旧混凝土路面上沥青加铺层的抗反射裂缝能力
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收稿日期:2001-03-25＊基金项目:国家自然科学基金资助项目(59878017) 作者简介:张肖宁(1951-),男,教授,博士生导师,主要从事道路工程研究.文章编号:1000-565X(2001)08-0082-04
旧混凝土路面上沥青加铺层的抗反射裂缝能力＊
张肖宁1 邹桂莲2 王绍怀1
(1.华南理工大学道路工程研究所,广东广州510640;2.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,黑龙江哈尔滨150006)
摘 要:研究了沥青加铺层抵抗反射裂缝的能力.结果表明沥青混合料的材料组成及结
构是旧混凝土路面上沥青加铺层抵抗反射裂缝能力的决定因素.文中还分别讨论了骨料
级配、沥青、矿粉、纤维对抗反射裂缝能力的影响,为按功能设计沥青混合料奠定了基础.关键词:旧混凝土路面;沥青加铺层;反射裂缝;沥青混合料;组成
中图分类号:U416.2 文献标识码:A
旧混凝土路面上加铺沥青面层是旧路改造的常
见形式.旧混凝土路面的接缝与裂缝处不能承受剪应力和拉应力,在温度和车轮荷载的周期性重复作
用下,沥青加铺层的相应位置上就容易受到损伤,产
生反射裂缝.欲从根本上解决反射裂缝问题,必须从
沥青混合料本身入手,提高混合料抵抗反射裂缝的能力.本文着重研究骨料级配、沥青、矿粉和纤维对
反射裂缝的影响,从而为设计沥青混合料奠定基础.
1 试验设计
1.1 试验模型
试验模型(如图1所示)的长度为30cm,宽度
图1 试验模型示意图Fig.1 Sketchoftestmodel为12.6cm.沥青加铺层用碾压成型的方形试件切割成30cm×12.5cm×3.5cm的薄板(保留粗糙
表面),预制混凝土试块厚度为4.5cm,在两块混凝土试块之间预留3mm的裂缝,混凝土试块与沥青
加铺层之间敷粘层油,预制混凝土试块下面垫一块
橡胶垫块,橡胶垫块的尺寸为27.5cm×12.5cm×
2.14cm.加工好的试件在室温(25±3℃)下冷却4h,然后放到自动沥青路面分析仪(AAPA)中,在
试验温度下养护6h.
1.2 疲劳试验设备
疲劳试验采用自动沥青路面分析仪.试验中,试
验小轮加到试样上的荷载为1205.4N,试验温度为15±1℃,疲劳破坏的判据为试件表面有反射裂
缝产生.
1.3 动态剪切流变仪(DSR)
动态剪切流变仪(DSR)是一种用于评价高分
子材料流动特性的通用仪器,如图2所示.美国的战
图2 动态剪切流变仪示意图Fig.2 SketchofDSR略公路研究计划(SHRP)采用DSR进行动态剪切
试验.动态剪切实验结果以剪切模量的复数形式表
示:G＊=G′+iG″.其中,G＊是复数剪切模量;华南理工大学学报(自然科学版)第29卷第8期JournalofSouthChinaUniversityofTechnologyVol.29 No.82001年8月(NaturalScienceEdition)August 2001G′=G＊cosδ,称为贮存剪切模量,δ是相位角;
G″=G＊sinδ,称为损失剪切模量,表示沥青在变
形过程中的能量损失,G″越大表明反复荷载作用下能量损失的速度越快.许多研究已经证明[1],沥青
混合料的疲劳损伤、疲劳寿命与循环加载过程中的
能量损失具有比例关系,因此,较小的G″值代表了
较好的疲劳抵抗能力.而反射裂缝的产生是一个典型的疲劳过程,所以,DSR可以用于评价沥青胶浆
抵抗反射裂缝的能力.
2 试验材料
2.1 混合料级配
为了研究混合料级配对反射裂缝的影响,共设
计了四种不同级配的混合料,见表1.
表1 沥青混合料的级配Table1 Gradationofasphaltmixture
混合料
类型通过不同孔径(mm)筛孔(方孔筛)的质量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075沥青质量分数/%AC20 100 97.5 82.5 71.0 62.0 48.0 37.0 27.0 22.0 15.0 10.0 6.05.0FAC2010096.470.158.846.026.021.817.413.69.87.86.25.6AM2010095.072.562.552.527.513.59.06.55.04.02.53.8AC2597.582.571.063.053.042.033.525.019.013.09.05.05.0
2.2 沥青、矿粉、纤维
选用泰普克70#非改性沥青和广东路翔公司产SBS改性沥青,主要性能见表2和3.采用石灰岩轧
制的矿粉,其0.075mm筛孔质量通过百分率为
85%.采用VIRTOP80木质素纤维和海川德兰尼特聚合纤维,它们分别满足各自的产品技术标准.表2 泰普克70#普通沥青的技术性能Table2 TechnicalpropertiesofTipco70#
ordinarilyasphalt
试验指标技术要求试验结果针入度1)/mm6～87.15延度2)/cm100>150软化点TR&B/℃44～5450.2 1)指25℃下的针入度;2)指25℃、5cm/min下的延度.表3 SBS改性沥青的技术性能Table3 TechnicalpropertiesofSBSmodifiedasphalt
试验指标技术要求试验结果针入度指数PI≥-0.20.043延度1)/cm≥3033软化点TR&B/℃≥5590.7软化点差2)/℃≤2.50.8粘韧性/(N·m)—25.8韧性/(N·m)—21.5弹性恢复3)/%≥6595135℃下粘度/(Pa·s)≤3.02.76 1)指5℃、5cm/min下的延度;2)经165℃、48h离析; 3)指25℃下的弹性恢复.
3 试验结果
利用AAPA作沥青加铺层的模拟试验,试验结果见表4.表4 不同混合料的疲劳破坏Table4 Cyclesoffatigueofvariousmixture
混合料类型疲劳寿命/次试验1试验2试验3试验4平均值TPK_AC20786465691464500— 66687TPK_AC25542645610863254— 57875TPK_AM20726825605616— 5148LX_AC20269246312694329458283968298842LX_FAC20340738390690269250421396355519LX_AM201979418178170461449217378 TPK代表泰普克70#改性沥青,LX代表路翔公司产SBS改性沥青.
4 结果分析
4.1 骨料级配对抗反射裂缝能力的影响
沥青混合料的类型是影响疲劳寿命的主要因
素.TPK_AC20的疲劳寿命大约是TPK_AM20的
13倍,LX_FAC的疲劳寿命是LX_AM20的20倍
左右.对于同一种沥青,AC20与FAC20抵抗反射裂缝的能力最强,其次为AC25,最差的是AM20.
混合料的级配类型决定了混合料的结构,不同
级配类型的混合料的结构如图3所示.
图3 混合料结构示意图Fig.3 Sketchofthestructureofmixtures富沥青混合料中,粗集料较多,可以形成空间骨
架,适量的细集料足以填满骨架的空隙,因此成为一 第8期张肖宁等:旧混凝土路面上沥青加铺层的抗反射裂缝能力83 种“密实-骨架”结构,这种沥青混合料密度大,具有
高的粘聚力和内摩擦角,在荷载作用下,骨架结构通
过骨料之间的相互嵌挤共同承担荷载的作用.相比之下,AM20虽然形成了骨架结构,但是细集料含量
少,不足以填充骨架空隙,因此沥青混合料的空隙率
大,粘聚力小;相反,AC20形成“密实-悬浮”结构,
细集料多,空隙率小,混合料密度大,具有较高的粘聚力,但是细集料与粗骨料之间产生干涉,内摩擦角
小,在荷载作用下,粗骨料承担的力比较小,矿料对
疲劳性能的贡献没有充分发挥出来.
集料尺寸对疲劳寿命也有影响.对于同一种沥青,AC20抵抗反射裂缝的能力比AC25强,这是因
为AC20中矿粉及细集料比例较大.沥青混合料中
粗集料与沥青胶砂的劲度相差悬殊,在荷载作用下,沥青胶砂产生的应变明显大于沥青混合料的总体应
变,因此,沥青胶砂对混合料的疲劳性能贡献较大.
KoseS等人[2]发现,沥青胶砂中的应变分布变化较
大,比混合料总体应变高几个百分点到10倍,胶砂的平均剪应变是混合料应变的4.3倍左右,最大剪
应变甚至可以达到总体应变的85倍.
4.2 沥青对抗反射裂缝能力的影响
表4中的数据表明,对于同一种沥青混合料,
LX_AC20的疲劳寿命大约是TPK_AC20的4.5倍,LX_AM20的疲劳寿命是TPK_AM20的3倍多,这说
明沥青品种是影响疲劳性能的一个主要因素.
改性沥青混合料的粘聚力大,抵抗剪切破坏的
能力强.BaladiGY[3]等人对几种改性沥青混合料的间接拉伸试验表明,SBS改性沥青可以提高沥青
混合料的拉伸强度与劲度.LX_AC5沥青混合料的
拉伸强度比直溜沥青混合料提高了37%,LX_AC10沥青混合料的拉伸强度可以提高44%.沥青质量分
数为5%的LX_AC5与LX_AC10在25℃下的疲
劳寿命是直溜沥青混合料的10～14倍.另一方面,
沥青的用量也在一定程度上影响疲劳性能,Kohler根据试验提出,应变ε=10-4下的疲劳寿命有如下
关系式:
lgN=4.13lgφB+6.95lgTR&B-11.13.
式中,N为疲劳寿命(次),φB为沥青体积分数(%),TR&B为沥青软化点(℃).
上式表明,在沥青正常使用范围内,沥青用量越
大,混合料疲劳寿命越长,即抵抗反射裂缝的能力越强.
4.3 矿粉和纤维对抗反射裂缝能力的影响
由沥青、矿粉、纤维组成的胶浆在混合料中所占
比例虽不大,但对路面抵抗反射裂缝的能力却起着
十分重要的作用.适当提高矿粉与沥青用量可以提
高混合料抵抗反射裂缝的能力.但是矿粉用量并不是越多越好.
SHRP的沥青分级标准规定:用在压力老化容
器中老化后的沥青测定G″值来评价沥青的疲劳特性.本研究为简便起见,直接使用了原样沥青进行动
态剪切试验,研究矿粉含量对疲劳性能的影响.试验
结果见表5.
表5 粉油比对沥青胶浆疲劳性能的影响Table5 Effectofratiooffillerandasphaltonfatigueofasphaltbinder
温度/℃不同粉油比下的损失剪切模量G″/Pa
00.60.91.21.51.82.1103.59E+063.89E+06————254.98E+057.77E+051.04E+06—1.88E+062.58E+063.01E+06462.35E+043.55E+044.37E+045.94E+047.61E+041.11E+051.21E+05643.54E+035.36E+036.62E+038.73E+031.12E+041.57E+041.87E+04801.03E+031.53E+031.90E+032.45E+033.09E+034.20E+035.14E+03
试验结果表明:当粉油比(矿粉与沥青的质量
比)相同时,随着温度增加,G″值迅速减小,说明沥
青胶浆主要在较低温度范围内发生疲劳损伤;对于不同的粉油比,在相同温度下随粉油比增加G″值逐
步增大,表明提高粉油比可以提高混合料高温下抵
抗车辙的能力.同时,粉油比也影响疲劳性能,可以认为,适当的粉油比是平衡高温性能与疲劳性能的手段之一.纤维对沥青混合料抵抗反射裂缝能力的贡献主
