矿料级配对沥青路面低温抗裂性的影响

韩 彰

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥230009;2.安徽交通职业技术学院,安徽合肥230051)

0 前 言

沥青混合料指的是用具有一定黏度和适当用量的沥青材料与一定级配的矿质集料,经过充分拌和形成的混合物。将这种混合料加以摊铺、碾压成型,即成为各种类型的沥青路面。为保证沥青路面能够长期稳定的发挥作用,应根据各地的气温、车载等情况,采用合理的沥青混合料级配类型,以提高相关性能。

沥青路面的主要性质包括高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性等。在不同地区,对各性质的要求程度不一。在温度较高的区域,车辙现象发生比较频繁,所以高温稳定性是沥青混合料设计的首要考虑因素;而在温度较低的地区,低温抗裂性能需要予以关注,以避免裂缝的大量产生。

沥青混合料抵抗低温收缩变形的能力称为低温抗裂性。低温开裂往往是沥青路面各种病害的开始,而裂缝的发展将直接影响路面的使用性能。裂缝的产生不仅会破坏路面的连续性、整体性及美观,而且会从裂缝中不断渗入水分是基层甚至路基软化,导致路面承载力下降,加速路面破坏。同时纵向无限长的沥青面层开裂后,其承载能力转变为有限尺寸板。冬季面层模量较高,承受重复车轮荷载时,开裂后的路面可能折断成更小尺寸的板,并发生网裂。随着裂缝逐年加宽,边缘折断破碎,促使路面平整度降低,严重危机道路的使用寿命和质量。

1 沥青混合料低温开裂机理及裂缝形式

位于路面面层的沥青混合料结构层,直接受到气温变化的影响。一方面当温度下降时,沥青混合料就会产生收缩变形。由于沥青路面无收缩缝,这种变形会受到基层对路面的摩阻力和路面无限连续板块体对收缩变形的约束作用,使沥青面层内产生拉应力。另一方面,沥青混合料具有应力松弛性能,当给沥青混凝土一定的应变时,由此产生的应力会随着时间的延长而松弛。在一般温度范围内,由温度降低而产生的拉应力,会由于应力松弛而减小,将不会产生出现裂缝那么大的应力。

沥青混合料路面的低温开裂就是温度应力和应力松弛性能之间关系的问题。当沥青混合料的应力松弛能力下降幅度较大,导致材料的抗拉强度小于温度应力,就会导致开裂;当沥青混合料的应力松弛性能下降幅度较小,能够保证材料的抗拉强度大于温度应力,就不会发生开裂。

沥青混合料的低温开裂主要有两种形式:一种是由于气温骤降造成材料低温收缩。当温度骤降时,混合料的应力松弛性能赶不上,温度下降产生的应力超过了材料的极限抗拉强度产生的;另一种形式是低温收缩疲劳裂缝。这是由于在沥青混合料经受长期多次温度循环后,沥青混合料的极限拉伸应变变小,同时沥青的老化使劲度提高,应变松弛性能降低,所以即使当温度应力小于其相应温度原始抗拉强度时也会产生开裂,即温度疲劳裂缝可能会在比一次性降温开裂温度高的温度下开裂。

沥青混合料的低温变形能力在很大程度上取决于沥青材料的性质、沥青与矿料的黏结强度、级配类型以及沥青混合料的均匀性。在上述诸多因素中,本文重点阐述矿料级配对沥青混合料低温抗裂性的影响。

2 沥青混合料矿料级配组成

沥青混合料的矿料级配组成设计就是确定矿质混合料中不同粒径的颗粒之间用量比例关系,通常采用不同粒径颗粒的质量比来表示。沥青混合料可以因为矿料的级配不同而形成不同的组成结构,不同结构状况的混合料将会表现出不同的物理—力学性质和功能特征。所以,集料的级配组成对混合料的组成结构和性能有着较大的影响,甚至起着决定性作用

沥青混合料按照强度构成特性的不同,划分为三种结构类型:

(1)密实—悬浮结构的沥青混合料。这种沥青混合料的矿料采用连续密级配,即矿料粒径由大到小连续存在。这种矿物混合料含有大量细料,而粗颗粒数量较少,相互间没有接触,不能形成骨架,粗颗粒悬浮于细颗粒之间。

(2)骨架—空隙结构的沥青混合料。这种混合料的矿料采用连续开级配,矿质混合料级配递减系数较大,粗集料含量较高,细集料很少。这种矿物混合料的粗集料可以相互靠拢形成骨架,但由于细料数量过少,不足以填充粗集料之间的空隙,其残余空隙率较大。

(3)密实—骨架结构的沥青混合料。这种混合料的矿料采用间断型密级配矿质混合料。既有一定数量的粗集料形成骨架,又有足够数量的细集料填充骨架空隙。

在这三种结构类型中,骨架—空隙结构主要应用于排水性沥青路面,密实—骨架结构主要是SMA路面,前一种路面形式由于原材料以及施工工艺等方面要求较高,在我国暂未普及;SMA路面造价相对较为昂贵,但由于其行车效果良好,逐渐推广。目前,在我国沥青路面主要采用的是密实—悬浮结构,即连续密级配沥青混合料。所以,本文以AC型沥青混合料为研究类型,讨论AC型沥青混合料与低温抗裂性的关系。

3 试验设计方案

为了研究矿料级配以及沥青混合料最大公称粒径对沥青混合料低温抗裂性能的影响,拟采用AC-5、AC-10、AC-13三种矿料级配,以及各自相应的设计曲线靠近级配上限、级配中值以及级配下限的情况进行研究。AC-5、AC-10和AC-13三种沥青混合料是按照矿料的公称最大粒径划分的。根据《公路工程集料试验规程》(JTGE42-2005)的定义,集料的最大粒径是指通过百分率为100%的最小标准筛筛孔尺寸;而集料的公称最大粒径是指全部通过或者允许少量不通过(一般允许筛余不超过10%)的最小标准筛筛孔尺寸。通常公称最大粒径比最大粒径小一个粒级。AC-5的集料公称最大粒径为4.75 mm,最大粒径为9.5 mm;AC-10的集料公称最大粒径9.5 mm,最大粒径为13.2 mm;AC-13的集料最大公称粒径为13.2 mm,最大粒径为16 mm。

4 沥青混合料低温抗裂性的测定方法

沥青混合料的低温开裂主要由于外部荷载以及环境温度的改变,导致沥青混合料内部产生的温度应力大于混合料自身抗拉强度造成的。随着环境温度的幅度、频率的不同,就会导致混合料不同裂缝形式,如低温收缩裂缝,低温荷载裂缝等。相应的评价低温抗裂性的试验方法包括:低温线收缩系数、低温弯曲蠕变以及约束试件的温度应力试验等,每种试验方法都有其针对性。

沥青路面温度下降时的收缩受到基层及周围的约束,而产生拉应力以及拉应变,由此导致路面开裂,所以收缩性能是沥青混合料最基本的性能之一。本次试验采用低温线收缩系数试验方法正是基于收缩性能而制定的。试验研究重点是温度下降时,沥青面层内产生温度应力的大小。对于外部荷载的影响因素没有过多考虑。试验测定的数据为平均线收缩系数。

沥青混合料的平均线收缩系数是规定尺寸的棱柱体试件在规定温度区间,以规定速率降温时收缩变形与试件长度的比值。试件采用从轮碾成型的扳块状试件上切制的棱柱体,采用+10～-20℃的温度区间,降温速率为5℃/h。试验具体操作步骤参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0720-1993沥青混合料线收缩系数试验。

沥青混合料面层温度应力的计算公式为:

式中 σ1—温度应力; E—松弛模量;θ—温度差;

α—沥青混合料的线收缩系数;μ—泊松比。

由公式(5-2)可以发现,沥青混合料温度应力与线收缩系数成正比。线收缩系数越大,温度应力也越大,沥青混合料产生裂缝的可能性也就越大。

5 矿料级配对沥青混合料低温抗裂的影响

5.1 AC-5型矿料级配对低温抗裂性能的影响

表1 AC-5型沥青混合料低温线收缩系数测试结果

图1 AC-5型沥青混合料三种级配与线收缩系数之间的关系

综合比照AC-5型沥青混合料在相同沥青含量时,不同设计级配曲线与线收缩系数之间的关系,可以得到以下几个结论:

(1)三种设计级配曲线的线收缩系数均随着沥青含量的增加而增大。

(2)AC-5X型沥青混合料与其他二者相比,在各种沥青含量情况下,均能够保持较小的线收缩系数,从而保证沥青混合料具有较好的低温抗裂性能。

所以,对于AC-5型沥青混合料而言,AC-5X型沥青混合料具有更好的低温抗裂性能。

5.2 AC-10型矿料级配对低温抗裂性能的影响

表2 AC-10型沥青混合料低温线收缩系数测试结果

图2 AC-10型沥青混合料三种级配与线收缩系数之间的关系

综合比照AC-10型沥青混合料在相同沥青含量时,不同设计级配曲线与线收缩系数之间的关系,可以得到以下几个结论:

(1)三种设计级配曲线的线收缩系数均随着沥青含量的增加而增大。

(2)在沥青含量小于6.7%时,A-10S型沥青混合料具有最小的线收缩系数。而正常情况下,为保证工程的经济性,沥青用量一般控制在6.7%以下。

所以,对于AC-10型沥青混合料而言,AC-10S型沥青混合料具有更好的低温抗裂性能。

5.3 AC-13型矿料级配对低温抗裂性能的影响

表3 AC-13型沥青混合料低温线收缩系数测试结果

综合比照AC-13型沥青混合料在相同沥青含量时,不同设计级配曲线与线收缩系数之间的关系,可以得到以下几个结论:

图3 AC-13型沥青混合料三种级配与线收缩系数之间的关系

(1)三种设计级配曲线的线收缩系数随着沥青含量的增加均出现峰值。

(2)AC-13Z型沥青混合料在沥青含量小于5%阶段,其线收缩系数明显低于其他二者;在沥青含量大于5%区间,其线收缩系数与AC-13X接近,均远小于AC-13S型。另外,AC-13Z型沥青混合料线收缩系数变化较均衡,无较大突变。

所以,对于AC-13型沥青混合料而言,AC-13Z型沥青混合料具有更好的低温抗裂性能。

5.4 基于低温抗裂性的矿料级配优选

通过对AC-5、AC-10以及AC-13三种级配类型沥青混合料性质的对比,选出各种类型中防渗性质较好的的设计曲线,即相同沥青用量,线收缩系数较小的级配类型。

完成上述横向比较后,将各种级配类型中低温抗裂性能良好的沥青混合料(AC-5X、AC-10S,AC-13Z)进行纵向比较,选择出低温抗裂性最优良的沥青混合料。

通过对右图的研究分析,可以得到以下结论:

图4 沥青混合料矿料级配对低温抗裂性影响的纵向优化图

(1)三种级配类型的沥青混合料线收缩系数均随着沥青含量的增加而增大。

(2)在沥青含量小于6.7%时,AC-10S相对于其他两种沥青混合料具有较小的线收缩系数,从而保证其具有良好的低温抗裂性能。

(3)AC-5型沥青混合料沥青用量是三种混合料中最大的,这就使其温缩系数较大,加大了开裂出现的可能性。此外,由于AC-5型沥青混合料结构比较密实,内部空隙偏少,应力松弛极限温度上升,增大了温度应力,提高了开裂的可能性。而AC-13型沥青混合料相较于AC-10,粒径差距较大,离析现象更明显,使结构均匀性下降,导致混合料抗裂性较差。

所以,对AC-5、AC-10与AC-13三种类型,9种级配曲线的的综合比较,可以判定AC-10S型沥青混合料具有最好的低温抗裂性能。

6 结 论

(1)本文阐述了沥青混合料低温开裂的机理及裂缝形式,并从温度应力角度出发,采用低温线收缩系数指标,评价沥青路面的低温抗裂性能。

(2)通过低温线收缩系数试验,对比了相同沥青用量下,沥青混合料矿料级配与低温线收缩系数之间的关系,确定了三种沥青混合料中,AC-10S具有最佳的低温抗裂性。

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