基于双层组合试件承载能力分...模量沥青混凝土应用层位研究_彭飞.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 0 3收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 1第一作者:彭飞(1 9 8 4-),女,高级工程师,硕士。通信作者:孟会林(1 9 8 3-),男,高级工程师,硕士。*河北省交通运输厅科技项目(TH-2 0 1 9 2 3)资助基于双层组合试件承载能力分析的高模量沥青混凝土应用层位研究*彭 飞1 孟会林2,3 何 煦4 冯 琦5(1.河北交投智能交通技术有限责任公司 石家庄 0 5 0 0 6 6;2.河北省交通规划设计研究院有限公司 石家庄 0 5 0 0 9 1;3.公路建设与养护技术、材料及装备行业研发中心 石家庄 0 5 0 0 1 1;4.河北省公路事业发展中心 石家庄 0 5 0 0 3 1;5.中电建冀交高速公路投资发展有限公司 石家庄 0 5 0 0 9 0)摘 要 为探究高模量沥青混凝土在路面结构中的合理应用层位,采用万能材料试验机对比不同材料与厚度组合的双层试件的承载力,并基于承载力分析确定高模量沥青混凝土的适用层位。结果表明,沥青混合料的承载特性与其应用层位密切相关,高模量沥青混凝土用于路面下面层或中下面层,可更有效地发挥提升结构承载力的作用,而高模量沥青混凝土用于上面层或中面层,可显著改善结构的延性;厚度为1c m的高模量沥青混凝土在提升承载力方面的效果相当于约1.7c mS B S改性沥青或2.2c m橡胶改性沥青混凝土。关键词 道路工程 高模量沥青混凝土 组合试件 承载能力 应用层位中图分类号 U 4 1 6.2 高模量沥青混合料(HMA C)是指在1 5、1 0H z条件下采用梯形试件经两点弯曲试验测试得到动态模量不小于1 40 0 0MP a的沥青混合料,其概念来源于法国高模量沥青混凝土(EME),之后被英国、美国纳入永久性路面概念中,也是目前国内公认的先进路面材料1。HMA C的应用可以减小车辆荷载作用下路面沥青混凝土层的应变,达到提高路面抗车辙能力、减薄路面厚度和提高路面耐久性的目的2。近年来,国内对HMA C的设计及性能评价较为深入,实体工程中多将HMA C作为一种抗车辙材料应用,实践表明其对提升路面抗车辙能力确有显著作用3,但在高模量沥青混凝土合理应用层位方面的研究较少,且研究结论并不统一。何立等4基于有限元软件对沥青路面结构进行了疲劳寿命计算分析,建议高模量混凝土结构层设置在沥青路面的中面层,可以有效减小路面车辙深度,降低半刚性基层的层底拉应力,提高疲劳寿命。高语等5通过A B AQU S模拟路面在静载作用下的结构响应,以路表弯沉、压应力及剪应力为结构设计的重要控制指标,认为高模量沥青混凝土设置于中面层较好。陆青清等6从疲劳性能的角度分析认为,高模量沥青混凝土应用层位越低,对路面结构的抗疲劳性能越有利,3层沥青混凝土的路面结构中,高模量沥青混凝土的适用层位为下面层或中下面层。杨光等7分析了下面层材料的模量对路面结构力学状态的影响,结果认为,在半刚性沥青路面中,下面层使用高模量沥青混凝土可以改善路面的抗车辙和抗疲劳性能。本文采用万能材料试验机对双层沥青混凝土组合试件进行承载力测试,基于不同形式组合试件的破坏荷载及加载过程中的荷载-位移曲线对比,研究高模量沥青混凝土的合理应用层位,为高模量沥青路面结构设计提供参考。1 材料与试验方法1.1 原材料试验所用沥青胶结料包括S B S改性沥青、橡胶改性沥青、2 0号沥青及7 0号基质沥青。沥青胶结料检测技术指标见表1。表1 不同类型沥青胶结料技术指标技术指标S B S改性沥青橡胶改性沥青2 0号沥青7 0号沥青针入度/0.1mm4 9.74 5.21 7.56 5.5软化点/6 3.68 2.06 3.04 8.1黏度/(P as)1.4(1 3 5)2.8(1 8 0)1.8(1 3 5)0.5(1 3 5)T F O T后 残 留针入度比/%9 1.47 9.18 5.79 4.8 T F O T后 软 化点增长/-1.7-2.15.54.5 除上面层混合料的粗集料采用玄武岩外,其他所有矿料均为石灰岩材质,矿料的技术指标均满足规范要求。1.2 沥青混合料试验中采用了国内沥青路面上面层、中面层及下面层常用的混合料类型,具体信息见表2。表2 试验用混合料基本信息层位混合料类型胶结料类型油石比%空隙率/%VMA/%V F A/%动态模量/MP a上面层A C-1 3S B S改性沥青4.577 9 3S MA-1 3S B S改性沥青5.961 2 0A RHM-1 3橡胶改性沥青5.672 4 4中面层A C-2 0S B S改性沥青4.23.51 0.96 7.786 6 9A RHM-2 0橡胶改性沥青4.73.51 2.67 2.488 6 6HMA C-1 62 0号沥青4.81 61 7 0下面层A C-2 5 C7 0号沥青4.03.01 0.06 9.894 2 1HMA C-2 02 0号沥青4.53.21 1.37 1.31 88 8 4 表2中不同混合料的油石比根据实体工程确定,并对部分中、下面层混合料进行马歇尔击实试验,验证体积指标是否满足,从马歇尔验证结果可见,4种混合料的空隙率均在3.0%3.5%,相差不大,矿料间隙率略偏小,沥青饱和度均满足要求。此外,按照E N 1 2 6 9 7-2 6标准试验方法,对所有的混合料均进行了2 0、1 0H z条件下的动态模量测试,从数据可见,采用2 0号沥青的2种混合料均满足HMA C的指标要求。1.3 双层组合试件受试验条件限制,室内可成型的双层组合试件的最大厚度为1 5c m,参照河北常用路面结构厚度组合形式,中、下面层材料双层组合试件采用6c m中面层+9c m下面层的厚度组合,组合试件的层间采用乳化沥青进行黏结,乳化沥青洒布量按0.4L/m2控制。中、上面层材料双层组合试件采用4c m上面层+8c m中面层的厚度组合,根据河北的路面结构设计惯例,中、上面层层间采用S B S改性沥青防水黏结层进行黏结,改性沥青用量按1.6k g/m2控制。中、下面层及中、上面层双层组合试件的材料组合形式具体见表3。表3 双层试件材料组合形式中、下面层材料组合中、上面层材料组合6c mA C-2 0+9c mA C-2 5 C4c mA C-1 3+8c mA C-2 06c mA C-2 0+9c m HMA C-2 0 4c m S MA-1 3+8c mA RHM-2 0 6c m A RHM-2 0+9c m HMA C-2 0 4c m S MA-1 3+8c mHMA C-1 6 6c m HMA C-1 6+9c m HMA C-2 0 4c m A RHM-1 3+8c mHMA C-1 66c m HMA C-1 6+9c mA C-2 5 C 组合试件制件时先采用板型试件成型机压实成型下层板体,然后及时洒布层间黏结材料,破乳或冷却后再次压实成型上层板体。图1为层间乳化沥青破乳前后对比,图2为改性沥青防水黏结层洒布之后的效果,图3为双层试件成型后的效果。图1 层间乳化沥青破乳前后图2 改性沥青防水黏结层图3 双层试件成型后效果112 0 2 3年第1期彭 飞等:基于双层组合试件承载能力分析的高模量沥青混凝土应用层位研究1.4 试验方法首先采用板型试件成型机制备长6 0 0mm、宽4 0 0mm、厚1 5 0mm或1 2 0mm的组合板体,然后采用数控切割机切割为5片长4 0 0mm、厚6 5mm、高度为1 5 0mm或1 2 0mm的梁形试件,切割精度1mm,试件长度方向与碾压方向保持一致。为减小加载面不平整对试验结果的影响,除底面外,梁形试件的顶面及侧面均切割平整。采用万能材料试验机按位移控制模式进行加载,考虑到沥青混合料的黏、弹、塑性特征,加载速率不宜太大,本研究中控制为1mm/m i n,在此基础上进行连续加载,至荷载出现峰值并由峰值转为明显下降后停止加载,卸载速率为5 0mm/m i n。加载前试件在2 0的高低温试验箱中养护不少于5h,加载过程中环境温度同样控制在2 0。受室内试验条件限制,采用两端支撑的方式进行加载,暂不考虑模拟基层均匀支承对结果的影响,试件下部支撑的跨距均为3 7 5mm,加载点位于跨中。对每一种组合试件,均取不少于3片小梁进行破坏性加载,获取荷载随竖向加载位移的变化曲线,并得到试件的破坏强度及对应的竖向位移,切割好的双层组合试件及加载方式见图4。图4 双层组合试件承载力测试2 结果与讨论2.1 组合方式对承载力的影响图5为中、下面层5种不同材料组合的双层试件的最大承载力对比。图5 中、下面层材料双层组合试件承载力试验结果由图5可见:1)中面层材料相同,下面层采用HMA C-2 0混凝土等厚度代替A C-2 5 C混凝土后,组合试件最大承载力由30 4 1 N提 升 至71 5 5 N,提 高1 3 5.3%,HMA C-2 0混凝土对提升承载力的平均贡献能力为4 5 7.1N/c m。2)下面层为HMA C-2 0混凝土,中面层采用A RHM-2 0混凝土等厚度替代A C-2 0混凝土时,组合试件承载力略有提升,由71 5 5N提高至75 2 5N,提高5.2%。3)中面层采用HMA C-1 6混凝土等厚度替换A C-2 0混凝土,下面层采用HMA C-2 0混凝土等厚度替换A C-2 5 C混凝土时,组合试件最大承载力由30 4 1N提升至97 2 1N,提高2 1 9.7%。HMA C-1 6混凝土联合HMA C-2 0混凝土对提升承载力的平均贡献能力为4 6 0.7N/c m,与仅下面层采用HMA C-2 0混凝土时的承载力贡献能力一致。4)下面层采用A C-2 5 C混凝土,仅中面层采用HMA C-1 6混凝土等厚度替换A C-2 0混凝土时,组合试件最大承载力由30 4 1N提升至36 4 3N,提高1 9.8%,6c m HMA C-1 6混凝土对提升组合试件承载力的贡献能力为1 0 9.5N/c m。由以上分析可见,HMA C单独用于上层或下层,均可提升组合试件的最大承载力,下层采用HMA C替代常用的7 0号沥青混合料,组合试件的最大承 载 力 提 升1 0 0%以 上,上 下 层 均 采 用HMA C代替常用沥青混合料时,则组合试件的承载 力 提 升2 0 0%以 上。与 仅 用 于 上 层 对 比,HMA C单独用于下层或同时用于上、下层时其强度优势发挥更明显,对最大承载力提升的贡献能力可由1 0 9.5N/c m提高至约4 6 0N/c m。由此可见,沥青混合料的服役性能与其应用层位有关,HMA C用于下层或两层同时使用更有助于发挥其强度优势。2.2 厚度对承载力的影响图6为中、上面层材料共8种组合试件的承载力试 验 结 果,其 中 上 层 材 料 的 厚 度 均 约 为4c m,下层材料包括8c m与6c m2种厚度。图6 中、上面层材料不同厚度组合试件承载力对比对比图6承载力结果可见:1)厚度对组合试件的承载力具有显著影响,下层厚度减薄2c m后,A C-1 3+A C-2 0、S MA-1 321彭 飞等:基于双层组合试件承载能力分析的高模量沥青混凝土应用层位研究2 0 2 3年第1期+A RHM-2 0、S MA-1 3+HMA C-1 6及A RHM-1 3+HMA C-1 64种组合试件的最大承载力分别下降3 4.6%,2 4.3%,2 6.0%及2 6.4%。2)按照承载力下降幅度计算得到4种组合试件 的下层材料 对承载力的 影响程度分 别为2 3 8.5,1 8 1.0,3 5 9.5及4 5 0.0N/c m,其横向对比规律与4种组