2018, Vol. 35扩展功能
文章信息
- 张海涛, 武健, 丁卫
- ZHANG Hai-tao, WU Jian, DING Wei
- 连续摊铺与间断摊铺沥青混合料劈裂强度与温度的关系
- Relationship between Split Strength and Temperature of Continuous/Discontinuous Paved Asphalt Mixture
- 公路交通科技, 2018, 35(9): 1-8
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2018, 35(9): 1-8
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2018.09.001
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文章历史
- 收稿日期: 2017-06-30
沥青混合料连续摊铺是一种新的施工方法，它是将沥青路面上下两种不同级配的沥青混合料同时摊铺与压实。与间断摊铺相比，连续摊铺可以使上下两层形成整体结构，既达到了良好的层间联结效果，又节省了黏层油，减少了成本。两层同时摊铺压实，不仅缩短了施工时间，加快了施工进度，而且保证了施工温度，使压实更充分[1-2]。
交通量不断增大，沥青路面损害越来越严重，道路使用年限降低，说明传统的沥青混合料路面施工方法已经不能满足现代道路的需求，可以考虑通过改变施工工艺来提高沥青路面的使用性能[3-7]。本研究在模拟现场摊铺方式的基础上，采用两种不同级配组合方式，通过室内劈裂试验，研究不同加载速率下，连续与间断摊铺沥青混合料劈裂强度随温度变化的规律。
1 试验方案 1.1 试验材料试验采用90#基质沥青，技术指标如表 1所示。采用AC-13，AC-16，AC-20这3种沥青混合料，材料试验结果如表 2所示，集料级配如表 3所示。通过马歇尔试验设计混合料最佳沥青用量为5.4%，5.0%，4.4%。
| 技术指标 | 技术要求 | 检测结果 | 试验方法 |
| 针入度(25 ℃, 5 s, 100 g)/(0.1 mm) | 80~100 | 93 | T0604 |
| 针入度指数 | -1.5~+1.0 | -0.77 | T0604 |
| 软化点(T&B)/℃ | 43 | 44.5 | T0606 |
| 10 ℃延度/cm | 45 | 90.7 | T0605 |
| 15 ℃延度/cm | 100 | >100 | T0605 |
| 60 ℃动力黏度/(Pa·s) | 160 | 198 | T0620 |
| 技术指标 | 测试结果 | 规范要求 | 试验方法 | |
| 粗集料 | 洛杉矶磨耗值/% | 24 | ≤28 | T0317 |
| 压碎值/% | 12.3 | ≤28 | T0316 | |
| 对沥青的黏附性 | 5级 | >4级 | T0616 | |
| 针片状含量/% | 14.7 | ≤15.0 | T0312 | |
| 含泥量/% | 0.4 | ≤1 | T0333 | |
| 吸水率/% | 0.4 | ≤2.0 | T0307 | |
| 细集料 | 含泥量/% | 1.9 | ≤3 | T0333 |
| 砂当量/% | 68 | ≥60 | T0334 | |
| 矿粉 | 含水量/% | 0.5 | ≤1 | T0332 |
| 亲水系数 | 0.6 | ≤1 | T0353 |
| 沥青混合料 | 各筛孔(mm)通过质量百分率/% | |||||||||||
| 0.075 | 0.15 | 0.3 | 0.6 | 1.18 | 2.36 | 4.75 | 9.5 | 13.2 | 16 | 19 | 23.6 | |
| AC-13 | 6 | 10 | 13.5 | 19 | 26.5 | 37 | 53 | 76.5 | 95 | 100 | — | — |
| AC-16 | 6 | 9.5 | 12.5 | 17.5 | 24.5 | 34 | 48 | 70 | 84 | 95 | 100 | — |
| AC-20 | 6 | 10 | 15 | 21 | 27 | 37 | 48 | 62 | 71 | 82.5 | 95 | 100 |
1.2 试验方法
(1) 制作试件
采用双层马歇尔试件，设计击实后的试件高度为上层50 mm/下层50 mm。击实(2×75次)后标准马歇尔试件的高度为63.5 mm，直径为101.6 mm，因此，采用击实后的体积换算系数(63.5/50=1.27)得到上/下层马歇尔试件用量参数。不同混合料松铺系数对上下层厚度有一定的影响，但认为不影响层间接触的对比试验。具体的集料级配换算结果如表 4所示。
| 级配/ mm |
标准级配/g | 试验级配/g | |||||
| AC-13 | AC-16 | AC-20 | AC-13 | AC-16 | AC-20 | ||
| 19 | — | — | 59.39 | — | — | 46.76 | |
| 16 | — | 59.16 | 148.47 | — | 46.58 | 116.91 | |
| 13.2 | 58.82 | 130.15 | 136.59 | 46.31 | 102.48 | 107.55 | |
| 9.5 | 217.65 | 165.65 | 106.90 | 171.38 | 130.43 | 84.17 | |
| 4.75 | 276.47 | 260.31 | 166.28 | 217.69 | 204.97 | 130.93 | |
| 2.36 | 188.24 | 165.65 | 130.65 | 148.22 | 130.43 | 102.87 | |
| 1.18 | 123.53 | 112.40 | 118.77 | 97.27 | 88.50 | 93.52 | |
| 0.6 | 88.24 | 82.82 | 71.26 | 69.48 | 65.21 | 56.11 | |
| 0.3 | 64.71 | 59.16 | 71.26 | 50.95 | 46.58 | 56.11 | |
| 0.15 | 41.18 | 35.50 | 59.39 | 32.43 | 27.95 | 46.76 | |
| 0.075 | 47.06 | 41.41 | 47.51 | 37.06 | 32.61 | 37.41 | |
| 矿粉 | 70.59 | 70.99 | 71.26 | 55.58 | 55.90 | 56.11 | |
| 沥青 | 63.53 | 56.79 | 52.26 | 50.02 | 44.72 | 41.15 | |
为了更加准确地测试和对比连续与间断摊铺沥青混合料的劈裂强度，试验按照现场施工的方式制作双层马歇尔试件[8-12]，上层AC-13/下层AC-16或上层AC-16/下层AC-20两种形式。现行规范的间断摊铺层间需要洒布黏层油，但是连续摊铺层间不洒布黏层油，为了在相同条件下对比两种不同摊铺方式的差异，间断摊铺层间不做黏结处理。
模拟连续摊铺施工工艺时，两台沥青混合料搅拌机同时搅拌，先将拌和好的下层AC-16(或AC-20)沥青混合料装入试模中，然后将上表面铲平，再装入拌和好的上层AC-13(或AC-16)沥青混合料，最后上层击实2×75次；模拟间断摊铺施工工艺时，采用1台沥青混合料搅拌机即可，先将拌和好的下层AC-16(或AC-20)沥青混合料装入试模中，击实75次，冷却到室温，然后再将拌和好的上层AC-13(或AC-16)沥青混合料装入击实一面的上层后，再击实75次。这样两种摊铺方式下的试件都是单面击实2×75次。
(2) 劈裂试验
试验方法按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求进行操作。沿着双层试件的轴向施加压力，直至破坏，测量其劈裂抗拉强度。
1.3 试验方案为了对比连续摊铺与间断摊铺沥青混合料劈裂强度的大小关系，首先，制作了两种不同级配组合的试件，一种是上层AC-13/下层AC16，另一种是上层AC-16/下层AC-20，对比哪种组合下沥青混合料的劈裂强度更高。其次，在20，10，0，-10，-20 ℃这5种不同温度下，对比分析连续摊铺与间断摊铺沥青混合料劈裂强度的大小关系，以及它们随着温度变化的规律。试验规程要求试验温度为(15±0.5) ℃时加载速率为50 mm/min；试验温度为(-10±0.5) ℃时加载速率为1 mm/min[13-15]，所以试验采用两种加载速率50 mm/min和1 mm/min，以对比两种速率下劈裂强度的大小。通过两种加载速率和两种试件组合，研究不同温度对连续摊铺或间断摊铺沥青混合料劈裂强度的影响，以及不同摊铺方式的强度大小和变化规律[16-18]。具体试验方案如表 5所示。
| 摊铺方式 | 上下级配 | 摊铺方式 | 上下级配 | 加载速率/(mm·min-1) | 试验温度/℃ | 测试指标 |
| 连续摊铺 | 上层AC-13 | 间断摊铺 | 上层AC-13 | 1 | 20, 10, 0, -10, -20 | 劈裂强度 |
| 下层AC-16 | 下层AC-16 | 50 | ||||
| 上层AC-16 | 上层AC-16 | 1 | ||||
| 下层AC-20 | 下层AC-20 | 50 |
2 试验结果与分析 2.1 不同温度对间断摊铺沥青混合料劈裂强度的影响
不同温度下间断摊铺沥青混合料劈裂强度试验结果如图 1所示。
|
| 图 1 间断摊铺沥青混合料劈裂强度与温度的关系 Fig. 1 Relationship between splitting strength of discontinuous paved asphalt mixture and temperature |
| |
根据图 1中的数据分析，可以得到以下结论：
(1) 从图 1(a)可知，劈裂强度随着温度的降低而变大。其中，温度在20~10 ℃与-10~-20 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长慢，增长速率分别为3%和5.7%；温度在10~0 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长最快，增长速率为7.6%；温度在0~-10 ℃时，劈裂强度增长最慢，增长速率为1.8%。
(2) 从图 1(b)可知，劈裂强度随着温度的降低而变大。其中，温度在20~10 ℃与-10~-20 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长慢，增长速率分别为4.7%和1.7%；温度在10~0 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长最快，增长速率为16.7%；温度在0~-10 ℃时，劈裂强度增长最慢，增长速率为0.7%，变化曲线接近于水平直线。
(3) 从图 1(c)可知，劈裂强度随着温度的降低而变大。其中，温度在20~10 ℃与-10~-20 ℃时，增长速率分别为3.3%和4.9%，劈裂强度随温度的降低增长慢；温度在10~0 ℃时，增长速率为6.8%，劈裂强度增长最快；温度在0~-10 ℃时，增长速率为0.6%，劈裂强度随温度的降低增长最慢，变化曲线近似水平直线。
(4) 从图 1(d)可知，劈裂强度随着温度的降低而变大。其中，温度在20~10 ℃与-10~-20 ℃时，增长速率分别为2.9%和4.4%，劈裂强度随温度的降低增长慢；温度在10~0 ℃时，增长速率为16.6%，劈裂强度增长最快；温度在0~-10 ℃时，增长速率为0.4%，劈裂强度随温度的降低增长最慢，变化曲线近似水平直线。
综上所述，间断摊铺沥青混合料的劈裂强度随温度的降低而变大。其中，温度在10~0 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长最快；温度在20~10 ℃与-10~-20 ℃时，增长次之；温度在0~-10 ℃时，劈裂强度增长最慢，变化曲线近似水平直线。
2.2 不同温度对连续摊铺沥青混合料劈裂强度的影响不同温度的连续摊铺沥青混合料劈裂强度试验结果如图 2所示。
|
| 图 2 连续摊铺沥青混合料劈裂强度与温度的关系 Fig. 2 Relationship between splitting strength of continuous paved asphalt mixture and temperature |
| |
根据图 2中的数据分析，可以得到以下结论：
(1) 从图 2(a)可知，劈裂强度随着温度的降低而变大。其中，劈裂强度在20~10，10~0，0~-10，-10~-20 ℃时的增长速率分别为4.1%，7.3%，6.2%，4.9%。所以，在10~0 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长最快；在20~-20 ℃时，劈裂强度近似线性变化。
(2) 从图 2(b)可知，劈裂强度随着温度的降低而变大。其中，劈裂强度在20~10，10~0，0~-10，-10~-20 ℃时的增长速率分别为6.5%，16.3%，0.7%，0.9%。所以，在10~0 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长最快；在0~-20 ℃时，劈裂强度增长最慢，变化曲线近似水平直线。
(3) 从图 2(c)可知，劈裂强度随着温度的降低而变大。其中，劈裂强度在20~10，10~0，0~-10，-10~-20 ℃时的增长速率分别为2.8%，8.8%，3.3%，3.3%。所以，在10~0 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长最快；在20~-20 ℃时，劈裂强度近似线性变化。
(4) 从图 2(d)可知，劈裂强度随着温度的降低而变大。其中，劈裂强度在20~10，10~0，0~-10，-10~-20 ℃时的增长速率分别为4.3%，16.9%，0.8%，0.7%。所以，在10~0 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长最快；在-10~-20 ℃时，劈裂强度增长最慢，变化曲线近似水平直线。
综上所述，连续摊铺沥青混合料的劈裂强度随温度的降低而变大。其中，当加载速率为1 mm/min时，劈裂强度近似线性变化，温度在10~0 ℃时，劈裂强度随温度的降低增长最快。当加载速率为50 mm/min时，温度在10~0 ℃时增长最快；温度在0~-10 ℃时，劈裂强度增长最慢且变化曲线近似水平直线。
2.3 连续摊铺与间断摊铺沥青混合料劈裂强度的对比连续摊铺与间断摊铺沥青混合料劈裂强度的对比结果如图 3所示。
|
| 图 3 连续与间断摊铺沥青混合料劈裂强度的对比 Fig. 3 Comparison of splitting strengths between continuous and discontinuous paved asphalt mixtures |
| |
根据图 3中的数据分析，可以得到以下结论：
(1) 从图 3(a)可知，在不同温度下，连续摊铺沥青混合料的劈裂强度都比间断摊铺的大。其中，在20，10，0，-10，-20 ℃时，劈裂强度的差值分别为0.05，0.16，0.13，0.57，0.49。所以，当温度在20~0 ℃时，劈裂强度差值较小；当温度在0~-20 ℃时，劈裂强度差值显著增大，在-10 ℃差值最大。
(2) 从图 3(b)可知，在不同温度下，连续摊铺沥青混合料的劈裂强度都比间断摊铺的大。其中，在20，10，0，-10，-20 ℃时，劈裂强度的差值分别为0.16，0.34，0.3，0.3，0.22。所以，劈裂强度整体差值变化不大，温度在20 ℃和-20 ℃时，差值最小；温度在10~-10 ℃时，劈裂强度差值最大。
(3) 从图 3(c)可知，在不同温度下，连续摊铺沥青混合料的劈裂强度都比间断摊铺的大。其中，在20，10，0，-10，-20 ℃时，劈裂强度的差值分别为0.09，0.04，0.24，0.51，0.35。所以，当温度在20~0 ℃时，劈裂强度差值较小；当温度在0~-20 ℃时，劈裂强度差值显著增大，在-10 ℃时最大。
(4) 从图 3(d)可知，在不同温度下，连续摊铺沥青混合料的劈裂强度都比间断摊铺的大。其中，在20，10，0，-10，-20 ℃时，劈裂强度的差值分别为0.26，0.4，0.43，0.47，0.1。所以，劈裂强度整体差值变化不大，温度在20 ℃和-20 ℃时，差值最小；温度在10~-10 ℃时，劈裂强度差值最大。
综上所述，在不同温度下，连续摊铺沥青混合料的劈裂强度都比间断摊铺的大。当加载速率为1 mm/min时，劈裂强度差值在20~0 ℃时最小，在0~-20 ℃时的差值显著增大，在-10 ℃时最大。当加载速率为50 mm/min时，劈裂强度差值在20~-20 ℃时整体变化较小，其中在20 ℃和-20 ℃时的差值最小，在10~-10 ℃时的差值最大。
2.4 两种级配组合下的劈裂强度对比两种级配组合下的劈裂强度对比结果如图 4所示。
|
| 图 4 两种级配组合在不同温度下的劈裂强度对比 Fig. 4 Comparison of splitting strengths of 2 gradation combinations at different temperatures |
| |
根据图 4中的数据分析，可以得到以下结论：
(1) 从图 4(a)可知，当温度在20~0 ℃时，两种级配组合下的劈裂强度无明显差异，大致相等；当温度在0~-20 ℃时，劈裂强度差值显著增大，在-20 ℃时，上层AC-13/下层AC-16组合的劈裂强度比上层AC-16/下层AC-20组合的大0.26 MPa，差值最大。
(2) 从图 4(b)可知，不同温度下，上层AC-13/下层AC-16组合的劈裂强度都比上层AC-16/下层AC-20组合的大，其中，温度在10~-10 ℃时，差值比较显著。
(3) 从图 4(c)可知，当温度在20~0 ℃时，两种级配组合下的劈裂强度差别不大；当温度在0~-20 ℃时，劈裂强度差值开始明显增大，在-20 ℃时，上层AC-13/下层AC-16组合的劈裂强度比上层AC-16/下层AC-20组合的大0.4 MPa，差值最大。
(4) 从图 4(d)可知，只有温度在20 ℃时，上层AC-13/下层AC-16组合的劈裂强度比上层AC-16/下层AC-20组合的小0.02 MPa，其他温度条件下，上层AC-13/下层AC-16组合的劈裂强度都明显比上层AC-16/下层AC-20组合的大。
综上所述，两种摊铺方式下，上层AC-13/下层AC-16组合的劈裂强度大体上都要比上层AC-16/下层AC-20组合的好。当加载速率为1 mm/min、温度在20~0 ℃时，两种级配组合下的劈裂强度大致相等；温度在0~-20 ℃时，上层AC-13/下层AC-16组合的劈裂强度明显比上层AC-16/下层AC-20组合的大。当加载速率为50 mm/min时，上层AC-13/下层AC-16组合的劈裂强度明显要比上层AC-16/下层AC-20组合的大。
2.5 两种加载速率下的劈裂强度对比两种加载速率下的劈裂强度对比结果如图 5所示。
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| 图 5 两种加载速率下的劈裂强度对比 Fig. 5 Comparison of splitting strengths at 2 loading rates |
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从图 5的数据可知，在两种摊铺方式、两种级配组合下，不同温度下采用50 mm/min加载速率的劈裂强度要远远比采用1 mm/min加载速率的大。其中，当温度为0 ℃时，两种加载速率下的差值最大；当温度在-10~-20 ℃时次之；当温度在20~10 ℃时，劈裂强度差值最小。
3 结论(1) 连续摊铺与间断摊铺沥青混合料的劈裂强度都随着温度的降低而升高。连续摊铺沥青混合料在不同温度下的劈裂强度都比间断摊铺的大，其中在低温时最为明显。所以，可以通过使用连续摊铺方式来提高路面的使用性能，在北方寒冷地区更加适合用沥青混合料连续摊铺方式代替间断摊铺施工。
(2) 上层AC-13/下层AC-16组合的沥青混合料比上层AC-16/下层AC-20组合好，在低温时比较明显。因此，寒冷地区沥青路面施工时，可以优先选择上层AC-13/下层AC-16组合的沥青混合料。
(3) 加载速率越大，沥青混合料的劈裂强度越高；加载速率越慢，强度越低，而且连续摊铺沥青混合料的劈裂强度比间断摊铺的大。不同加载速率的劈裂强度试验结果表明了沥青路面上的车辆减速和启动路段路面损害比较严重。
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