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半柔性路面材料級配及路用性能研究
2019年09月03日    閱讀量:12676    新聞來源: 瀝青路面  |  投稿

摘 要

半柔性路面材料是將水泥基材灌注于母體瀝青混合料中形成的一種剛柔兼備的新型路面材料,礦料級配直接影響母體瀝青混合料的物理、力學性能。為保證母體瀝青混合料具備良好的骨架支撐作用,同時保證一定的空隙率以灌注水泥基材,筆者研究4.75mm、2.36mm、礦粉、瀝青等含量對母體瀝青混合料穩定度、空隙率的影響程度及規律;進一步研究4種級配的半柔性路面材料高溫、低溫、水穩、疲勞性能。結果表明:母體瀝青混合料的空隙率與2.36mm含量、油石比呈負相關關系,與礦粉含量呈正相關關系;穩定度與2.36mm含量呈正相關關系,與礦粉含量呈負相關關系;建議2.36mm含量≤4.5%、油石比≤3.5%、4.75mm含量≤6%;半柔性路面材料具有極優的高溫性能,但低溫性能不良且低于2000的規范要求瀝青網sinoasphalt.com。本文為半柔性路面材料設計及推廣應用提供試驗基礎。

關鍵詞

道路工程 | 半柔性路面 | 路用性能 | 級配 | 試驗研究

半柔性路面是指把以水泥為主要成分的特制漿劑,灌注入空隙率高達20%~28%的母體瀝青混合料中而形成的路面;該路面將瀝青路面柔性特點、水泥材料剛性特點恰當結合在一起,通過母體瀝青混合料骨料之間的嵌擠作用以及水泥基材共同形成材料強度,從而提高結構層抵抗荷載作用的能力,達到“剛柔并濟”的目的;半柔性路面材料如圖1。

半柔性路面材料級配及路用性能研究 瀝青網,sinoasphalt.com

半柔性路面材料中,為便于水泥漿劑材料灌注充分、填隙密室,作為載體的母體瀝青混合料應具有一定的空隙率,同時還應發揮其骨架支撐作用,須具備一定的力學強度。為此,筆者基于正交設計與極差分析方法,研究瀝青含量、4.75mm含量、2.36mm含量、礦粉含量等對母體瀝青混合料物理力學參數(空隙率、穩定度)的影響進行研究,選擇最優的母體瀝青混合料的礦料級配;并對不同級配的的半柔性路面材料進行高溫、低溫性能研究。

原材料

灌漿劑所采用水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥,依據水泥及水泥混凝土試驗規程中要求的相關試驗方法,進行檢測,試驗結果如表1。

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水泥基灌漿材料由于水膠比較大,在硬化過程中漿體容易引起收縮,為抵消可能發生的收縮,在漿劑中加入膨脹劑,本文采用TD-U硫鋁酸鈣類膨脹劑,其適宜摻量為膠凝材料用量的8%~10%,檢測結果如表2。

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母體瀝青混合料中礦料采用玄武巖,瀝青采用基質70#瀝青,瀝青檢測結果如表3。

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級配研究

母體瀝青混合料級配直接影響到母體骨架結構的物理、力學性能。本研究以空隙率、穩定度為測試指標,研究礦粉含量、瀝青含量4.75mm含量(4.75mm~9.5mm集料分計篩余)、2.36mm含量(關鍵篩孔2.36mm~4.75mm集料分計篩余)對母體瀝青混合料物理力學參數的影響,為母體瀝青混合料級配設計提供一定參考。

試驗方案

基于現有研究成果的級配范圍,采用正交試驗法和極差分析法,分析礦粉含量、油石比、4.75mm含量、2.36mm含量這4個因素對母體瀝青混合料空隙率、穩定度的影響程度及影響規律。油石比用量范圍根據相關文獻及其他研究成果得出的范圍內選取。試驗條件:在擊實溫度為140℃條件下,采用雙面擊實50次成型馬歇爾試件,并測定各試件空隙率、穩定度;正交試驗參數如表4。

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試驗結果及分析

采用極差法分析各因素對母體瀝青混合料空隙率、穩定度的影響程度,極差值越大表明因素影響程度越顯著,分析結果如圖2、圖3。

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圖2、圖3可知:


(1)4個因素對瀝青混合料的空隙率影響程度排序為:油石比2.36mm含量4.75mm含量礦粉含量;其中油石比對空隙率的影響最為明顯,此結論與文獻中“瀝青質量分數是影響空隙率最主要的因素”的結論一致。


(2)4個因素對混合料穩定度影響程度排序為:油石比礦粉含量2.36mm含量4.75mm含量。


(3)針對母體瀝青混合料級配而言,2.36mm集料含量對空隙率、穩定度影響均比4.75mm集料含量影響作用大,因此在級配優化試驗過程中,更應關注2.36mm含量。


通過進一步分析確定各因素的合理摻量范圍,筆者建立各因素與空隙率、穩定度之間的關系,結果如圖4~圖11。

半柔性路面材料級配及路用性能研究 瀝青網,sinoasphalt.com
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圖4~圖11可知:


(1)除油石比與穩定度的關系、4.75mm含量與空隙率的關系呈曲線關系外,其余因素與空隙率、穩定度基本呈直線關系;且空隙率與2.36mm含量、油石比呈負相關關系,與礦粉含量呈正相關關系;穩定度與2.   36mm含量呈正相關關系,與礦粉含量呈負相關關系。


(2)日本文獻對半柔性路面母體瀝青混合料要求的空隙率一般為20%~28%,而穩定度3.0Kn;分析各因素對空隙率的影響作用,建議2.36mm含量≤4.5%、油石比≤3.5%、4.75mm含量≤6%;結合穩定度分析結果,各因素對穩定度不構成限制條件,但油石比與穩定度存在二次曲線關系,即存在最佳油石比;在控制空隙率的條件下,建議根據穩定度來確定最佳油石比。


(3)結合上述分析,半柔性路面材料母體瀝青混合料級配采用W-1、W-2、W-3(如圖12);后續為進行不同材料路用性能對比,增加指南推薦級配SFAC-13、普通瀝青混合料AC-13與AC-20級配。

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半柔性路面材料路用性能

目前對半柔性路面材料性能評價并無適用性規范,多數研究沿用普通瀝青混合料試驗規程對其進性能評價。筆者依據現行規程對半柔性路面材料高溫性能、低溫性能進行研究。

高溫性能

瀝青路面的高溫穩定性是指瀝青混合料在車輛荷載作用下抵抗永久變形的能力。不同半柔性路面材料高溫穩定性能試驗結果如圖13。

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圖13、表5可知:

(1)從半柔性路面材料“變形量-時間”關系曲線可看出,前40分鐘曲線斜率較大,車轍變形量發展較快;40分鐘后,曲線呈平緩發展趨勢,車轍變形量發展緩慢,曲線類似水平線,說明40min后試件變形已基本完成;


(2)高溫性能試驗過程中,半柔性路面材料豎向變形量(y)與時間對數(log10t)之間基本呈現線性關系;


(3)4種半柔性路面材料60min試驗過程中,總變形量<1mm且DS試驗值均20000次·mm-1,說明該半柔性路面具有良好的高溫性能,采用該材料可以提高和改善路面抵抗高溫變形能力。

低溫性能

瀝青混合料在低溫時應具有較高的強度和較大的變形能力,為防止瀝青路面在冬季氣溫較低條件下開裂。依據“T0715-2011瀝青混合料彎曲試驗”,評價高性能半柔性路面材料低溫變形能力。


試驗條件:溫度-10℃±0.5℃、速率50mm/min,對250mm×30mm×35mm小梁試件跨中施加集中荷載。半柔性路面材料養護條件:室內溫度為20℃±3℃,濕度不小于90%,齡期為7d。


以規定的速率50mm/min在跨徑中央施加集中荷載,直至試件破壞,記錄荷載-擾度曲線(圖14為W-1、AC-20材料的荷載-跨中擾度曲線);不同材料低溫試驗檢測結果如表7。

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圖14、表6可知:


(1)與普通瀝青混合料AC-20應力-應變曲線相比,半柔性路面材料在破壞過程中,其應力隨應變變化較快,即達到最大應力前,試件應力-應變斜率較大,體現出一定的剛性。


(2)同條件同齡期養護的半柔性路面材料的彎曲應力、彎曲應變明顯小于普通瀝青混合料,可見半柔性路面材料低溫性能比普通瀝青混合料低溫性能差。


(3)現行規范提出的采用-10℃時彎曲試驗的破壞應變作為瀝青混合料低溫抗裂技術指標,且規定“普通瀝青混合料破壞應變不得小于2000,改性瀝青混合料破壞應變不得小于2500”;由此可知本文所研究的4種半柔性路面材料的低溫性均能不滿足現行規范的相關要求。

 結語

(1)各因素對母體瀝青混合料空隙率影響程度排序為:油石比2.36mm含量4.75mm含量礦粉;對混合料穩定度影響程度排序為:油石比礦粉2.36mm含量4.75mm含量。


(2)空隙率與2.36mm含量、油石比呈負相關關系,與礦粉含量呈正相關關系;穩定度與2.36mm含量呈正相關關系,與礦粉含量呈負相關關系;結合空隙率20%~28%、穩定度≥3.0Kn的技術要求,在母體瀝青混合料級配設計過程中,建議2.36mm含量≤4.5%、油石比≤3.5%、4.75mm含量≤6%。


(3)半柔性路面材料溫度試驗過程中總變形量<1mm,且DS試驗值均20000次·mm-1,具有良好的高溫性能。


(4)與AC-13、AC-20普通瀝青混合料相比,半柔性路面材料的彎曲應力和彎曲應變與普通瀝青混合料相比顯著較小,其低溫性能達不到現行規范對瀝青混合料低溫性能的相關要求;后續可重點對半柔性路面材料低溫性能及開裂機理展開研究,擴大其推廣應用范圍。

參考文獻:

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[8]JTGE20-2011.公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程.

[9]JTGF40-2004.公路瀝青路面施工技術規范.


標簽:技術中心改性瀝青
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