双层摊铺沥青混合料层间抗剪强度影响因素分析
0 引言
沥青混合料路面经常采用的摊铺方式为分层摊铺, 就是将下面层铺筑压实完成后, 再摊铺上面层。现在有一种从国外引进的新型摊铺方式, 是将上面层和下面层2种不同级配混合料同时摊铺, 然后整体一起压实, 这种方式便是连续摊铺, 这两种摊铺方式铺筑而成的路面都是双面层结构。双层沥青混合料层间连接性能的好坏, 对路面的强度和使用年限起到至关重要的作用, 而过去大多研究的是层间抗剪强度的大小对比, 对其影响因素方面却少有研究。沥青混合料的级配大小、层间连接方式和试验环境等都对双层沥青混合料的层间抗剪强度有一定影响
1 材料设计
1.1 沥青
试验采用90号基质沥青, 其各项性能指标如表1所示。
表1 90号基质沥青性能指标Table 1 Performance index of No.90 matrix asphalt
1.2 集料
试验采用AC-13, AC-16, AC-20 3种集料级配, 制作双层马歇尔试件, 设计高度为上层50mm+下层50mm。按密级配原则设计, 通过马歇尔试验得出3种混合料最佳油石比
2 试验方案与试验方法
2.1 试验方案
制作不同组合的双层马歇尔试件, 进行不同环境处理后, 再采用2种试验方法进行层间抗剪强度试验, 对双层摊铺沥青混合料层间抗剪强度的影响因素进行分析。试验方案如表2所示。
表2 试验方案Table 2 Test scheme
注:13/16表示上层AC-13+下层AC-16, 16/20表示上层AC-16+下层AC-20
2.2 试件制作
模拟现场路面摊铺方式制作双层马歇尔试件, 制作连续摊铺试件时, 先将拌合好的下层AC-16 (或AC-20) 沥青混合料装入试模中, 然后用手拿一定质量的铁锤, 击实10次, 使下层获得一定的压实度, 再装入拌合好的上层AC-13 (或AC-16) 沥青混合料, 最后上层用击实仪击实2×75次;制作间断摊铺试件时, 先将拌合好的下层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
2.3 试验方法
2.3.1 劈裂剪切试验
采用改进的沥青混合料劈裂试验, 进行层间劈裂抗剪性能研究。劈裂抗剪强度试验方法是将试件从原来的劈裂方向水平旋转90°, 使上下压条对准试件层间连接面, 加载进行无侧限劈裂抗剪强度测试
图1 抗剪试验工作状态Fig.1 Working state of shear test
改进的沥青混合料层间劈裂抗剪强度计算如下:
式中:τ为劈裂抗剪强度 (MPa) ;FS为剪切力 (N) ;AS为抗剪面积 (mm2) ;Fmax为试验力最大值 (N) ;D为试件直径 (mm) , 取101.6mm。
2.3.2 直剪试验
为了模拟沥青路面在荷载作用下的面层层间受力状况, 使得双层马歇尔试件同时受到轴向压力和平行于连接面的剪切力共同作用, 于是采用自制模具在电子万能试验机上进行直剪试验 (见图1b) , 加载速率采用1mm/min
直剪试验的沥青混合料层间抗剪强度按下式计算:
3 试验结果与分析
3.1 劈裂剪切试验
3.1.1 摊铺方式对劈裂抗剪强度的影响
不同摊铺方式对劈裂抗剪强度的影响规律如图2所示, 从图中可知, 连续摊铺方式能提高沥青混合料的抗剪强度, 连续摊铺沥青混合料抗剪强度是间断摊铺沥青混合料抗剪强度的1.5～7.3倍。这是因为连续摊铺使沥青混合料上、下层集料相互连接, 形成一个整体, 从而使得层间抗剪强度增大。
3.1.2 级配组合对劈裂抗剪强度的影响
不同级配组合对劈裂抗剪强度的影响规律如图3所示, 从图中可知, 上层AC-13+下层AC-16级配组合能提高沥青混合料的抗剪强度, 上层AC-13+下层AC-16沥青混合料抗剪强度是上层AC-16+下层AC-20沥青混合料抗剪强度的0.96～2.42倍。这是因为中细集料组合使结构更密实, 所以抗剪强度更大。
图2 劈裂抗剪强度和摊铺方式的关系Fig.2 Relationship between splitting shear strength and paving method
图3 劈裂抗剪强度和级配组合的关系Fig.3 Relationship between splitting shear strength and gradation combination
3.1.3 环境对劈裂抗剪强度的影响
环境对劈裂抗剪强度的影响规律如图4所示, 从图中可知, 不同摊铺方式、不同级配组合的沥青混合料, 都是低温抗剪强度>常温抗剪强度>冻融抗剪强度。双层沥青混合料在低温环境下的抗剪强度是常温环境下的7.3～10.2倍。这是由于低温环境下, 混合料中的沥青塑性降低、强度增大, 内部水分凝结成固态, 使自身抗剪强度增大。
图4 劈裂抗剪强度和环境的关系Fig.4 Relationship between splitting shear strength and environment
3.2 直剪试验
3.2.1 摊铺方式对直剪强度的影响
不同摊铺方式对直剪强度的影响规律如图5所示, 从图中可知, 连续摊铺方式能提高沥青混合料的抗剪强度, 连续摊铺沥青混合料抗剪强度是间断摊铺沥青混合料抗剪强度的1.1～3.3倍。
图5 直剪强度和摊铺方式的关系Fig.5 Relationship between the direct shear strength and paving method
3.2.2 级配组合对直剪强度的影响
不同级配组合对直剪强度的影响规律如图6所示, 从图中可知, 上层AC-13+下层AC-16沥青混合料抗剪强度与上层AC-16+下层AC-20沥青混合料抗剪强度没有大小差别。
图6 直剪强度和级配组合的关系Fig.6 Relationship between the direct shear strength and gradation combination
3.2.3 环境对直剪强度的影响
环境对直剪强度的影响规律如图7所示, 从图中可知, 不同摊铺方式、不同级配组合的沥青混合料, 都是低温抗剪强度>常温抗剪强度>冻融抗剪强度。双层沥青混合料在低温环境下的抗剪强度是常温环境下的7.3～11.8倍。
图7 直剪强度和环境的关系Fig.7 Relationship between the direct shear strength and environment
4 结语
1) 双层沥青混合料的摊铺方式不同, 其层间抗剪强度也不同, 连续摊铺沥青混合料抗剪强度大于间断摊铺沥青混合料抗剪强度。
2) 双层沥青混合料的级配组合不同, 其层间抗剪强度也不同, 上层AC-13+下层AC-16沥青混合料相对于上层AC-16+下层AC-20沥青混合料, 其劈裂抗剪强度大, 而直剪强度没有大小区别。
3) 劈裂剪切试验和直剪试验结果显示, 双层摊铺沥青混合料的层间抗剪强度与试验环境有关, 低温抗剪强度>常温抗剪强度>冻融抗剪强度。
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