成型方式对应力吸收层沥青混合料性能的影响

石学文, 李鹏飞,彭俊华,李 想,林振华,磨炼同

(1.湖北楚天智能交通股份有限公司,武汉 430000; 2.河南省豫南高速投资有限公司, 信阳 465550;3.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室,武汉 430070)

应力吸收层是铺筑在旧水泥混凝土与沥青面层之间的特殊功能层,主要用于防治反射裂缝和防止路面遭受水损害。应力吸收层沥青混合料由高掺量特种高粘高弹改性沥青、填料和细集料组成,且集料粒径大部分在5 mm以下,属于悬浮密实结构[1,2]。应力吸收层配合比设计时一般采用Superpave旋转压实成型,旋转压实次数通常采用50次,设计空隙率在0.5%～2.5%范围内[3,4]。当前旋转压实成型方法可很好地用于应力吸收层室内目标配合比设计,但其设备昂贵,普及率低,不利于工地现场质量控制,适用性差;而马歇尔击实成型方法普及率高,操作简单,现场可控性强,因此有必要研究应力吸收层旋转压实和马歇尔击实成型对体积和力学性能的影响关系,为基于马歇尔击实成型的应力吸收层沥青混合料设计和现场控制提供数据支撑。

前期研究结果表明,旋转压实与马歇尔击实对不同沥青混合料体积和力学性能均有影响[5-7]。当前针对应力吸收层沥青混合料的马歇尔击实成型研究较少,缺少旋转压实与马歇尔击实试验对比分析,因此结合大庆至广州高速公路(G45)河南境内新县段路面专项工程应力吸收层沥青混合料配合比设计与现场施工质量控制需要,开展旋转压实与马歇尔击实成型试件的体积与力学性能相关性分析,并提出基于马歇尔击实成型的沥青混合料质量控制指标体系以适应工地现场质量管控要求。

1 试 验

1.1 原材料

应力吸收层沥青混合料采用特种高粘高弹改性沥青,沥青密度为1.02 g/cm3,针入度为82 dmm,软化点为82.0 ℃,5 ℃延度52 cm;矿料分为5～8 mm、3～5 mm和0～3 mm机制砂三种规格,矿粉由石灰石研磨而成。经前期试验和现场试铺确定应力吸收层沥青混合料的最佳油石比在8.5%～9.0%范围内。应力吸收层沥青混合料所用矿料合成级配见表1。

表1 应力吸收层沥青混合料合成级配

1.2 方法

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0702—2011进行马歇尔试件成型。应力吸收层沥青混合料制备成型过程中,集料加热温度为190～195 ℃,特种高粘高弹改性沥青加热温度为180～185 ℃,拌和温度为185～190 ℃,试件成型温度为155～160 ℃,双面击实次数为50次。

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0736—2011进行旋转压实试件成型,试验温度均与上述马歇尔试件一样。旋转压实的竖直压力为600 kPa,压实角为1.25°,旋转速度为30 r/min,旋转压实次数为50次。

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0706—2011开展沥青混合料密度试验,采用水中重法检验上述两种成型方法制得的试件体积性能。

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0716—2011开展沥青混合料劈裂试验以检验旋转压实试件和马歇尔试件的劈裂抗拉强度,试验温度为25 ℃,加载速率为50 mm/min。其中马歇尔试件压条宽度为12.7 mm,而旋转压实试件压条宽度为19 mm。

参照《公路沥青路面设计规范》JTG D50—2017附录F沥青混合料单轴贯入试验方法分别进行旋转压实试件和马歇尔试件的单轴贯入试验,试验温度为60 ℃,加载速率为1 mm/min。其中马歇尔试件压头为直径28.5 mm×高50 mm,而旋转压实试件压头为直径42 mm×高50 mm。

2 结果与讨论

2.1 体积性能分析

为研究不同油石比旋转压实试件与马歇尔试件体积性能之间的关系,根据同一设计级配采用8.5%、9.0%和9.5%油石比成型马歇尔试件和旋转压实试件,通过水中重法测试体积性能,试验结果见表2。试验结果表明:旋转压实与马歇尔试件的体积参数存在较大差异,相同条件下旋转压实试件的空隙率和矿料间隙率均小于马歇尔试件,且沥青饱和度均大于马歇尔试件;以旋转压实试件的空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度作为基准,进行马歇尔试件体积参数换算,得到:1)当油石比为8.5%时,空隙率换算系数为0.714,矿料间隙率换算系数为0.978,沥青饱和度换算系数为1.022;2)当油石比为9.0%时,空隙率换算系数为0.641,矿料间隙率换算系数为0.984,沥青饱和度换算系数为1.016。3)当油石比为9.5%时,空隙率换算系数为0.408,矿料间隙率换算系数为0.989,沥青饱和度换算系数为1.014。

由以上分析可以看出油石比对各体积指标的换算系数影响大,但在最佳油石比8.5%～9.0%范围内,马歇尔与旋转压实试件的体积性能参数的换算系数相差不大,而当油石比为9.5%时的空隙率小于0.5%,不符合设计要求,故取8.5%和9.0%油石比计算得空隙率平均换算系数为0.678,矿料间隙率平均换算系数为0.981,沥青饱和度平均换算系数为1.019。

表2 不同试件的体积性能试验结果

2.2 劈裂抗拉强度分析

为研究不同油石比旋转压实试件与马歇尔试件劈裂抗拉强度之间的关系,根据同一设计级配采用8.5%、9.0%和9.5%油石比成型马歇尔试件和旋转压实试件,通过25 ℃沥青混合料劈裂试验测试劈裂抗拉强度,试验结果见表3。试验结果表明,在相同条件下旋转压实试件的劈裂抗拉强度均大于马歇尔试件。两种试件9.0%油石比时的劈裂抗拉强度最大,但三种油石比的强度变化不明显。以旋转压实试件的劈裂抗拉强度作为基准,对马歇尔试件劈裂抗拉强度进行换算,得到8.5%油石比时劈裂抗拉强度换算系数为1.370。同理可得9.0%和9.5%油石比对应的劈裂抗拉强度换算系数分别为1.362和1.311。上述分析表明不同油石比的马歇尔与旋转压实试件的劈裂抗拉强度换算系数相差不大,若以三种油石比计算得到平均劈裂抗拉强度换算系数为1.347。

表3 不同试件的间接拉伸试验结果

2.3 单轴贯入应力分析

为研究不同油石比旋转压实试件与马歇尔试件贯入应力之间的关系,根据同一设计级配采用8.5%、9.0%和9.5%油石比成型马歇尔试件和旋转压实试件,进行了60 ℃贯入试验,试验结果见表4。试验结果表明,相同条件下旋转压实试件的贯入应力均小于马歇尔试件且二者存在较大差异,其中9.0%油石比时两种试件的贯入应力最大。若以旋转压实试件的贯入应力作为基准,油石比为8.5%、9.0%和9.5%时对应的贯入应力换算系数分别为0.897、0.898和0.936。由此看出,不同油石比的马歇尔与旋转压实试件的贯入应力换算系数相差不大,三种油石比平均贯入应力换算系数为0.910。

表4 不同试件的单轴贯入试验结果

2.4 基于马歇尔击实方法的应力吸收层设计要求

大庆至广州高速公路(G45)河南境内新县段路面专项工程应力吸收层沥青混合料设计主要以旋转压实方法为主,其体积性能要求空隙率0.5%～2.5%,矿料间隙率不小于16%,同时对高温性能要求以贯入试验为主,贯入应力不低于1 MPa。经大量试验实测发现贯入应力均大于2 MPa,故建议后期应按不低于2 MPa进行高温性能设计。对于耐疲劳性能,项目要求在15 ℃和1 000个微应变下其弯曲梁疲劳寿命不低于10万次,实际上梁疲劳寿命设计明显偏低,经室内弯曲梁疲劳试验表明其疲劳寿命均可大于50万次,建议后期应按不低于50万次进行设计。此外,因试件空隙率对疲劳试验结果影响较大,建议弯曲梁疲劳试验应对试件空隙率作出要求,即试件空隙率与现场芯样实测空隙率相一致,二者压实度控制在同一水平,以保证室内疲劳试验结果能真实反映现场实际应力吸收层疲劳条件。项目设计要求中没有对沥青饱和度和间接抗拉强度提出要求,而这二个指标分别是重要的体积和力学指标,且实用性强,可用于更好地进行质量管控。结合大量试验实测结果,建议后期沥青饱和度应不低于90%,间接抗拉强度应不低于0.4 MPa。结合前面旋转压实试件与马歇尔试件体积性能和力学性能的换算关系,提出了基于马歇尔击实成型的应力吸收层性能设计要求,如表5所示。采用马歇尔击实成型时,建议空隙率设计可适当放宽到3.0%,但实际设计应按低值控制以保证沥青用量充足。实际沥青用量应结合现场施工和易性进行调整和优化,在表面不泛油或轻微泛油的前提下应适当提高沥青用量。

表5 旋转压实试件与马歇尔试件设计要求

3 结 论

a.应力吸收层配合比设计中可用马歇尔击实50次代替旋转压实50次成型试件,马歇尔试件体积性能设计要求为空隙率0.5%～3.0%,沥青饱和度不小于90%,矿料间隙率不小于16.5%。

b.旋转压实试件与马歇尔试件的劈裂抗拉强度具有很好相关性,二者平均换算系数为1.347,马歇尔试件的劈裂抗拉强度可按不小于0.4 MPa进行设计。

c.旋转压实试件与马歇尔试件的贯入应力相关性好,二者平均换算系数为0.910,马歇尔试件的贯入应力可按不小于2.0 MPa进行设计。

d.马歇尔试件体积性能和力学性能可达到旋转压实设计要求的同等水平,且马歇尔击实成型试验方法实用性强,采用马歇尔试验更有利于工地现场质量控制。