沥青混合料力学实验探究及应用范文

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随着我国公路交通事业的发展,大跨径桥梁逐渐增多,铺装层的质量好坏和使用耐久性直接影响到行车的安全性、舒适性、桥梁的耐久性及投资效益。大跨径桥梁的桥面铺装,往往因为交通量大,没有替代的其他疏散道路而使得维护较为困难,所以,需要桥面铺装有较长的使用寿命。

为了适应现代交通对沥青混凝土桥面铺装提出的越来越高的要求,出现了诸如改性沥青SMA、环氧沥青混凝土、沥青玛碲脂混合料、浇注式沥青混凝土等桥面铺装材料和技术[1～4]。虽然它们具有较好的性能,但或者需要采用特殊设备,或者是有一定的施工难度,或者造价比较高,一时还难以大面积推广。针对扬州西北绕城高速公路的具体工程情况,本文选择了纤维沥青混合料作为桥面铺装材料[5]。

1、纤维沥青混合料的路用性能研究

本研究首先通过扬州西北绕城高速公路桥面铺装上层及下层2种级配类型沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性等路用性能试验[6],来综合评价沥青混合料的各项性能以及纤维的增强作用。

1.1沥青混合料的高温稳定性试验

由于沥青混凝土路面的强度和刚度(模量)随温度升高而显著下降,为了保证沥青混凝土铺装层在高温季节行车荷载反复作用下,不至于产生诸如波浪、推移、车辙和拥包等病害,铺装层应具有良好的高温稳定性,即在荷载的作用下具有抵抗永久变形的能力。车辙试验因能较好地反映车辙的形成过程,得到世界各国的广泛认可与采用,本研究即采用车辙试验来评价纤维沥青混凝土的高温抗车辙能力,试验结果。

试验结果表明:加入纤维后,沥青混合料的抗车辙性能得到改善。这是因为车辙的形成主要是由于试验初期沥青混合料本身的压密,以及随后沥青混合料的侧向流动变形。加入纤维与未加纤维对混合料的初期压密变形影响不大,但是对后期的侧向流动变形有较大的影响。加入纤维后,纤维吸附及稳定沥青,使沥青的粘稠度和粘聚力增大,同时由于纵横交错的纤维加筋作用,使沥青混合料的整体性、抗剪性及抗车辙能力增强。从动稳定度结果可以看出,纤维可显著改善沥青混合料的高温抗车辙性能。

1.2沥青混合料低温性能试验

沥青混合料是一种温度敏感性材料,环境温度的变化会使其使用性能发生很大的变化。随着温度的降低,沥青混合料的强度和劲度都会明显增大,但其变形能力却会显著下降,并可能会出现脆性破坏。

低温主要是影响沥青混合料的抗拉强度和变形能力,从而造成沥青混合料的低温开裂。本研究通过试验测定沥青混合料在-10℃时弯曲破坏的力学性质来评价沥青混合料的低温抗裂性能。

从试验结果可以看出,纤维的加入有效地提高了铺装层材料低温时的柔韧性,这样使得铺装层在低温季节能更好地适应桥面板的变形,减少在低温季节容易出现的桥面温缩裂缝和疲劳裂缝。这对于改善桥面铺装低温时的使用性能具有重要意义。

1.3沥青混合料水稳定性试验

沥青混凝土铺装层中若有水分存在,则在汽车车轮动态荷载的作用下,进入路面空隙中的水会不断产生动水压力及真空负压抽吸的反复循环作用,使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力。继而,沥青膜从集料表面脱落,沥青混合料出现掉粒、松散,形成沥青混凝土路面的坑槽、松散等损坏现象。因而,必须重视沥青混合料自身抗水损坏能力的好坏。

本文首先进行了浸水马歇尔试验,结果表明不同级配、不同沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度都远远高于规范要求。虽然该试验方法操作比较简单,但不能较好地反映实际沥青混凝土路面早期的水损情况。为了更有效地评价沥青混合料的水稳定性能,本研究又进行了冻融劈裂试验。

试验结果表明,加入纤维对沥青混合料的水稳性有改善作用,且纤维对普通沥青混合料的改善作用相对较大。这主要是因为纤维可以吸附部分沥青,从而增大沥青用量,提高沥青饱和度;并且使粘附在矿料上的结构沥青膜变厚,降低了水对沥青胶浆的侵蚀破坏作用,增强了沥青胶浆抵抗自然环境破坏的能力,使混合料抗水损害能力增强。而改性沥青混合料本身就具有较强的水稳定性,所以,纤维对其的改善作用并不明显。

另外,对于采用相同沥青基质的混合料,纤维对AK213A型改性沥青混合料水稳定性的改善作用要优于AC220I型改性沥青混合料。这是由于矿料级配越细,细矿料比表面积越大,与沥青及纤维的相互作用越强,沥青混合料水稳性的改善幅度就越大。

2、纤维沥青混合料的力学性能研究

桥面铺装结构层沥青混凝土力学性能计算参数,包括劈裂抗拉强度和抗压回弹模量。本研究测得了扬州西北绕城高速公路桥面铺装上层及下层2种级配类型条件下,各铺装层材料的力学性能。

2.1沥青混合料劈裂试验

本试验测定热拌沥青混合料在15℃下的劈裂抗拉强度和破坏劲度模量。

由试验结果可以看出,在AK213A中掺加增强纤维,增加了沥青混合料的劈裂抗拉强度。这主要是由于在劈裂的条件下,试件内部呈受拉状态,试件的破坏主要是由于内部的粘结力不足以抵抗外荷载的作用,而纤维增加了沥青与矿料间的粘附性,提高了集料之间的粘结力,进而提高了沥青混合料的抗劈裂能力。

同时,当沥青混合料中掺加增强纤维后,沥青混合料的破坏劲度模量也有所增大。但破坏劲度模量增大速率较缓慢,说明纤维增强沥青混合料具有更大变形能力(柔韧性),更能适应桥面板的变形。

另外,纤维对普通沥青混合料的增强作用较之改性沥青混合料更为明显。这主要是由于改性沥青本身就具有较强的粘结性,纤维的作用无法充分体现。

2.2沥青混合料单轴压缩试验

本文测定沥青混合料在15℃条件下的抗压强度和抗压回弹模量。

试验结果表明:

(1)铺装上层沥青混合料的抗压强度有了明显提高,而抗压回弹模量却降低了,说明加入聚合物有机纤维后,沥青混合料的柔韧性增加了;

(2)沥青混合料中掺加纤维后,无论是普通沥青混合料还是改性沥青混合料,抗压性能都有所改善,但对普通沥青混合料抗压性能的改善作用更明显;

(3)纤维对AK213A型沥青混合料抗压性能的改善作用要优于AC220I型沥青混合料。

3、纤维沥青混合料的应用

3.1纤维沥青混合料的施工

纤维沥青混合料的施工须注意的是其拌和与碾压。在本次施工中,纤维采用专用添加设备投入到沥青混合料拌和机。为了保证纤维在沥青混合料中分布均匀,同时避免干拌时间过长造成集料过多磨损,本研究对混合料进行了试拌:选择干拌的时间分别为14s、17s及20s,观察纤维在混合料中的拌和效果;对混合料做抽提试验,验证油石比、级配;比较不同拌和时间下集料中粒径小于0.075mm的颗粒含量。通过试拌,得到了以下结论。

(1)通过观测不同干拌时间下沥青混合料外观状况,发现干拌时间为17s及20s的沥青混合料中纤维分散均匀,未见纤维成团现象。在干拌时间为14s的沥青混合料中,纤维分散比较均匀,偶见纤维粘连现象。

(2)通过抽提试验,发现3种干拌时间下沥青混合料中粒径小于01075mm的颗粒含量均接近于设计中值,没有因为干拌时间的增加而造成集料的过多磨损。3种干拌时间下的沥青混合料中2.36mm颗粒含量与设计中值偏差较大,但也在要求的范围内。

试拌混合料各项体积指标均能满足我国规范规定的技术要求。通过目测纤维均匀度及抽提试验,同时考虑到施工产量等因素,确定纤维AC-20混合料干拌时间为17s,湿拌时间与普通沥青混合料湿拌时间相同。

考虑到纤维沥青混凝土压实比较困难,本研究在普通沥青混凝土压实方案的基础上,增加20t胶轮压路机复压2遍的要求。

3.2纤维沥青混合料质量检测

纤维沥青混合料施工质量检测主要包括配合比检测与马歇尔试验,以及现场的压实度与渗水系数试验。

混合料的配合比检测主要是通过抽提试验,测定混合料的级配和沥青用量。测试结果表明,混合料级配未出现异常情况,油石比接近设计的最佳油石比。取样保温,到规定的马歇尔成型温度后成型马歇尔试件,并检测其稳定度、流值、空隙率、饱和度等指标,结果各指标都比较正常。

桥面铺装施工结束后,在桥面取芯,检测铺装层的压实度,同时进行渗水试验,检测渗水系数。从试验结果看,现场取芯试样按理论最大密度计算得到的压实度平均值为94.8%,最小压实度为94.1%,按马歇尔密度计算得到的压实度平均值为98.9%,皆满足相应技术要求。从渗水系数上看,扬州西北绕城高速公路桥面铺装下层12个点中有2个点的渗水系数超过50ml/min,其中一个点在路边缘,一个点在2台摊铺机接缝的位置,都是沥青混凝土路面摊铺中不易被压实的部位,需特别注意。进行桥面铺装上层纤维沥青混合料铺筑时,所有测点的渗水系数都不超过50ml/min。

4、结语

本文研究了纤维沥青混合料的各项路用性能及力学性能,并针对扬州西北绕城高速公路桥面特点,考虑其施工及质量检测结果,得出以下结论。

(1)添加纤维能显著提高沥青混合料的高温抗车辙性能,有效增加了铺装层材料低温时的柔韧性,改善了沥青混合料的水稳定性,适用于南方多雨、重载地区的高等级公路桥面铺装层。

(2)纤维沥青混凝土力学性能的研究表明,在沥青混合料中添加一定量的有机纤维,可有效增加混合料的整体性与柔韧性,提高其抗劈裂及抗压缩强度。但其劈裂与抗压模量增加缓慢,使纤维沥青混合料适应变形性能增强。

(3)结合扬州西北绕城高速公路桥面铺装,研究了纤维沥青混合料的拌和及压实工艺。从铺筑效果来看:纤维沥青混凝土路面级配合理,技术指标满足要求;路面压实度在要求的范围之内;路面渗水系数较小,路面密水性好。