半柔性橡胶沥青路面（精选4篇）
半柔性橡胶沥青路面 篇1
半刚性基层一方面由于具有强度高、扩散应力强、造价低等诸多优点,在我国高速公路建设中得到了广泛应用,甚至目前还有相当一部分在建公路仍在采用半刚性基层;另一方面半刚性基层受温度和水分的影响,会产生收缩和干缩裂缝,在车辆荷载作用下,造成裂缝顶端应力集中、上面层开裂,水从这些裂缝进入时,就会产生坑槽、唧浆等病害,继而加速水损害破坏,形成一个恶性循环。橡胶沥青碎石封层可有效解决半刚性基层和水泥混凝土路面的反射裂缝问题,同时可以实现层间粘结、防水等作用。
1 橡胶沥青碎石下封层
在半刚性基层上喷撒一定量的热橡胶沥青,同步撒布一层单一粒径碎石,经碾压后碎石嵌入沥青膜,起到粘结、防水、防反射裂缝等作用。
2 橡胶沥青碎石下封层作用
2.1 防水作用
通过在基层表面撒布2 mm左右的橡胶沥青,可有效防止水分下渗对半刚性基层造成破坏。
2.2 抗反射裂缝
橡胶沥青可以产生很大应变而不被破坏,使得集中的应力重新分布,因而裂缝处相对位移产生的应力传到面层时大为减少,降低应力强度因子,从而达到延缓反射裂缝产生的目的。
2.3 扩散应力
撒布的单一粒径碎石能形成“顶天立地”的结构,从而使荷载顺利传递到半刚性基层上。
2.4 层间粘结
橡胶沥青能增强封层与基层的摩擦和粘结力,同时碎石能与上面的沥青混合料相互嵌入,从而使整个路面结构形成整体,防止出现层间推移。
3 橡胶沥青
3.1 橡胶沥青性能
橡胶沥青是重交沥青与废旧轮胎胶粉和外加剂合成的混合物,属于高分子复合型胶结材料。橡胶粉在与沥青接触时,两者之间会发生明显的物质交换。胶粉的用量对改性沥青性能的影响,根据研究表明:胶粉用量在20%以下时,沥青软化点与胶粉用量呈线性增加,此后增加速度减缓,延度随胶粉用量增加而下降;针入度在胶粉用量20%以内时,呈线性降低,随后基本稳定;弹性恢复在胶粉用量10%以内时,增加速度很快,继续增加胶粉量,则增加较少;特别是在胶粉用量达20%以上时,弹性恢复增加不明显。
为达到更好的防反射裂缝效果,试验选用SK70KGN号沥青、20目橡胶粉。橡胶沥青性能见表1。
从表1看出,随着橡胶粉掺量的增加,针入度、软化点、延度和粘度都在不断增大。其中针入度在18%掺量时达到了最大值,延度在20%时明显增大,弹性恢复变化不是很明显,175 ℃的粘度只有在18%掺量时才能符合规范要求,结合施工等多方面的因素,选用18%的橡胶粉掺量。
3.2 撒量
撒布的橡胶沥青厚度必须要达到2 mm以上,才能很好地起到防反射裂缝作用,美国加州的撒布标准为2.5 L/m2～3.0 L/m2,即2.3 kg/m2～2.8 kg/m2。经过试验结合施工因素,橡胶沥青的撒量为2.5 kg/m2±0.2 kg/m2。
4 碎石
4.1 性能
对所用的石灰石进行了检测(见表2)。
4.2 粒径
在碎石粒径选择上,美国通常采用9 mm和12.5 mm两种粒径,在国内的有关工程中,也有用2.36 mm～19 mm各种不同粒径的碎石。因此采用了2.36 mm～4.75 mm,5 mm～10 mm,9.5 mm～13.2 mm,13.2 mm～16 mm,16 mm～19 mm五种单一粒径碎石进行研究比较,沥青撒量为2.5 kg/m2。
试验中撒布的碎石几乎全部都能粘附在橡胶沥青上,碎石覆盖面能达到80%～90%(见图1,图2)。
对五种粒径碎石进行了比较(见表3),剪切时橡胶沥青界面处开始滑移,剪切强度随着碎石粒径的增大而减小,反映了橡胶沥青与基层的粘结性能;而拉拔时在碎石与混合料界面处发生断裂,粘结强度也随碎石粒径的增大而减小,反映了碎石与上层混合料的粘结性能。这是因为随着碎石粒径的增大,基层和上面层混合料间距增大,层间粘结力逐渐减小,同时也与加铺的上层混合料的级配有关,较细的混合料有利于填充碎石间的空隙,而较粗的则容易造成空隙。对于小粒径的碎石,在碾压时能被橡胶沥青包裹,增加了碎石和混合料的粘结;对于大粒径的碎石,橡胶沥青无法包裹,在碎石和混合料界面处形成贫油层,粘结能力变小(见图3)。
采用小粒径碎石粘结能力较大,但橡胶沥青的撒量比较大,不利于橡胶沥青材料的收缩,对于半刚性基层而言,也不利于层间荷载的传递,较大粒径碎石会造成层间较大空隙,当水下渗到碎石与橡胶沥青之间时,会逐渐使碎石周围沥青膜脱落,形成碎石自由空间。经综合考虑后,选用5 mm～10 mm碎石作橡胶沥青碎石下封层。
4.3 撒量
碎石的撒量应达到一定的覆盖率,太多会妨碍碎石的粘附,清扫时会大量脱落。在无法确定具体数量时,最简单的一种方法就是:在一定面积纸或板上撒布碎石,根据碎石之间的空隙、覆盖面积加以调整,然后计算出单位面积上的撒量。美国加州采用的9 mm 和12.5 mm碎石,撒布量约为15 kg/m2～22 kg/m2;试验采用的5 mm～10 mm碎石,撒布量为10 kg/m2,碎石的覆盖面达到80%～90%左右。撒布的碎石应用0.4%～0.6%的基质沥青进行预拌,预拌的碎石可以消除表面灰尘,沥青能透入碎石的表面纹理,“湿润”了碎石,提高了粘附性能。
5 防水性能
渗水试验采用英国产“AUTOCLAM”全自动渗水仪进行渗水试验。渗水圆直径为75 mm,试验过程15 min,在整个试验过程中仪器自动进行水压补偿控制,使水压稳定在5×104 Pa,并以每分钟为间隔自动记录渗水量Q,考虑试件从干燥状态到水饱和状态所需要的时间,以5 min后的渗水量计算试件的渗水系数。
其计算公式为:
K=QL/ATH。
其中,K为渗透系数;H为水头高度(水压力);L为试件厚度;Q为渗流水量;A为水通过的断面积;T为水流历时时间。
经过多次试验,测得渗水系数为4.4×10-8cm/s。日本与美国有关研究资料表明,当渗水系数在1×10-6 cm/s～1×10-7 cm/s之间时,实际上可以确定为不渗水,我国大坝防水沥青混合料渗水系数要求的指标为小于1×10-5 cm/s。因此,橡胶沥青可以起到完全防水的效果。
6 结语
经很多工程实践证明,橡胶沥青碎石封层对于延缓半刚性基层沥青路面反射裂缝有很好的作用,可明显延长路面使用寿命。
在试验中,由于设备有限,未能对橡胶沥青应力吸收夹层的疲劳性能进行研究,希望在以后的研究中能够进一步研究。
参考文献
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半柔性橡胶沥青路面 篇2
半刚性基层具有良好的强度、刚度与稳定性, 且造价较低, 因此, 半个世纪以来在我国得到广泛的应用。随着交通需求, 大量的工程应用与研究发现半刚性基层也存在着一些不足。正是半刚性基层密实而刚度大, 所引发出的横向收缩裂缝、反射裂缝、路面内滞水与基层表面冲刷、唧泥的路面病害。
针对上述不足特别是抗裂性, 国内进行研究较多。但是密实作为半刚性基层固有的特性, 不利于防止当水渗入时沥青面层的水损害, 而柔性基层则反之。通过室内试验、理论分析以及现场试验路的修建与观测, 针对现有高等级公路半刚性基层沥青路面存在反射裂缝与唧泥、水损害等的不足, 在振动压实工艺与紧排骨架--密实组成结构相结合的柔性基层基础上, 实现柔性基层与半刚性基层优化结构组合是一个有效的技术途径。
2 我国目前半刚性基层的应用分析
为适应我国高等级公路建设的需要, 我国通过“七五”~“八五”期间大量的研究, 在半刚性基层沥青路面研究的应用方面取得了举世瞩目的成就。半刚性基层较高的强度、承载力和使用性能, 为实现“强基薄面”的结构提供了可靠保证, 为公路建设与经济发展起到了很大作用。半刚性基层由稳定细粒土发展为稳定集料, 无疑是筑路技术的一大进步, 其优点主要表现在以下方面:
具有较高的抗压强度和抗弯拉强度, 而且具有随龄期增加强度不断增长的特性, 具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力, 适应重交通发展的要求。采用半刚性材料, 特别是厚层的半刚性材料, 可使路面具有很高的承载力。
具有较大的刚度, 使得沥青面层弯拉应力值较小, 减少了沥青面层厚度, 降低了路面造价, 具有较好的经济性。
具有一定的水稳性和冰冻稳定性。由于半刚性基层具有以上特点, 通过对国内已建高等级公路的使用调查发现, 半刚性沥青路面的裂缝, 无论是非冰冻地区的南方, 还是季节性冰冻地区的北方, 在通车1-2年后均出现不同程度的裂缝, 且随着时间的增长, 这种裂缝还将增加和扩大。裂缝产生的原因不能说只是沥青面层温缩的结果, 半刚性基层的反射裂缝也不容忽视。大量裂缝的存在必然会降低路面的使用性能, 例如, 使裂缝处弯沉增大从而加速面层弯曲破坏, 同时因裂缝使半刚性基层弹性模量降低, 进而影响了路面结构的整体强度。
由于沥青路面面层有许多裂缝和一定的孔隙率, 特别是裂缝下渗的雨水和雪水滞留在沥青混合料结构层内, 当雨水渗入路面内, 雪水、雨水可能沿面层裂缝下渗软化基层, 降低承载力, 同时半刚性基层路面排水差, 密实性结构的半刚性基层, 使通过路面裂缝下渗的水份滞留在基层顶面, 无法排出, 受水浸蚀及动水压力作用, 将降低沥青与石料的粘附性和沥青混合料的耐久性, 使路面产生剥落、松散、坑槽、泛油、车辙等病害, 影响路面的强度;同时如水分进入基层表面, 使基层材料过份潮湿, 在行车荷载作用下, 路面结构层内或基层材料中的水分会产生相当大的动水压力, 冲刷基层材料中的细料, 在行车荷载反复作用下, 细料浆被逐渐挤出裂缝, 形成沥青路面的唧浆现象, 导致路面进一步损坏, 特别是季节性冰冻区在冻胀和冻融的反复作用下, 对面层和基层产生破坏的作用, 最终导致基层丧失支撑及与面层的联结, 从而使沥青面层出现网裂等破坏, 使路面损坏加剧, 使用寿命缩短。
3 沥青路柔性基层 (级配碎石) 设计参数
3.1 目前国内外路面设计参数概况
粒状材料在交通荷载作用下表现出非线性和依赖于时间的弹塑性特性, 为了表述这种非线性特征, 通常用回弹模量表达。传统的柔性基层通常是设置于土基或其它柔性基层上, 其弹性模量一般较低, 美国沥青协会 (AI) 设计法中规定粒料基层棤一般采用100~350Mpa, 并控制基层模量与路基模量之比在2~4之间。
前苏联《柔性路面设计须知》中推荐嵌挤型碎石弹性模量, 1~3级配碎石350~450Mpa, 1~4级普通碎石为200~250Mpa, 级配碎石为150~250Mpa。
我国《公路沥青路面设计规范》 (JTJ014-97) 中提出:级配碎石可作任何等级公路的基层, 并给出抗压模量, 抗压模量一般在200~350Mpa范围内, 当交通量较大时, 级配碎石不宜作基层, 或不能作为承重层, 否则需加大沥青的厚度。
为了解级配碎石的强度变化规律, 本文对级配碎石的回弹模量设计参数作了重点研究。
3.2 级配碎石回弹模量的测定
本课题分别在辽源试验路、通化试验路对级配碎石基层进行了承载板试验, 试验结果分别见表1、表2, 共完成25个点的承载板测定。
辽源试验路测定的数据在570MPa-690Mpa;由通化试验路测定的结果看, 级配碎石的弹性模量在290Mpa-1710Mpa, 平均值在600MPa-950Mpa, 但变异系数较大, 主要是在施工程中, 受降雨的影响;级配碎石材料具有较显著的非线性, 这种非线性使其在刚性较大的下卧层上, 表现出较大的回弹模量, 通过室内试验和试验路测定, 级配碎石的弹性模量可通过级配的调整、施工工艺等方法, 在一定组合 (其下有较好的半刚性基层) , 其弹性模量可达到400Mpa-500Mpa。从而亦具有足够的抵抗应力及变形能力, 最终使得级配碎石头作为上基层不仅具有减缓半刚性沥青路面反射裂缝的作用, 同时也具有足够的抗疲劳能力。
3.3 级配碎石弹性模量建议值
规范JTJ014-97表D2提出符合级配要求的级配碎石上基层, 抗压模量取值300~350Mpa。本文建议保留这一取值的基础上增加一个档次400~500Mpa, 以供设计选择。选用400~500Mpa的条件如下:
空隙率为20±3%条件下级配符合紧排骨架--密实原则的同时, 现场有包括装备与施工技术两方面在内的较高的压实工艺水平, 达到振动压实标准的0.98。
级配碎石为上基层, 应有强度较高的以稳定粒料为主的半刚性底基层。
4 柔性基层与半刚性基层的优化组合
由于柔性基层具有较大的变形, 其自身的破坏主要在反复荷载作用下, 当累计残余变形达到一定值, 路面会产生沉陷或车辙, 这种残余变形是路基和其结构层发生塑性变形的综合反映, 它不仅同荷载大小、作用次数、应力水平、应力历史、密实度、级配的性质等方面有关。故传统的级配碎石由于主要应用在底基层, 而受各种影响因素, 其强度较低, 路面破坏往往表现在变形量过大而影响整体强度。
如将柔性基层设置在刚度较大的半刚性基层之上, 由于半刚性基层的变形较小, 对柔性基层的变形起到了约束作用, 同时通过级配的调整、施工工艺的提高等, 使其强度参数得以较大的增加, 则路面结构的应力分布、受力等与传统的柔性基层结构受力状态有所不同, 故可通过柔性基层与半刚性基层的优化组合, 提高路面的使用性能, 减少路面的早期病害。
5 结束语
柔性基层与半刚性基层优化组合的路面结构仍然体现了强基、薄面的设计思想。首先, 振动压路机的普遍使用与控制技术的发展, 为提高级配碎石工程质量创造了条件;其次, 由于沥青材料的供应与施工设备已发生了重大的变化, 更由于高速、重载交通对路面结构化使用性能与功能性使用性能的全面要求, 用沥青修筑基层的技术-经济条件已经具备, 因此在富于半刚性基层沥青路面结构建设与使用经验基础上, 发展两种基层结构优化组合是技术进步的必然, 并有必要加快完善和系统配套。
摘要：半刚性基层具有许多优点的同时, 存在排水不良、反射裂缝等不足;而柔性基层则反之。通过改革柔性基层传统的材料与工艺, 实现柔性与半刚性基层的优化组合。从重交通对沥青路面使用性能相互矛盾的要求, 通过提高柔性基层质量, 提高柔性基层的模量, 以减少沥青路面的疲劳裂缝, 实现柔性基层与半刚性基层的优化组合。
关键词：柔性基层,半刚性基层,级配碎石
参考文献
[1]沙庆林, 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防, 人民交通出版社, 2001.
[2]李建东, 等.半刚性基层减裂措施的探讨.天津公路, 2001.
半柔性橡胶沥青路面 篇3
关键词：半刚性基层,柔性基层,重载交通,弹性层状体系理论
基层是路面结构中的主要承重层, 主要承受由面层传来的车辆荷载的垂向力, 并扩散到下面的土基中, 主要起到扩散路面荷载、减小路面变形、防止和减缓路面病害的出现等作用, 可以有效延长路面的使用寿命。基层应具有足够的强度、刚度和水稳定性, 并具有良好的扩散应力的功能。
目前, 我国高速公路普遍采用的是半刚性基层沥青路面的结构形式。但是由于半刚性基层自身不可克服的缺点:温缩、干缩变形大, 易开裂, 并最终形成反射裂缝, 在行车荷载、水、温度梯度的综合作用下, 使得路面结构产生唧浆、松散、车辙等病害, 最终导致路面结构的破坏[1,2,3]。特别是在最近几年, 交通量大量增加, 超载、重载严重, 更加暴露了半刚性基层路面的这种缺点, 使得路面使用质量和寿命达不到应有的水平。而柔性基层如级配碎石、沥青稳定碎石等, 属于粘弹性材料, 韧性好, 有一定自愈能力, 但是变形和弯沉较大, 因此, 路面厚度也大, 投资成本较高[4]。
本文针对当前我国车辆重载化现象愈益严重、路面过早损坏的实际情况, 对半刚性基层沥青路面和柔性基层沥青路面各自在重载条件下的适应性进行了相关的计算和分析。
1 路面结构及计算方案
1.1 路面结构
本文所考虑的半刚性基层沥青路面和柔性基层沥青路面的具体结构及参数[5]如表1和表2所示, 结构层总厚度均为55 cm。
1.2 计算方案
基于弹性层状体系理论, 对路面结构采用APBI程序进行计算和分析, 计算图式采用双圆均布荷载, 双圆均布荷载中心点的坐标分别为 (0, 0, 0) 和 (3δ, 0, 0) (δ为荷载半径) 。根据交通部公路科学研究所《重载沥青路面设计规范研究报告》[6], 荷载接地压力分别为0.707 MPa、0.84 MPa、1.0 MPa, 与之相对应的3种作用半径分别为106.5 mm、125.0 mm、154.7 mm, 分别代表标准轴载、超载50%、超载100%时的情形。
不考虑水平荷载, 路面应力计算时采用网格法, 计算在不同深度时r/δ分别等于0、0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5、2.75、3.0、3.25、3.5、3.75、4.0、4.25处各点的应力。
2 计算结果分析
2.1 路表弯沉分析
弯沉是表征路面总体刚度的指标, 在荷载相同、土基支承相同的条件下, 弯沉越小, 则总体刚度越大, 抗变形能力越大[7,8]。图1为半刚性路面与柔性路面路表弯沉随荷载增长的变化情况。
由图1可以看出, 随着轴载的增长, 半刚性路面与柔性路面的弯沉变形也会逐渐变大, 这说明路表弯沉对车辆轴载变化较为敏感。在标准轴载作用下两者的弯沉差值是5.4 (0.01 mm) , 而在超限100%时两者的差值是31.9 (0.01 mm) , 柔性路面的弯沉增长率大于半刚性路面, 说明柔性路面的路表弯沉对车辆轴载变化更为敏感。
2.2 路表最大拉应力分析
图2为两种路面结构路表最大拉应力 (此时半刚性路面r/δ=1.25;柔性路面r/δ=1.5) , 可以看出:随着荷载的增加, 路表最大拉应力呈减小的趋势;半刚性路面的路表最大拉应力比柔性路面的大, 因此, 半刚性路面较容易产生表面裂缝。
2.3 面层受力分析
图3为两种路面结构在荷载超限作用下面层内部关键响应部位 (此时半刚性路面r/δ=0;柔性路面r/δ=0) 的力学特征及其分布规律。从图中可知, 柔性路面沥青面层底面的水平应力均为正值, 可见柔性沥青底面层在车辆荷载作用下处于受弯拉状态。当车辆超限严重时, 很容易造成沥青面层的一次性拉裂破坏。而半刚性路面沥青面层底面的水平应力均为负值, 说明在车辆超载100%时, 半刚性沥青路面的沥青面层也不会产生拉裂破坏。
从图3中可以看出, 柔性路面的沥青面层层底水平应力随轴载的增加而缓慢增加, 而半刚性路面的沥青面层随轴载的增加而显著增加, 即半刚性基层路面的沥青面层水平应力的变化对轴载的变化比较敏感, 但对路面结构性能的影响不大。
2.4 基层及底基层受力分析
图4、图5分别为两种路面结构的基层、底基层层底最大拉应力 (此时半刚性路面r/δ=1.5;柔性路面r/δ=1.5) 随轴载增长的变化规律。随着轮重的增加, 半刚性路面与柔性路面各结构层层底的最大拉应力的变化趋势存在差异。从两图可知, 半刚性路面基层及底基层底面的最大拉应力随轴载的增加而逐渐增大, 可见严重超限运输车辆会使半刚性路面基层及底基层的抗拉强度不足, 提前在层底产生拉裂, 并反射到面层, 形成面层的反射裂缝早期破坏。而柔性路面基层及底基层的板体性较差、强度低, 故其水平应力随轴载增加的变化较小。因此, 半刚性路面基层及底基层的水平应力的变化对车辆轴载变化比较敏感。
结构的疲劳寿命由结构的拉应力决定。半刚性路面基层及底基层层底的拉应力随着轮重的增加而增加, 必将导致其疲劳寿命明显缩短, 这样在超限车辆数量较多、频繁作用时, 极易引起路面的疲劳破坏。而柔性路面基层及底基层虽然不会出现疲劳拉裂破坏, 但其面层极易出现疲劳破坏。
3 结论
本次研究对重载车辆荷载作用下的半刚性基层沥青路面和柔性基层沥青路面进行力学响应对比分析, 研究路表弯沉、路面结构各层次的力学特性, 并得出以下结论:
1) 对按同样交通组成设计的路面结构, 遇到同样的超载情况, 半刚性路面与柔性路面的适应性因路面结构各层的力学响应不同而不同。也就是说, 在相同的交通荷载的作用下, 半刚性基层和柔性基层沥青路面的工作状态有所不同, 由此导致二者呈现不同的破坏状态。
2) 柔性路面与半刚性路面的破坏机理存在明显差异。柔性路面的破坏主要是沥青面层的疲劳拉裂破坏和路面整体的功能性车辙沉陷;半刚性路面的破坏主要是因基层及底基层的拉裂破坏而促使面层形成反射裂缝破坏。
3) 对柔性基层与半刚性基层进行优化组合, 可以使这两种路面结构实现扬长避短、充分发挥各自的优势, 提高路面的使用性能, 减少路面的早期病害。
参考文献
[1]沙庆林.高速公路沥青混凝土路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社, 2001.
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半柔性橡胶沥青路面 篇4
半柔性路面是指在使用开级配的沥青混合料大孔隙基体路面中,填充灌入满足一定性能的水泥基砂浆而后形成的一种新型复合式路面材料。这种路面材料具备沥青路面与水泥混凝土路面的双重优势,其高温性能和低温性能都优于普通沥青混合料,而且具有抗滑、抗疲劳和景观装饰等功能,是一种性能优异的路面材料。
半柔性路面是骨架密实结构,为保证水泥基砂浆的充分灌入,其基体材料采用骨架空隙结构,较大的空隙率和足够的连通空隙能够保证水泥胶浆灌入和填充,而这也是影响半柔性路面材料性能的重要因素。
早在20世纪法国、日本等国家对半柔性路面进行了较为深入的研究并申请了相关的专利,且在半柔性路面材料方面发表了多篇论文和报告,并制定了设计标准对半柔性路面材料进行应用推广。我国对半柔性路面材料的研究起步较晚,目前研究主要基体混合料配合比设计和灌浆材料方面。如俞增煌采用正交试验分析方法,研究基体沥青混合料的配比,并从微观角度分析了半柔性路面材料的强度机理。郝培文等研究在普通水泥胶浆中掺入聚合物树脂,可明显改善半柔性路面混合料的低温抗裂性和水稳定性。
文章拟结合分级掺配法和CAVF主骨料空隙填充法提出一种新的半柔性路面基体混合料的配合比设计方法,以期对半柔性路面材料的研究提供参考。
1 原材料介绍
集料采用广东省惠州市生产的凝灰岩石料,对石料进行室内试验检测后,其性质检测结果均满足规范要求。基质沥青采用中海泰州70号基质沥青,沥青的各项技术指标、测试指标满足规范要求。矿粉采用普通石灰岩矿粉,采用广州市区的自来水。
2 基体混合料的级配设计
半柔性路面基体沥青混合料属于骨架—空隙结构,为保证水泥砂浆的顺利灌入,形成的骨架空隙率至少需不小于20%,目前国内多采用集料体积法来设计半柔性路面基体沥青混合料,主要是通过多年的试验积累的经验。本文在半柔性路面基体混合料级配设计中,首先采用分级掺配法得到粗细集料的掺配比例,再采用CAVF主骨料空隙填充法确定混合料中粗细集料的比例,最后得到满足要求的基体沥青混合料级配。
2.1 分级掺配法和主骨料空隙法
1)分级掺配法。
分级掺配法是以使混合料达到最大密实度为设计目标,通过对各档集料的掺配,得出集料孔隙率最小时各档集料的最佳比例,以此确定集料的级配。实际使用中,研究人员发现由于集料粒径的差异,直接掺配法得出的沥青混合料的孔隙率不能满足沥青路面的路用性能要求。通过研究,潘艳珠、王端宜等将分级掺配法进行改进,把粗细集料分别进行掺配,粗集料形成骨架,细集料填充空隙,这种方法称为改进型掺配法。根据贝雷法级配设计方法的划分标准,将集料的最大公称粒径的0.22倍对应的尺寸作为粗细集料的划分点。而卢亮通过对多种掺配方式进行对比,最终推荐采用干捣实法测量集料的空隙率。本试验拟采用改进型掺配法分别对粗细集料进行掺配,并采用干捣实法测量集料的空隙率。
2)主骨料空隙法。
主骨料空隙填充法[7]是一种间断级配的设计方法,通过去掉某一档细集料,尽量降低细集料对主骨架粗集料的干涉,使粗集料相互之间充分发挥嵌挤能力。其设计方法是首先通过干捣法实测粗集料骨架空隙率,再通过方程式计算得到沥青混合料各组分质量分数。粗集料、细集料、矿粉以及沥青用量的质量百分率qc,qf,qp,qa与粗集料空隙率及沥青混合料设计空隙率VCADRC,Vvs之间具有如下的组成关系:
其中,ρtf和ρtp分别为细集料和矿粉的表观相对密度,g/cm3;ρa为沥青的密度,g/cm3。材料的密度和粗集料孔隙率VCADRC可以通过试验测定得到,5个变量中,一般会将qc,qf当作未知的变量进行设计,其他变量会预先确定。
2.2 粗集料与细集料的级配设计
试验采用的集料最大公称粒径为19 mm,根据贝雷法的划分标准,计算得到4.75 mm为基体沥青混合料粗细集料最近分界点,所以去掉位于5 mm~10 mm档的集料,并将剩余各档集料分别进行掺配,使基体混合料达到最密实的状态。
本文以粗集料的分级掺配为例介绍集料掺配方法,试验中对大于9.5 mm的集料分级进行掺配,并测定其不同比例下的干捣实密度和矿料间隙率,将矿料间隙率与粗集料比例进行高斯峰值Gauss peak拟合,孔隙率最小的点就是集料排列最紧密时的比例,拟合结果如图1,图2所示。
从图1可以看出1级掺配最紧密时的比例为56.86∶43.14,此时矿料间隙率为42.37%,模型相关系数0.993。从图2中可以看出2级掺配比例为55.40∶44.60时,集料最为紧密,此时矿料间隙率为41.45%,拟合模型的相关系数为0.988。
根据粗集料的掺配结果,得到粗集料掺配比例如图3所示,此时,粗集料的空隙率为42.45%,试验测得的合成干捣实密度为1.524 g/cm3。同理可以得到细集料经过5级掺配后的结果,如图4所示,此时细集料的空隙率为31.20%,合成干捣实密度为2.60 g/cm3。
2.3 粗集料和细集料的比例确定
以设计空隙率24%为例,采用主骨料空隙填充法确定粗细集料的比例。首先经验确定矿粉用量为3%,当沥青用量为3%时,代入CAVF法计算公式(式(1),式(2)),联立计算出粗集料用量(qc)82.63%,细集料用量(qf)14.37%,粗集料和细集料的级配和比例都确定后,得到的基体沥青混合料级配曲线如图5所示。
2.4 基体混合料最佳油石比确定
因半柔性路面材料的基体沥青混合料的结构关系,即在形成主骨架的同时必须提供足够大的空隙,这一点与普通沥青混合料不同却与开级配沥青磨耗层OGFC相类似。因此,文章设计采用谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验来确定最佳沥青用量。
本试验仍以设计空隙率24%为例,采用5种不同的油石比,制备基体沥青混合料,成型马歇尔试件,试验结果如图6,图7所示。
图6为飞散损失与油石比的曲线图,在曲线拐点处做前后两条曲线的切线得到最小油石比3.75%,此为飞散试验确定的最小沥青用量。
图7为析漏量与油石比曲线图,做曲线拐点的两条曲线切线得到最大油石比量为3.95%。取两者的平均值,得到目标空隙率的最佳油石比为3.9%。
同理,按照以上试验方法,试验得到24%,28%,32%三种空隙率下的最大油石比和相应的级配,见图8。
2.5 混合料试验
基体沥青混合料级配设计完成后,根据级配制作出混合料马歇尔试件,试验测定其实测空隙率、稳定度、流值等相关试验指标,结果见表1。
由表1可知,根据设计级配制作的基体沥青混合料马歇尔试件,其实测空隙率与设计空隙率相差较小,且稳定度、流值等指标符合规范要求,说明采用分级掺配法和主骨料空隙填充法这两种相结合的方法是可行的。
3 结语
我国对半柔性路面的研究尚处于起步阶段,随着我国公路建设的不断完善,开展有关半柔性路面技术研究,规范其设计方法和施工工艺,建立质量标准等是推广这种新材料的关键问题。文章结合改进型分级掺配法和CAVF法,设计了3种不同空隙率的半柔性路面大空隙基体沥青混合料,其实测空隙率与设计空隙率非常接近,且试验检测出的指标亦达到设计要求,说明这种两者方案结合的方法是可行的。
参考文献
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[4]胡玲玲,刘祖国,张大可,等.半柔性复合路面基体沥青混合料设计方法[J].重庆交通学院学报,2006(5):49-53.
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[6]卢亮.功能型沥青混合料及其设计方法研究[D].广州:华南理工大学博士论文,2009.