间粘结材料,通过旋转压实仪SGC成型试件(中面层AC-13,上面层SMA-10及AC-10),采用伺服液压沥青混合料动态试验系统UTM-100对试件进行直剪试验,研究了粘层油用量对层间抗剪强度的影响。在确定zui佳粘层油用量后,测试了温度和水对面层层间抗剪强度的影响,结果表明沥青路面层间抗剪强度随粘层材料撒布量的增加呈现先升高后降低的趋势,在抗剪强度峰值处的粘层材料用量即为zui佳粘结材料撒布量,在zui佳粘结材料撒布量下,面层抗剪强度为级配上面层SMA-10+中间层AC-13>上面层AC-10+中面层AC-13,路面层间抗剪强度在温度升高和浸水条件下均降低。



关键词:沥青路面 | 层间剪切强度 | 层间粘结


随着我国交通行业的快速发展,沥青路面被广泛应用于我国高等级公路,但是按照弹性层状理论[1-2]体系设计的路面存在着层间抗剪强度不足和防水问题。目前我国沥青路面的施工规范对沥青路面层间施工规定较少,对于实际工程,路面层间粘层材料以及用量的选定没有系统的测试方法与评价标准,大多依靠经验。而良好的路面抗剪强度可以延长路面使用寿命,节约养护成本,因此对路面层间抗剪进行研究具有重要的意义。

由于没有统一的抗剪强度试验方法和评价指标,试验装置大多为自主设计,Mohammad[3]使用SuperpaveShearTester剪切仪研究了层间抗剪强度的影响因素,Sholar[4]发明了简单直接剪切试验设备,研究了水对面层层间抗剪强度的影响,长安大学刘细军等[5]开发了可以在MTS上测试的简单直剪仪器,刘丽等[6]在此基础上进行了剪切疲劳试验,但是该仪器没有考虑到横向的约束力作用,有待进一步改进,朱磊等[7-9]采用了直剪试验研究了层间抗剪强度的影响因素,本研究参考国内外抗剪强度试验方法[10-11],采用山东省交科院自主研发的剪切夹具进行直剪试验,不但能装备在MTS试验机上,同时能完成横向约束力的施加,以此确定层间抗剪力各因素的影响程度,对层间抗剪能力进行评价,从施工控制措施、路面结构设计和性能预测方面给出合理化建议。



材料与试验

原材料及混合料配合比设计

选取SBS改性沥青、70-A沥青、改性乳化沥青三种作为层间粘结材料,各项指标均满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》[12]的相关要求,具体测试指标见表1-3。沥青混合料试件模拟工程实际的中上面层,选用的级配为中面层AC-13,上面层为SMA-10AC-10两种,分别按照JTGE20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[13]的要求进行试件制备;其中胶结料均采用SBS改性沥青,面层SMA-10的集料采用玄武岩,面层AC-10AC-13的集料采用优的石灰岩。试验填料为石灰岩矿粉,纤维选用絮状木质素纤维,具体指标见表4-7







SMA-10AC-10AC-13混合料配合比设计按照JTG F40-2004,合成级配见表8~10。马歇尔设计方法确定沥青混合料zui佳沥青用量,SMA-106.2%,纤维用量为0.3%AC-10AC-13沥青混合料zui佳沥青用量分别为5.2%4.7%


试件制备

试件制备步骤为:

(1)制备AC-13试件。使用旋转压实仪(SGC)先成型Ф150mm圆柱体试件,成型过程中先进行试压,使试件高度控制在40mm,试件成型时温度控制在145°C,旋转压实100次待冷却后可脱模。

(2)涂抹粘结层材料,撒布预拌碎石,碎石撒布量为4kg/㎡。用橡胶垫模拟胶轮压路机垫于试件上方进行压实,使石料嵌入粘层中。

(3)先将涂抹粘结层材料的AC-13上面层试件放入试模中,再将拌合好的罩面层热沥青混合料倒入试模进行旋转压实,成型温度控制在165°C,加铺厚度控制在25mm左右,压实100次后脱模,完成复合式试件的制作。试件制备流程见图1


试验方案

本试验采用山东省交科院自主研发的剪切夹具进行直剪试验[14]。试验采用伺服液压沥青混合料动态试验系统UTM-100,仪器通过剪切套具下的支撑的偏移来实现剪切,操作简便,试验数据由软件自动采集和输出。试验系统如图2所示。采用UTM-100记录数据。试件抗剪强度P剪按式(1)计算



根据工程实际应用及参考相关文献[14-15],选取取SBS改性沥青、70-A沥青的沥青用量为0.9kg/㎡、1.2kg/㎡、1.5kg/㎡、1.8kg/;改性乳化沥青取0.6kg/㎡、0.8kg/㎡、1.0kg/㎡、1.2kg/㎡,在25°C,加载速率50mm/min条件下研究粘结材料与其用量对抗剪强度的影响。在确定zui佳粘层油用量后,测试不同温度温度和水对测试试件面层的层间抗剪强度的影响,每组试验制备两个平行试件,试验结果取均值。具体试验方案见表9~11





结果及讨论

粘层油种类及洒布量

(1)AC-10+AC-13层间剪切,抗剪强度与粘层材料撒布量关系曲线见图3




(2)SMA-10+AC-13层间剪切,抗剪强度与粘层材料撒布量关系曲线见图4




由不同种类的粘层油抗剪强度与粘层材料撒布量关系曲线可以看出:

1)不同类型的层间粘结材料其层间的抗剪强度先随粘层油撤布量浓度升高呈现增长趋势,到达峰值后,此后随撒布量增加层间抗剪强度逐渐降低。这是因为初期粘结层材料的撒布量较小,面层不能与粘层油完全接触。此后随撒布量增加接触面扩大,抗剪强度随之变大;当粘结层撒布量到达某一定值时,此时面层与粘层油接触完全,此时层间抗剪强度更大,峰值处对应粘层油洒布量即为zui佳粘层油用量。超过此值后,多余的粘层油在层间形成富油层,多余的粘层油降低了两个面层间的摩擦系数,使层间抗剪强度减小。

2)层间抗剪强度与粘层材料撒布量二次回归曲线相关系数均大于0.9,表明两者之间高度相关,由回归曲线公式可得AC-10+AC-13级配对应的SBS改性沥青、70-A沥青和改性乳化沥青zui佳粘层油用量分别是1.27kg/㎡,1.4kg/㎡、0.86kg/㎡。SMA-10+AC-13级配对应的SBS改性沥青、70-A沥青和改性乳化沥青zui佳粘层油用量分别是1.34kg/㎡、1.37kg/㎡、0.86kg/㎡。


级配对层间剪切强度的影响

粘层材料zui佳撒布量下级配与层间抗剪强度的关系曲线见图5




由图5可以看出,面层材料为SMA-10+AC-13的层间zui大抗剪强度均大于AC-10+AC-13。表明粘结层材料在zui佳沥青用量时,SMA-10+AC-13的层间抗剪能力大于AC-10+AC-13。这可能是因为SMA-10级配为骨架密实性结构,其表面构造深度大于AC-10级配,粘结材料更易嵌入构造,与AC-13面层层间结合更加充分,层间结合强度和摩擦力也更大。


温度对层间剪切强度的影响

6AC-10面层不同粘结层随温度变化抗剪强度曲线见图6SMA-10面层不同粘结层随温度变化抗剪强度曲线见图7




由图6、图7可以看出:

(1)在zui佳粘层材料撒布量条件下,随温度升高三种粘结层材料的抗剪强度均减小。这是因为沥青作为一种粘弹性材料,温度升高,沥青黏度下降,复数剪切模量变小,相位角大,抵抗流动变形的能力下降。

(2)当级配为AC-10+AC-20时,SBS改性沥青5°C时抗剪强度更大,25°C时较5°C抗剪强度减小了36.9%60°C时较5°C抗剪强度减小了56.1%;70-A沥青25°C5°C时抗剪强度减小了32.8%;60°C5°C时抗剪强度减小了55.4%,改性乳化沥青在25°C时较5°C抗剪强度减小了20.6%60°C5°C时抗剪强度减小了39%。当级配为SMA-13+AC-20时,SBS改性沥青25°C5°C时抗剪强度减小了28.8%;60°C5°C时抗剪强度减小了57.6%;70-A沥青25°C5°C时抗剪强度减小了32%;60°C5°C时抗剪强度减小了55.7%;改性乳化沥青25°C5°C时抗剪强度减小了23.6%60°C5°C时抗剪强度减小了45%

(3)层间粘结材料抗剪强度在温度升高初期下降较快,后期速率降低,两种级配中在温度小于40°C时抗剪强度为SBS改性沥青>70-A沥青>改性乳化沥青,在60°C3种粘结材料层间抗剪强度相差不大,其中SBS改性沥青在60°C下降幅度大,表明其温度敏感性高,受温度影响大,改性乳化沥青在60°C下降幅度小,表明其温度敏感性小,受温度影响小。


水对层间剪切强度的影响

AC-10对应个粘结层材料浸水后抗剪强度对比见图8SMA-10对应各粘结层材料浸水后抗剪强度对比见图9




由图8和图9分析可知:

(1)两种面层材料在浸水条件下面层层间抗剪强度均减小。这是因为水进入面层间与粘结材料结合,是粘结材料的粘结性能减弱。此外水进入层间充当介质减小了粘层材料与面层间的直接接触面积,且起到润滑作用,故而层间抗剪强度减小。

(2)对于两种级配的沥青混合料不论在浸水前还是浸水后,其面层的层间抗剪强度均为AC-10<SMA-10。粘结层材料的抗剪强度为SBS改性沥青>70-A沥青>改性乳化沥青。当面层材料为AC-10时,浸水后SBS改性沥青抗剪强度相较于浸水前降低了21.2%70-A沥青抗剪强度相较于浸水前降低了22.5%,改性乳化沥青抗剪强度相较于浸水前降低了23.8%。当面层材料为SMA-10时,浸水后SBS改性沥青抗剪强度相较于浸水前降低了19.1%70-A沥青抗剪强度相较于浸水前降低了18.6%改性乳化沥青抗剪强度相较于浸水前降低了22.4%。由此可知两种级配浸水后抗剪强度的下降幅度为AC-10大于SMA-10,表明级配SMA-10+AC-13层间抗剪性能水敏感性低,抗水损害的能力强。粘结层材料下降幅度为SBS改性沥青<70-A沥青<改性乳化沥青。其中改性乳化沥青下降多,表明此类粘层材料遇水粘结性能降低较多,不易抵抗水损害。



结论


(1)沥青路面层间剪切强度受沥青粘结材料类型以及撒布量影响,粘层材料撒布量呈现先增加后减小的趋势,且存在一个zui佳粘层油用量。

(2)温度为25℃时,在zui佳粘层油撒布量条件下,层间粘结性能为级配上面层SMA-10+中间层AC-13>上面层AC-10+中面层AC-13

(3)三种粘结层材料的抗剪强度随温度升高而降低。不同粘结材料受温度影响不同,其中SBS改性沥青温度敏感性大,改性乳化沥青受温度影响小。当温度小于40°C时,粘层材料的抗剪强度为SBS改性沥青>70-A沥青>改性乳化沥青。当温度为60°C时,3种粘层材料抗剪性能相差不大。

(4)面层材料在浸水之后层间的抗剪强度均减小,从下降的幅度分析可知,抗水损害能力为级配上面层SMA-10+中间层AC-13>上面层AC-10+中面层AC-133种粘层材料的抗水损害能力为SBS改性沥青>70-A沥青>改性乳化沥青。



全文完 发布于《石油沥青》2021年8月 如涉侵权,请联系删除!



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