[分享]沥青混合料基灌注式半刚性路面温度稳定性试验研究

发表于2018-09-11    1141人浏览    1人跟帖    总热度:286  

沥青混合料基灌注式半刚性路面温度稳定性试验研究_1

摘要:在空隙率为28%,油石比分别为1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3.0%的基体沥青混合料中灌入复合水泥砂浆,形成沥青混合料基灌注式半刚性路面结构,对其进行车辙、热胀系数、高温耐久性和低温劈裂等温度稳定性试验研究。结果表明,沥青混合料基体油石比大小影响沥青混合料基灌注式半刚性路面的高、低温稳定性能,当油石比为2.5%~2.6%时,沥青混合料基灌注式半刚性路面的高、低温稳定性最佳,该结果可为沥青混合料基灌注式半刚性路面在工程上的应用提供依据。
 
关键词:道路工程;沥青混合料基;灌注式半刚性;温度稳定性能
 
道路路面直接露裸在大气中,它不仅直接承受车辆荷载作用,而且还直接承受昼夜和季节温差变化产生的温度应力作用,这就要求道路路面结构具有足够的承载力和温度稳定性。目前广泛使用的水泥混凝土路面和沥青混合料路面在温度稳定性方面都存在着一定的缺陷。半刚性路面是一种兼具水泥混凝土路面刚性和沥青混凝土路面柔性的新型路面结构,它是在大空隙率基体沥青混合料中灌注复合水泥砂浆而形成的路面结构。半刚性路面由沥青混合料基和水泥胶凝材料组成,能够克服水泥混凝土路面和沥青混凝土路面在温度稳定性方面的缺陷。试验通过对沥青混合料基灌注式半刚性路面结构试件车辙、热胀系数、高温耐久性和低温劈裂等性能进行测试,研究沥青混合料基灌注式半刚性路面的温度稳定性。
 
试验
 
原材料
 
(1)沥青:采用中国石化公司生产的SBS(I-D)改性沥青,其各项技术指标符合JTJ052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求。
 
(2)集料:粗集料选用广西某石场生产的粒径5~10mm、10~15mm辉绿岩;细集料选用石灰岩机制砂;矿粉选用广西某公司生产的高性能沥青混合料锰渣矿粉,表观密度为2870kg/m3,含水量0.15%,亲水系数0.75。
 
(3)灌注复合水泥砂浆:按配合比配制。灌注复合水泥砂浆的原料主要有:广西某水泥厂生产的P·O42.5水泥;广西某研究院生产的粒径为20目废旧轮胎橡胶粉,其纤维含量不小于3%[8];南宁市五塘镇生产的河砂,细度模数为1.4;广西某公司生产的萘系UNF-5H高效减水剂,减水率大于15%;广西某公司生产的硫铝酸钙型高性能水泥砂浆膨胀剂,各项技术指标均符合GB23439—2009《混凝土膨胀剂》要求;广西某公司生产的PC羟丙基淀粉醚系工业增稠剂。灌注复合水泥砂浆的各项性能均符合文献[9-11]沥青混合料基灌注式路面灌注砂浆指标要求。
 
基体沥青混合料矿料级配
 
按照OGFC沥青混合料集料设计方法[12],根据经验设计主骨架,然后实测基体沥青混合料空隙率,并根据主骨架空隙率和目标空隙率确定细集料用量,从而达到预期的沥青混合料空隙率要求。经过大量试验,最终确定空隙率为28%基体沥青混合料材料组成和矿料合成级配。
 
基体沥青混合料
 
试验按预估沥青占混合料的适宜油石比和肯塔堡飞散试验测得最小油石比为基础,油石比分别为1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3.0%与矿料拌合,采用双面击实50次成型马歇尔试件。
 
沥青混合料基灌注式半刚性路面温度稳定性
 
高温稳定性
 
由于沥青混合料基灌注式半刚性路面基体是大空隙沥青混合料,采用温感材料沥青,在测试高温稳定性时应参照沥青混合料路面高温稳定性试验———车辙试验进行;沥青混合料基灌注式路面在大空隙沥青混合料基中灌入复合水泥砂浆,形成半刚性路面,考虑复合水泥砂浆的热胀,在测试高温稳定性时应参照水泥砂浆的热胀系数试验进行;由于沥青混合料基灌注式半刚性路面受到四季温差和昼夜温差直接作用,在测试高温稳定性时应考虑温差循环作用下其高温耐久性。
 
沥青混合料基灌注式半刚性路面车辙试验。按油石比分别为1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3.0%与矿料拌和,利用车辙仪试模制作300mm×300mm×50mm大空隙沥青混合料基体,沥青混合料基体冷却后,灌注(3650±50)g复合水泥砂浆,复合水泥砂浆分2次灌注,每次灌注完将车辙仪试模板试件放入振动台振动10s,振动完后放置阴凉平稳地面2mim后,用橡胶刮板刮去试件表层浮浆,露出沥青混合料基体的骨料,试件终凝后放入标准养护室养护。将养护7d试件按JTJ052—2000《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行车辙试验。
 
可知:(1)油石比为1.8%~2.1%时,随油石比增大,沥青混合料基灌注式半刚性路面的变形量和动稳定度保持不变;(2)油石比大于2.1%后,随着油石比增大,沥青混合料基灌注式半刚性路面的变形量增大,动稳定度降低,但都符合规范规定的≥10000次/mm要求;(3)油石比小于2.1%时,沥青混合料基灌注式半刚性路面属于刚性路面,油石比大于3.0%时,沥青混合料基灌注式半刚性路面属于柔性路面,油石比在2.1%~3.0%时属于半刚性(或半柔性)路面,其刚柔的偏向取决于沥青混合料基油石比的大小。
 
沥青混合料基灌注式半刚性路面热胀系数试验。热胀系数直接反映材料在不同高温环境条件下体积的变化,间接反映材料内部在不同高温条件下产生温度应力的大小。试验按碾轮法成型车辙试件,灌注一定量复合水泥砂浆后养护30d,切割成30mm×30mm×250mm小梁试件,在小梁试件安装2个探头,待探头固定后放入(20±2)℃室内中存放6h,测试试件的初始长度L0,然后将各试件分别放入40、50、60、70、80℃烘箱里烘制4h,从烘箱中取出后马上测试试件的长度L1,计算不同温度环境下沥青混合料基灌注式半刚性路面的微胀率,来表示其热膨胀系数。
 
可知:(1)随着温度的升高,沥青混合料基灌注式半刚性路面试件的微胀率增大。当油石比为2.4%时,沥青混合料基灌注式半刚性路面在40、50、60、70、80℃条件下的微胀率分别为1.12×10-6、1.44×10-6、1.77×10-6、2.17×10-6、2.92×10-6,若以40℃条件下的微胀率为基准,其50、60、70、80℃条件下微胀率增长率分别为2.85%/℃、2.90%/℃、3.13%/℃、4.02%/℃。说明以60℃为界,当温度低于60℃时,沥青混合料基灌注式半刚性路面的微胀率增长率大致相同。当温度高于60℃时,沥青混合料基灌注式半刚性路面的微胀率增长率开始有明显的增加,并随着温度的升高,其微胀率增长率提高的速率加大;(2)随着油石比增大,40~80℃高温条件下沥青混合料基灌注式半刚性路面试件的微胀率降低;(3)当油石比大于2.7%时,油石比与微胀率变化曲线比较平缓。根据各温度条件下油石比与微胀率降低率可知,沥青混合料基灌注式半刚性路面试件油石比在2.4%~2.7%时,沥青混合料基灌注式半刚性路面微胀率降低率效果最佳。
 
沥青混合料基灌注式半刚性路面高温耐久性试验。半刚性路面直接敞露在大气中,承受四季温差和昼夜温差引发的胀缩循环作用,当累计残余变形大于半刚性路面所能承受的范围时,沥青混合料基灌注式半刚性路面将产生破坏。试验参考水泥混凝土抗低温稳定性的衡量指标,采用高温与室温循环作用100次后沥青混合料基灌注式半刚性路面试件的质量和劈裂抗拉强度损失率来衡量其高温耐久性。试验油石比分别为1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3.0%,在双面击实的大空隙沥青混合料基体试件灌注(500±10)g复合水泥砂浆,成型的沥青混合料基灌注式半刚性路面试件养护28d后,将试件取出养护室放置室内干燥处自然晾置30d,测试烘烤试件质量m0和部分组别的劈裂抗拉强度RT0,然后将称量好的试件分别放入40、50、60、70、80℃烘箱里烘4h后取出,放置室内自然冷却4h与室温一致,再接着把冷却的试件分别又放入40、50、60、70、80℃烤箱里烤制4h,如此加热-冷却-加热-冷却循环100次后称取试件质量m100并测试劈裂抗拉强度RT100,计算出沥青混合料基灌注式半刚性路面质量损失率和劈裂抗拉强度损失率。
 
可知:(1)各高温条件下,沥青混合料基灌注式半刚性路面试件油石比与试件质量损失率及劈裂强度损失率变化趋势大致相同。说明试件质量损失大,其劈裂强度会降低;(2)当温度高于60℃后,沥青混合料基灌注式半刚性路面的质量损失和劈裂强度损失与油石比呈近似二次抛物线曲线关系。质量损失率和劈裂强度损失率最小值出现在油石比为2.5%~2.6%时;(3)当温度低于60℃时,各油石比沥青混合料基灌注式半刚性路面的质量和劈裂强度损失率较小;(4)当温度高于60℃时,各油石比沥青混合料基灌注式半刚性路面的质量和劈裂强度损失率增速加快,这时需考虑高温耐久性。
 
沥青混合料基灌注式半刚性路面在不同沥青用量和高温循环作用条件下质量和劈裂强度损失率变化原因是:(1)沥青混合料基灌注式半刚性路面结构由沥青组成,在室温~60℃时,沥青老化进程不明显,可忽略不计;此时复合水泥砂浆和集料的热胀率较低其温胀产生的温胀应力较小,结构中的沥青和橡胶粉在该温度条件下可以吸收、消化和缓解该温度条件下产生的温胀应力,所以质量和劈裂强度损失率较小。当温度高于60℃时,沥青开始软化,在循环作用下沥青老化进程较快,部分沥青产生挥发,质量损失率显著提高;同时,当温度高于60℃时,复合水泥砂浆和集料的热胀率较大,其温胀应力增大,结构中的沥青在该温度条件下开始软化,其吸收、消化和缓解水泥砂浆和集料热胀产生的温胀应力能力下降,导致结构内部产生温胀应力,形成微小裂痕,引发应力集中,从而使沥青混合料基灌注式半刚性路面劈裂强度损失,所以当温度高于60℃时,各油石比沥青混合料基灌注式半刚性路面的质量和劈裂强度损失率增速加快。(2)当温度高于60℃时,沥青混合料基灌注式半刚性路面在高温-常温循环作用100次其质量和劈裂强度损失率随着油石比的变化呈现开口向上的二次抛物线趋势,是由于当沥青用量小于最佳用量时,裹覆在沥青混合料基集料中的沥青膜过薄,灌入复合水泥砂浆后,水泥砂浆在凝固过程中发生的化学反应,将大面积的穿破沥青混合料基集料表面过薄的沥青膜,与沥青混合料基集料表面相接,形成偏刚性路面结构的沥青混合料基灌注式半刚性路面结构,该结构在高于60℃和常温循环作用下,其内部在温胀应力循环作用引发内部结构挤压产生微小裂痕和细小材料脱落,导致其质量和劈裂强度损失率较大。当沥青达到最佳用量时,裹覆在沥青混合料基集料中的沥青膜达到结构厚度,灌入复合水泥砂浆后,有部分水泥砂浆水化反应晶体嵌入结构沥青膜,但未能穿破结构沥青膜,有效的阻止高温条件下沥青的流动,此时该结构沥青膜承担连接集料和水泥砂浆胶凝材料的作用,虽然在高于60℃条件下,沥青产生老化、挥发,但该结构沥青膜大部分还是存在于沥青混合料基灌注式半刚性路面结构中,具备一定吸收、消化和缓解水泥砂浆和集料热胀产生的温胀应力,从而减少由于温胀应力产生的结构内部挤压,所以其质量和劈裂强度损失率最小。随着沥青用量继续增加,超过最佳用量时,裹覆在沥青混合料基集料中的沥青膜除了结构沥青还存在自由沥青,灌入复合水泥砂浆后,有部分水泥砂浆水化反应晶体嵌入自由沥青中,由于此时的沥青膜厚度过大无法嵌入结构沥青中,在沥青混合料基灌注式半刚性路面结构中存在一定量的自由沥青,自由沥青虽然能够有效吸收、消化水泥砂浆和集料热胀产生的温胀应力,但在高于60℃高温条件作用下,结构中的自由沥青不仅挥发、老化加速,而且还软化、蠕变产生微小位移,在多次循环作用下微小位移累积,使沥青混合料基灌注式半刚性路面结构内局部产生淘空,形成小空隙,从而导致其质量和劈裂强度损失率增大。
 
低温稳定性
 
沥青混合料基灌注式半刚性路面汇集了柔性和刚性路面材料的特点,在低温条件下,沥青混合料类路面更容易产生病害。在测试沥青混合料基灌注式半刚性路面低温稳定性时,可参照沥青混合料类路面材料的低温性能检测试验进行。同时,由于沥青混合料基灌注式半刚性路面还灌入复合水泥砂浆,水泥砂浆在低温条件下虽然收缩性能变化与集料收缩性能变化大致相同,但沥青混合料基灌注式半刚性路面尚存水泥砂浆与沥青粘结或交接界面,其二者在低温变化环境下收缩性能变化存在一定差距,在测试低温稳定性需考虑该因素。结合实际情况,采用低温劈裂试验来测试沥青混合料基灌注式半刚性路面的低温稳定性。试件油石比分别为1.8%、2.1%、2.4%、2.7%、3.0%,将双面击实的大空隙沥青混合料基体灌注复合水泥砂浆,成型养护28d,试验前把测试样放入-10℃冰柜冷冻6h后进行劈裂试验,通过记录试件破损时压缩荷载,垂直变形、水平变形计算出低温(-10℃)沥青混合料基灌注式半刚性路面材料的劈裂强度、劲度模量、破坏拉伸应变。
 
可知:(1)随着油石比增大,沥青混合料基灌注式半刚性路面试件的劈裂强度、破坏拉伸应变、垂直变形、水平变形先增后减,油石比为2.7%时达到最大值;(2)劈裂劲度模量是劈裂强度与劈裂拉伸应变的比值,该值越小说明黏弹性材料低温柔韧性越好、抗裂性能越佳。沥青混合料基灌注式半刚性路面试件的劈裂劲度模量随着油石比的增大呈现先减后增的趋势,油石比为2.7%时达到最小值。综合考虑,油石比为2.5%~2.6%时,沥青混合料基灌注式半刚性路面的低温性能较佳。
 
沥青混合料基灌注式半刚性路面低温性能随油石比变化的原因是:沥青混合料基灌注式半刚性路面结构中沥青存在的形式主要有结构沥青和自由沥青2种。当沥青用量偏少时,裹覆在沥青混合料基集料中的结构沥青膜偏薄,灌入复合水泥砂浆后,水泥砂浆化学反应产物将击穿结构沥青膜与沥青混合料基集料相接,沥青用量越少,形成结构沥青膜越薄,被击穿的面积就越大,在低温情况下沥青混合料基灌注式半刚性路面结构内部将产生温缩应力,引发内部结构拉缩产生微小裂痕,导致沥青混合料基灌注式半刚性路面结构低温各项性能的降低;当沥青用量过多时,裹覆在沥青混合料基集料中的沥青膜除了结构沥青还存在自由沥青,自由沥青在低温条件下是一种玻璃体或脆性材料,其温缩系数与水泥砂浆和集料的不同,在自由沥青与水泥砂浆或集料接触界面将产生巨大拉缩应力,当拉缩应力大于材料承受范围在其界面将产生微小裂痕释放、消化拉缩应力,由于内部结构拉缩产生微小裂痕,引发沥青混合料基灌注式半刚性路面结构低温性能的降低。自由沥青越多,沥青混合料基灌注式半刚性路面结构中自由沥青与水泥砂浆或集料接触界面越多,结构内部拉缩产生的微小裂痕就越多,其低温性能降低越明显。
 
结论
 
(1)根据车辙试验可知,油石比为2.1%~3.0%时,沥青混合料基灌注式路面属于半刚性(或半柔性)路面,其车辙试验变形量和动稳定度都高于规范的要求。
 
(2)根据热胀系数试验可知,油石比为2.4%~2.7%时,沥青混合料基灌注式路面结构微胀率降低率效果最佳。
 
(3)根据高温耐久性试验可知,当作用温度高于60℃时,需考虑沥青混合料基灌注式半刚性路面高温耐久性,油石比为2.5%~2.6%时,沥青混合料基灌注式路面结构的质量和劈裂强度损失率最低,其高温耐久性最佳。
 
(4)根据低温稳定性试验可知,油石比为2.5%~2.6%时,沥青混合料基灌注式路面结构的劈裂强度、劲度模量、破坏拉伸应变等低温性能较佳。
 
(5)沥青混合料基灌注式路面结构的温度稳定性与结构中沥青膜的厚度有关,适当的沥青膜厚度可以提高沥青混合料基灌注式路面结构的温度稳定性。

来源:沥青路面
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