付其林, 魏建國(guó), 周興壯

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖南 長(zhǎng)沙 410114; 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

開(kāi)級(jí)配大粒徑瀝青碎石(open-graded large stone asphalt mixes,OLSM)是指集料公稱(chēng)最大粒徑在25～63mm之間,具有嵌擠骨架-空隙型結(jié)構(gòu)的熱拌瀝青混合料.由于OLSM具有較好的延緩反射裂縫的作用,在半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)和舊水泥路面加鋪改造中得到了廣泛應(yīng)用[1-3].然而,OLSM在使用過(guò)程中受到低溫氣候的影響,容易產(chǎn)生裂縫,致使雨水從裂縫滲入,加速了瀝青路面的損壞[4-5].瀝青混合料低溫性能對(duì)瀝青路面的使用壽命有重要影響,許多道路工作者對(duì)其進(jìn)行了研究[6-8].如Zhang等[9]研究表明,材料組成對(duì)瀝青混合料低溫性能影響顯著.王國(guó)忠等[10]發(fā)現(xiàn),大粒徑瀝青混合料低溫性能低于普通瀝青混合料,通過(guò)優(yōu)化級(jí)配可以改善其低溫性能.熊子佳等[11]研究表明,開(kāi)級(jí)配瀝青混合料低溫性能低于密級(jí)配瀝青混合料,采用高黏度瀝青可以改善其低溫性能.考慮到集料粒徑的影響,可以采用劈裂試驗(yàn)和半圓彎抗(SCB)試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)大粒徑瀝青混合料的低溫性能,但該方法缺乏相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[12-13].由此可見(jiàn),目前針對(duì)集料粒徑大、空隙率大的OLSM低溫性能的研究不足.本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)的方法,分析小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)OLSM低溫性能的適用性,提出OLSM低溫性能評(píng)價(jià)方法,研究集料級(jí)配、瀝青標(biāo)號(hào)、瀝青膠漿膜厚度、粉膠比(質(zhì)量比，文中涉及的粉膠比、摻量等除特別

說(shuō)明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或者質(zhì)量比)和水泥代替礦粉量等因素對(duì)其低溫性能的影響,為其推廣應(yīng)用提供理論依據(jù).

1 原材料技術(shù)特性

1.1 瀝青

瀝青為70#道路石油基質(zhì)瀝青,其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

粗集料(CA)和細(xì)集料(FA)均為石灰?guī)r碎石,礦粉(MP)為石灰?guī)r石粉,其主要物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2.

1.3 集料級(jí)配

為對(duì)比分析OLSM低溫性能,設(shè)計(jì)了5種集料級(jí)配，見(jiàn)表3.

表2 集料的物理性能指標(biāo)

表3 集料級(jí)配

2 OLSM低溫性能評(píng)價(jià)方法

2.1 截面尺寸的確定

為了評(píng)價(jià)OLSM低溫性能,將1#、2#、3#OLSM-25級(jí)配與AC-13中值、AC-16中值、AC-20中值級(jí)配的瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn).成型尺寸為300mm×300mm×100mm的車(chē)轍試樣,并制成4種截面尺寸的小梁試件;采用MTS材料試驗(yàn)機(jī),在溫度為-10℃,跨徑為200mm的條件下,進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn).6種級(jí)配,每種級(jí)配4種截面尺寸試件的彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 6種級(jí)配試件在不同截面尺寸下的彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知：

(1)隨著小梁試件截面尺寸的增加,3種級(jí)配OLSM的最大彎拉強(qiáng)度大幅度提高,而AC-13、AC-16和AC-20的最大彎拉強(qiáng)度基本保持不變.當(dāng)試件截面尺寸為30mm×35mm時(shí),3種級(jí)配OLSM彎拉強(qiáng)度和應(yīng)變的變異系數(shù)(CV)較大,分別超過(guò)了極限值10%和20%;AC-13、AC-16和AC-20彎拉強(qiáng)度和應(yīng)變的變異系數(shù)較小.這主要是因?yàn)?OLSM集料粒徑大,增加了試件截面單集料的幾率,較大的空隙率也增加了試件從空隙處斷裂的幾率.這說(shuō)明,標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸30mm×35mm下OLSM彎曲試驗(yàn)結(jié)果離散性較大,未能真實(shí)反映其低溫受力特性.

(2)3種級(jí)配OLSM最大彎拉強(qiáng)度和撓度隨著小梁試件截面尺寸的增加而增大;當(dāng)截面尺寸超過(guò)50mm×55mm后,OLSM最大彎拉強(qiáng)度和撓度增大幅度較小.隨著小梁試件截面尺寸的增加,OLSM彎拉強(qiáng)度和應(yīng)變的變異系數(shù)均逐漸降低,且當(dāng)截面尺寸超過(guò)50mm×55mm時(shí),其變異系數(shù)小于極限值10%和20%,接近AC的變異系數(shù).這說(shuō)明,50mm×55mm截面尺寸下彎曲試驗(yàn)結(jié)果離散性較小,能夠真實(shí)反映OLSM-25低溫受力特性.

(3)隨著試件截面尺寸的增加,6種級(jí)配的最大彎拉應(yīng)變呈急劇增大趨勢(shì);50mm×55mm截面尺寸OLSM最大彎拉應(yīng)變比30mm×35mm截面尺寸的增大了2倍左右,50mm×55mm截面尺寸AC最大彎拉應(yīng)變比30mm×35mm的增大了1倍左右.這說(shuō)明,試件截面尺寸的增加改變了瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變測(cè)定值.

由材料力學(xué)可知：

RB=3LPB/2bh2

(1)

d=PBL3/48EI

(2)

I=1/12·bh3

(3)

由式(1)～(3)可得：

d=RBL2/6Eh

(4)

εB=6dh/L2

(5)

式中：RB為彎拉強(qiáng)度,MPa;L為試件跨徑,m;PB為試件最大荷載,N;b為試件寬度,m;h為試件高度,m;d為撓度,mm;E為彎拉彈性模量,MPa;I為慣性矩,m4;εB為最大彎拉應(yīng)變,μm/m.

同種材料彎拉強(qiáng)度RB理論上是一定值,表4中不同試件截面尺寸下AC的RB不變,說(shuō)明AC彎拉強(qiáng)度RB測(cè)試結(jié)果符合理論值,數(shù)據(jù)可靠.由式(4)可知,其他參數(shù)為定值時(shí),撓度d隨著試件高度的增加而降低,這與測(cè)試結(jié)果相反.這是因?yàn)?材料力學(xué)假定小梁試件為彈性體,設(shè)定試件底部受拉開(kāi)裂瞬間視為斷裂;實(shí)際上,試件底部開(kāi)裂后,裂縫延伸一段距離后才會(huì)斷裂.隨著裂縫的擴(kuò)展,試件截面尺寸逐漸減小,造成測(cè)得的撓度d比實(shí)際值大,抗拉彈性模量E減小,慣性矩I減小.因此,試件高度越大,其破壞時(shí)裂縫擴(kuò)展得越深,撓度d隨試件高度的增加而偏大.由式(5)可知,最大彎拉應(yīng)變計(jì)算值比實(shí)際值偏大.

2.2 試驗(yàn)跨徑的確定

增大小梁彎曲試驗(yàn)的跨徑,使小梁破壞接近假定的瞬間斷裂模型.輪碾成型車(chē)轍板長(zhǎng)度為300mm,且邊緣壓不實(shí),切制成小梁試件有效長(zhǎng)度為280mm;考慮彎曲試驗(yàn)時(shí)小梁兩端超過(guò)支撐點(diǎn)10mm以上,因此試驗(yàn)最大跨徑為260mm.在試件截面尺寸為50mm×55mm,溫度為-10℃的條件下進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn).6種級(jí)配4種跨徑試件的彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.

表5 6種級(jí)配試件在不同跨徑下的彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知,隨著跨徑的增加,6種級(jí)配試件的最大彎拉強(qiáng)度基本保持不變,這表明跨徑對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果基本沒(méi)有影響.隨著跨徑的增加,6種級(jí)配試件的最大彎拉應(yīng)變逐漸減小,這表明跨徑對(duì)瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變測(cè)試結(jié)果影響顯著.這是因?yàn)?跨徑增加有利于小梁破壞模式由裂縫擴(kuò)展到瞬間破壞,更加接近假定的瞬間斷裂模型,表現(xiàn)為彎拉勁度模量的逐漸增加.這說(shuō)明,增加小梁跨徑的彎曲試驗(yàn)結(jié)果更能真實(shí)反映小梁低溫受力特性.

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)的修正

為了分析截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm的改進(jìn)彎曲試驗(yàn)與截面尺寸為30mm×35mm、跨徑為200mm的標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫性能的一致性,分別對(duì)AC-13、AC-16和AC-20級(jí)配上限(U)、級(jí)配中值(M)、級(jí)配下限(L)進(jìn)行改進(jìn)和標(biāo)準(zhǔn)2種彎曲試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖1.由圖1可知：改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變與標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)的結(jié)果不一致,改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下最大彎拉應(yīng)變比標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)大.這主要是因?yàn)?受小梁試件長(zhǎng)度的限制,改進(jìn)彎曲試驗(yàn)跨徑增大未能與小梁截面增大成比例.為了使改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下最大彎拉應(yīng)變與標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)的具有一致性,對(duì)圖1中不同集料粒徑的瀝青混合料2種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸,建立了不同集料粒徑的改進(jìn)彎曲試驗(yàn)最大彎拉應(yīng)變修正關(guān)系式,見(jiàn)圖2.

圖1 2種試驗(yàn)條件下不同級(jí)配的最大彎拉應(yīng)變Fig.1 Maximum bending strain of different gradations under two test conditions

圖2 改進(jìn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果修正關(guān)系Fig.2 Correction value of improved bending test

由此,可以得到公稱(chēng)最大粒徑26.5mm的改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下最大彎拉應(yīng)變修正系數(shù)0.5471.

3 OLSM低溫性能及影響因素

3.1 集料級(jí)配的影響

分形維數(shù)能夠較好地表征集料的分布特征,采用分形維數(shù)表征設(shè)計(jì)的5種OLSM集料級(jí)配(見(jiàn)表3).在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進(jìn)行改進(jìn)小梁彎曲試驗(yàn).不同分形維數(shù)與空隙率OLSM的最大彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3、4.

圖3 分形維數(shù)對(duì)OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.3 Effect of fractal dimension on maximum bending strain of OLSM

圖4 空隙率對(duì)OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.4 Effect of porosity on maximum bending strain of OLSM

由圖3可知：隨著分形維數(shù)的增大,改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變先提高后降低,表明集料級(jí)配對(duì)OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大.因此,對(duì)改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下最大彎拉應(yīng)變進(jìn)行修正,以便評(píng)價(jià)其在標(biāo)準(zhǔn)彎曲試驗(yàn)下的低溫性能.由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,當(dāng)分形維數(shù)為2.41～2.44時(shí)其最大彎拉應(yīng)變大于2.0mm/m,具有良好的低溫性能.這主要是因?yàn)?隨著分形維數(shù)的增加,OLSM空隙率逐漸增大(見(jiàn)圖4),隨著OLSM空隙率的增大,其模量減小有利于提高其變形性能;當(dāng)分形維數(shù)過(guò)大時(shí),OLSM空隙率過(guò)大、集料得不到有效黏結(jié),強(qiáng)度不足,從而降低了變形性能.這說(shuō)明,集料級(jí)配對(duì)OLSM低溫性能影響顯著,且當(dāng)分形維數(shù)為2.41～2.44時(shí),其低溫性能較好.

3.2 瀝青種類(lèi)的影響

基于設(shè)計(jì)的2#集料級(jí)配,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進(jìn)行改進(jìn)小梁彎曲試驗(yàn),不同瀝青標(biāo)號(hào)OLSM的最大彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5.

圖5 瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.5 Effect of asphalt grade on maximum bending strain of OLSM

由圖5可知,隨著瀝青標(biāo)號(hào)的增大,改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變逐漸降低,70#瀝青OLSM最大彎拉應(yīng)變下降不顯著,90#和110#瀝青OLSM最大彎拉應(yīng)變下降顯著,表明瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大,對(duì)改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下最大彎拉應(yīng)變進(jìn)行修正;由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,50#和70#瀝青OLSM低溫性能較好.這主要是因?yàn)?隨著瀝青標(biāo)號(hào)的增加,瀝青與礦粉形成的瀝青膠漿黏稠度降低,瀝青膠漿黏稠度降低,表現(xiàn)為OLSM抗變形強(qiáng)度下降;另外,瀝青膠漿黏稠度降低在OLSM試件成型過(guò)程中引起較多膠漿進(jìn)入空隙,起到黏結(jié)作用的瀝青膠漿相對(duì)減少,也表現(xiàn)為OLSM抗變形強(qiáng)度下降.這說(shuō)明,瀝青標(biāo)號(hào)對(duì)OLSM低溫性能影響顯著,50#與70#瀝青OLSM低溫性能較好.

3.3 膠漿膜厚度的影響

圖6 膠漿膜厚度對(duì)OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.6 Effect of film thickness of mortar on maximum bending strain of OLSM

基于設(shè)計(jì)的2#集料級(jí)配,粉膠比為1.0,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進(jìn)行改進(jìn)小梁彎曲試驗(yàn).不同瀝青膠漿膜厚度OLSM的最大彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6.由圖6可知,隨著瀝青膠漿膜厚度的增大,改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變逐漸提高,膠漿膜厚度大于50μm后,其最大彎拉應(yīng)變提高幅度很小,表明膠漿膜厚度對(duì)OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大,對(duì)改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下最大彎拉應(yīng)變進(jìn)行修正;由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,膠漿膜厚度大于48μm的OLSM低溫性能較好.這是因?yàn)?增多的瀝青膠漿起到潤(rùn)滑作用,有利于提高瀝青混合料的變形性能,表現(xiàn)為OLSM低溫性能提高;當(dāng)瀝青膠漿過(guò)多時(shí),部分膠漿填充混合料結(jié)構(gòu)的空隙,從而進(jìn)一步提高潤(rùn)滑作用有限.這說(shuō)明,膠漿膜厚度對(duì)OLSM低溫性能影響顯著,適當(dāng)增大膠漿膜厚度可以有效提高其低溫性能,但厚度超過(guò)50μm 后再增大膠漿膜對(duì)提高其低溫性能效果不明顯.

3.4 粉膠比的影響

基于設(shè)計(jì)的2#集料級(jí)配,瀝青膠漿膜厚度50μm,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進(jìn)行改進(jìn)小梁彎曲試驗(yàn).不同粉膠比OLSM的最大彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7.

圖7 粉膠比對(duì)OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.7 Effect of ratio of filler to bitumen on maximum bending strain of OLSM

由圖7可知,隨著粉膠比的增大,改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變先提高后降低,表明粉膠比對(duì)OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大,因此對(duì)改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下最大彎拉應(yīng)變進(jìn)行修正;由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,當(dāng)粉膠比為1.0～1.2時(shí),其最大彎拉應(yīng)變大于2.0mm/m.這是因?yàn)?隨著粉膠比的增大,瀝青膠漿的黏度逐漸增加,從而提高了OLSM的變形性能;當(dāng)粉膠比過(guò)大時(shí),瀝青膠漿的黏度降低,黏度不足限制了其變形性能.這說(shuō)明,粉膠比對(duì)OLSM低溫性能影響顯著,且粉膠比為1.0～1.2時(shí)其低溫性能較好.

3.5 水泥代替礦粉量的影響

基于設(shè)計(jì)的2#集料級(jí)配,在試件截面尺寸為50mm×55mm、跨徑為260mm和溫度為-10℃的條件下進(jìn)行改進(jìn)小梁彎曲試驗(yàn).不同水泥代替礦粉量OLSM的最大彎拉應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8.

圖8 水泥代替礦粉量對(duì)OLSM最大彎拉應(yīng)變的影響Fig.8 Effect of cement substitution quantity on maximum bending strain of OLSM

由圖8可知,隨著水泥代替礦粉量的增大,改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變先提高后降低,表明水泥代替礦粉量對(duì)OLSM低溫性能影響顯著.從數(shù)值上看,未修正改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下OLSM最大彎拉應(yīng)變均異常偏大,因此對(duì)改進(jìn)彎曲試驗(yàn)下最大彎拉應(yīng)變進(jìn)行修正;由修正后OLSM最大彎拉應(yīng)變可知,當(dāng)代替量小于40%時(shí)，其最大彎拉應(yīng)變大于2.0mm/m.這是因?yàn)?水泥比表面積比礦粉大,隨著水泥代替礦粉量的增大,礦質(zhì)混合料的比表面積增大,相應(yīng)瀝青膠漿稠度增加,黏度增加,從而提高了OLSM變形性能;當(dāng)水泥代替礦粉量過(guò)大時(shí),瀝青膠漿稠度過(guò)大,黏度變小,致使其變形性能弱化.因此,水泥代替礦粉量對(duì)OLSM低溫性能影響顯著,且當(dāng)代替量小于40%時(shí)其低溫性能良好.

4 結(jié)論

(1)試件截面尺寸對(duì)小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果影響顯著,標(biāo)準(zhǔn)截面尺寸(30mm×35mm)下小梁彎曲試驗(yàn)未能真實(shí)反映OLSM低溫受力特性,試件截面尺寸為50mm×55mm的小梁彎曲試驗(yàn)適用于評(píng)價(jià)OLSM低溫性能.

(2)跨徑對(duì)小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果影響顯著,增大跨徑有利于真實(shí)反映OLSM低溫受力特性,跨徑為260mm的小梁彎曲試驗(yàn)適用于評(píng)價(jià)OLSM低溫性能,并建立了改進(jìn)小梁彎曲試驗(yàn)下OLSM低溫性能修正關(guān)系.

(3)集料組成對(duì)OLSM低溫性能影響顯著,隨著分形維數(shù)和水泥代替礦粉量的增大,其低溫性能先提高后降低.當(dāng)分形維數(shù)為2.41～2.44和水泥代替礦粉量不超過(guò)40%時(shí),其低溫性能較好.

(4)瀝青膠漿組成對(duì)OLSM低溫性能影響顯著,隨著瀝青標(biāo)號(hào)的增加,其低溫性能降低,50#與70#瀝青的OLSM低溫性能較好;適當(dāng)增大膠漿膜厚度可以有效提高其低溫性能,但厚度超過(guò)50μm后效果不明顯;隨著粉膠比的增加其低溫性能先提高后降低,當(dāng)粉膠比為1.0～1.2時(shí),其低溫性能較好.