瀝青混合料力學(xué)實驗探究及應(yīng)用范文

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隨著我國公路交通事業(yè)的發(fā)展,大跨徑橋梁逐漸增多,鋪裝層的質(zhì)量好壞和使用耐久性直接影響到行車的安全性、舒適性、橋梁的耐久性及投資效益。大跨徑橋梁的橋面鋪裝,往往因為交通量大,沒有替代的其他疏散道路而使得維護較為困難,所以,需要橋面鋪裝有較長的使用壽命。

為了適應(yīng)現(xiàn)代交通對瀝青混凝土橋面鋪裝提出的越來越高的要求,出現(xiàn)了諸如改性瀝青SMA、環(huán)氧瀝青混凝土、瀝青瑪碲脂混合料、澆注式瀝青混凝土等橋面鋪裝材料和技術(shù)[1～4]。雖然它們具有較好的性能,但或者需要采用特殊設(shè)備,或者是有一定的施工難度,或者造價比較高,一時還難以大面積推廣。針對揚州西北繞城高速公路的具體工程情況,本文選擇了纖維瀝青混合料作為橋面鋪裝材料[5]。

1、纖維瀝青混合料的路用性能研究

本研究首先通過揚州西北繞城高速公路橋面鋪裝上層及下層2種級配類型瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等路用性能試驗[6],來綜合評價瀝青混合料的各項性能以及纖維的增強作用。

1.1瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性試驗

由于瀝青混凝土路面的強度和剛度(模量)隨溫度升高而顯著下降,為了保證瀝青混凝土鋪裝層在高溫季節(jié)行車荷載反復(fù)作用下,不至于產(chǎn)生諸如波浪、推移、車轍和擁包等病害,鋪裝層應(yīng)具有良好的高溫穩(wěn)定性,即在荷載的作用下具有抵抗永久變形的能力。車轍試驗因能較好地反映車轍的形成過程,得到世界各國的廣泛認(rèn)可與采用,本研究即采用車轍試驗來評價纖維瀝青混凝土的高溫抗車轍能力,試驗結(jié)果。

試驗結(jié)果表明:加入纖維后,瀝青混合料的抗車轍性能得到改善。這是因為車轍的形成主要是由于試驗初期瀝青混合料本身的壓密,以及隨后瀝青混合料的側(cè)向流動變形。加入纖維與未加纖維對混合料的初期壓密變形影響不大,但是對后期的側(cè)向流動變形有較大的影響。加入纖維后,纖維吸附及穩(wěn)定瀝青,使瀝青的粘稠度和粘聚力增大,同時由于縱橫交錯的纖維加筋作用,使瀝青混合料的整體性、抗剪性及抗車轍能力增強。從動穩(wěn)定度結(jié)果可以看出,纖維可顯著改善瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

1.2瀝青混合料低溫性能試驗

瀝青混合料是一種溫度敏感性材料,環(huán)境溫度的變化會使其使用性能發(fā)生很大的變化。隨著溫度的降低,瀝青混合料的強度和勁度都會明顯增大,但其變形能力卻會顯著下降,并可能會出現(xiàn)脆性破壞。

低溫主要是影響瀝青混合料的抗拉強度和變形能力,從而造成瀝青混合料的低溫開裂。本研究通過試驗測定瀝青混合料在-10℃時彎曲破壞的力學(xué)性質(zhì)來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。

從試驗結(jié)果可以看出,纖維的加入有效地提高了鋪裝層材料低溫時的柔韌性,這樣使得鋪裝層在低溫季節(jié)能更好地適應(yīng)橋面板的變形,減少在低溫季節(jié)容易出現(xiàn)的橋面溫縮裂縫和疲勞裂縫。這對于改善橋面鋪裝低溫時的使用性能具有重要意義。

1.3瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗

瀝青混凝土鋪裝層中若有水分存在,則在汽車車輪動態(tài)荷載的作用下,進入路面空隙中的水會不斷產(chǎn)生動水壓力及真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用,使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘結(jié)力。繼而,瀝青膜從集料表面脫落,瀝青混合料出現(xiàn)掉粒、松散,形成瀝青混凝土路面的坑槽、松散等損壞現(xiàn)象。因而,必須重視瀝青混合料自身抗水損壞能力的好壞。

本文首先進行了浸水馬歇爾試驗,結(jié)果表明不同級配、不同瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于規(guī)范要求。雖然該試驗方法操作比較簡單,但不能較好地反映實際瀝青混凝土路面早期的水損情況。為了更有效地評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性能,本研究又進行了凍融劈裂試驗。

試驗結(jié)果表明,加入纖維對瀝青混合料的水穩(wěn)性有改善作用,且纖維對普通瀝青混合料的改善作用相對較大。這主要是因為纖維可以吸附部分瀝青,從而增大瀝青用量,提高瀝青飽和度;并且使粘附在礦料上的結(jié)構(gòu)瀝青膜變厚,降低了水對瀝青膠漿的侵蝕破壞作用,增強了瀝青膠漿抵抗自然環(huán)境破壞的能力,使混合料抗水損害能力增強。而改性瀝青混合料本身就具有較強的水穩(wěn)定性,所以,纖維對其的改善作用并不明顯。

另外,對于采用相同瀝青基質(zhì)的混合料,纖維對AK213A型改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的改善作用要優(yōu)于AC220I型改性瀝青混合料。這是由于礦料級配越細(xì),細(xì)礦料比表面積越大,與瀝青及纖維的相互作用越強,瀝青混合料水穩(wěn)性的改善幅度就越大。

2、纖維瀝青混合料的力學(xué)性能研究

橋面鋪裝結(jié)構(gòu)層瀝青混凝土力學(xué)性能計算參數(shù),包括劈裂抗拉強度和抗壓回彈模量。本研究測得了揚州西北繞城高速公路橋面鋪裝上層及下層2種級配類型條件下,各鋪裝層材料的力學(xué)性能。

2.1瀝青混合料劈裂試驗

本試驗測定熱拌瀝青混合料在15℃下的劈裂抗拉強度和破壞勁度模量。

由試驗結(jié)果可以看出,在AK213A中摻加增強纖維,增加了瀝青混合料的劈裂抗拉強度。這主要是由于在劈裂的條件下,試件內(nèi)部呈受拉狀態(tài),試件的破壞主要是由于內(nèi)部的粘結(jié)力不足以抵抗外荷載的作用,而纖維增加了瀝青與礦料間的粘附性,提高了集料之間的粘結(jié)力,進而提高了瀝青混合料的抗劈裂能力。

同時,當(dāng)瀝青混合料中摻加增強纖維后,瀝青混合料的破壞勁度模量也有所增大。但破壞勁度模量增大速率較緩慢,說明纖維增強瀝青混合料具有更大變形能力(柔韌性),更能適應(yīng)橋面板的變形。

另外,纖維對普通瀝青混合料的增強作用較之改性瀝青混合料更為明顯。這主要是由于改性瀝青本身就具有較強的粘結(jié)性,纖維的作用無法充分體現(xiàn)。

2.2瀝青混合料單軸壓縮試驗

本文測定瀝青混合料在15℃條件下的抗壓強度和抗壓回彈模量。

試驗結(jié)果表明:

(1)鋪裝上層瀝青混合料的抗壓強度有了明顯提高,而抗壓回彈模量卻降低了,說明加入聚合物有機纖維后,瀝青混合料的柔韌性增加了;

(2)瀝青混合料中摻加纖維后,無論是普通瀝青混合料還是改性瀝青混合料,抗壓性能都有所改善,但對普通瀝青混合料抗壓性能的改善作用更明顯;

(3)纖維對AK213A型瀝青混合料抗壓性能的改善作用要優(yōu)于AC220I型瀝青混合料。

3、纖維瀝青混合料的應(yīng)用

3.1纖維瀝青混合料的施工

纖維瀝青混合料的施工須注意的是其拌和與碾壓。在本次施工中,纖維采用專用添加設(shè)備投入到瀝青混合料拌和機。為了保證纖維在瀝青混合料中分布均勻,同時避免干拌時間過長造成集料過多磨損,本研究對混合料進行了試拌:選擇干拌的時間分別為14s、17s及20s,觀察纖維在混合料中的拌和效果;對混合料做抽提試驗,驗證油石比、級配;比較不同拌和時間下集料中粒徑小于0.075mm的顆粒含量。通過試拌,得到了以下結(jié)論。

(1)通過觀測不同干拌時間下瀝青混合料外觀狀況,發(fā)現(xiàn)干拌時間為17s及20s的瀝青混合料中纖維分散均勻,未見纖維成團現(xiàn)象。在干拌時間為14s的瀝青混合料中,纖維分散比較均勻,偶見纖維粘連現(xiàn)象。

(2)通過抽提試驗,發(fā)現(xiàn)3種干拌時間下瀝青混合料中粒徑小于01075mm的顆粒含量均接近于設(shè)計中值,沒有因為干拌時間的增加而造成集料的過多磨損。3種干拌時間下的瀝青混合料中2.36mm顆粒含量與設(shè)計中值偏差較大,但也在要求的范圍內(nèi)。

試拌混合料各項體積指標(biāo)均能滿足我國規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求。通過目測纖維均勻度及抽提試驗,同時考慮到施工產(chǎn)量等因素,確定纖維AC-20混合料干拌時間為17s,濕拌時間與普通瀝青混合料濕拌時間相同。

考慮到纖維瀝青混凝土壓實比較困難,本研究在普通瀝青混凝土壓實方案的基礎(chǔ)上,增加20t膠輪壓路機復(fù)壓2遍的要求。

3.2纖維瀝青混合料質(zhì)量檢測

纖維瀝青混合料施工質(zhì)量檢測主要包括配合比檢測與馬歇爾試驗,以及現(xiàn)場的壓實度與滲水系數(shù)試驗。

混合料的配合比檢測主要是通過抽提試驗,測定混合料的級配和瀝青用量。測試結(jié)果表明,混合料級配未出現(xiàn)異常情況,油石比接近設(shè)計的最佳油石比。取樣保溫,到規(guī)定的馬歇爾成型溫度后成型馬歇爾試件,并檢測其穩(wěn)定度、流值、空隙率、飽和度等指標(biāo),結(jié)果各指標(biāo)都比較正常。

橋面鋪裝施工結(jié)束后,在橋面取芯,檢測鋪裝層的壓實度,同時進行滲水試驗,檢測滲水系數(shù)。從試驗結(jié)果看,現(xiàn)場取芯試樣按理論最大密度計算得到的壓實度平均值為94.8%,最小壓實度為94.1%,按馬歇爾密度計算得到的壓實度平均值為98.9%,皆滿足相應(yīng)技術(shù)要求。從滲水系數(shù)上看,揚州西北繞城高速公路橋面鋪裝下層12個點中有2個點的滲水系數(shù)超過50ml/min,其中一個點在路邊緣,一個點在2臺攤鋪機接縫的位置,都是瀝青混凝土路面攤鋪中不易被壓實的部位,需特別注意。進行橋面鋪裝上層纖維瀝青混合料鋪筑時,所有測點的滲水系數(shù)都不超過50ml/min。

4、結(jié)語

本文研究了纖維瀝青混合料的各項路用性能及力學(xué)性能,并針對揚州西北繞城高速公路橋面特點,考慮其施工及質(zhì)量檢測結(jié)果,得出以下結(jié)論。

(1)添加纖維能顯著提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能,有效增加了鋪裝層材料低溫時的柔韌性,改善了瀝青混合料的水穩(wěn)定性,適用于南方多雨、重載地區(qū)的高等級公路橋面鋪裝層。

(2)纖維瀝青混凝土力學(xué)性能的研究表明,在瀝青混合料中添加一定量的有機纖維,可有效增加混合料的整體性與柔韌性,提高其抗劈裂及抗壓縮強度。但其劈裂與抗壓模量增加緩慢,使纖維瀝青混合料適應(yīng)變形性能增強。

(3)結(jié)合揚州西北繞城高速公路橋面鋪裝,研究了纖維瀝青混合料的拌和及壓實工藝。從鋪筑效果來看:纖維瀝青混凝土路面級配合理,技術(shù)指標(biāo)滿足要求;路面壓實度在要求的范圍之內(nèi);路面滲水系數(shù)較小,路面密水性好。