《武汉工程大学学报》 2015年05期
28-34
出版日期：2015-05-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
沥青混合料抗反射裂缝试验参数的优化
０ 引 言我国公路建设发展迅猛，半刚性基层被广泛的使用. 而在半刚性沥青路面结构中，反射裂缝是最常见的病害之一［１］. 尽管目前对反射裂缝扩展的理论研究比较深入，研究成果也比较丰富，但是相关的试验评价手段和评价方法还比较滞后，导致对反射裂缝的有效防治方法仍处于探索阶段. Ｏｖｅｒｌａｙ Ｔｅｓｔｅｒ［２］是一种新开发的、能较好的模拟沥青路面抗反射裂缝的特性，并可以用来评价沥青混合料的抗反射裂缝性能的试验方法. 这种实验方法最初由Ｇｅｒｍａｎｎ和Ｌｙｔｔｏｎ等设计，其目的是评价土工合成材料对于沥青混合料抗反射裂缝性能的影响. ２００６年，由Ｚｈｏｕ和Ｓｃｕｌｌｉｏｎ对该设备进行改进，用来评价沥青混合料的抗反射裂缝性能，并获得了良好的效果［３］. 该试验方法主要是通过特定尺寸的试件上施加循环拉／压力来模拟路面产生裂缝并扩展的情况，并用荷载周期数来评价沥青混合料的抗裂性能. 相对来说，这种实验方法更接近沥青路面反射裂缝的扩展特性，而且试验简单，耗时短，具有一定的推广价值. 尽管该试验方法已经在美国德克萨斯州得到了实际应用并有相应的试验规程［４］，但它还没有得到美国ＡＳＴＭ规范的正式认可，处于评估阶段；另一方面，该试验部分试验参数，如试件尺寸、初始裂缝宽度、最大拉伸位移、加载频率和试件失稳评定依据等等，还有待进一步的探讨与确定［５－７］. 本文针这种情况，在大量实验并结合我国高等级沥青路面实际情况的基础上，评价各个参数的取值标准，并对此进行系列优化. １ 原材料试验１．１ 基质沥青本试验所用到的沥青胶结料为７０＃道路石油沥青，通过在实验室对其进行最基本的性能检测试验，最终得到其性能检测指标，如表１所示. 表 1 沥青基本性能Table 1 Asphalt basic performance１．２ 集 料本试验研究所用的粗、细集料均取自于湖北省孝感市大悟县某采石场，通过检测，其性能检测指标结果见表２，可知粗细集料的各项性能均符合规范［８］要求. 表 2 粗集料技术性能指标Table 2 Coarse aggergate technical performance indicators表 3 细集料技术性能指标Table 3 Fine aggergate technical performance indicators２ 沥青混合料的配合比设计２．１ 矿料的级配组成设计本试验研究选定ＡＣ－１３和ＡＣ－２０两种沥青混合料，其组成设计方法参考规范［８］，所采用级配为各级配颗粒组成范围的中值，如图１、图２所示. 图 １ ＡＣ－１３级配设计曲线Ｆｉｇ.１ ＡＣ－１３ ｇｒａｄａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｃｕｒｖｅ图 ２ ＡＣ－２０级配设计曲线Ｆｉｇ.２ ＡＣ－２０ ｇｒａｄａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｃｕｒｖｅ２．２ 沥青混合料最佳油石比的确定通过在实验室进行沥青混合料的Ｓｕｐｅｒｐａｖｅ配合比设计，试验过程参考文献［９］，最终确定ＡＣ－１３和ＡＣ－２０的最佳油石比，见表４. 表4 沥青混合料油石比Table 4 Asphalt whetstone ratio３ 试验结果与分析前面提到过，目前已有的裂缝性能测试方法，其试验结果的可重复性均有待提高；而且，这些测试方法的测试结果与实验设备的工作状态也有很大的关系. 为了避免由于设备不稳定造成的测试误差，在进行大批量的ＯＴ试验之前，需要对ＯＴ试验设备本身进行检验. 美国德克萨斯州交通部目前规定的ＯＴ试验规程中，试验参数试件厚度、初始裂缝宽度、加载频率和拉伸位移分别取值为３８ ｍｍ、２ ｍｍ、０．１ Ｈｚ和０．６２５ ｍｍ. 在本节内容当中，需要直接按照该试验规程中所定的试验参数，对两种沥青混合料的ＯＴ试件进行抗反射裂缝试验，分析比较测试结果，检验试验设备的稳定性. 在实验室分别制备沥青混合料ＡＣ－１３和ＡＣ－２０的试件各３个. 将准备好的试件分别进行ＯＴ试验，试验结果如表５所示. 可以看出，两组试验数据的ＣＯＶ值（变异系数）均小于２５％，试验结果相对稳定. 说明本文使用的Ｏｖｅｒｌａｙ Ｔｅｓｔｅｒ试验设备是稳定可靠的. 表 5 设备稳定性Table 5 Equipment stability３．１ 试件尺寸的评价与优化试件尺寸包括长度、宽度和厚度. 其中试件的长度和宽度对试验结果的影响并不大，且长度和宽带取决于旋转压实仪成型尺寸. 但试件的厚度会从很大程度上影响着试件的抗反射裂缝性能试验结果，一般来说，试件厚度越大，其抗反射裂缝扩展的性能越好. 美国德州交通部推荐的试件尺寸为１５０ ｍｍ（长）×７５ ｍｍ（宽）×３８ ｍｍ（高）. 而高度３８ ｍｍ即０．１５ ｉｎｃｈ，仅仅是根据经验并易记来决定，并没有经过科学的论证或对比试验. 本节内容中，将保持其他试验参数不变，探讨不同的试件厚度（３８ ｍｍ、４０ ｍｍ、４５ ｍｍ）对测试结果的影响. 在实验室分别制作沥青混合料ＡＣ－１３和ＡＣ－２０的试件各９个. 将制备好的ＯＴ试件分别进行抗反射裂缝性能试验，试验结果如表６所示. 图３反映出了不同试件厚度的情况下，每个荷载周期的最大拉力值与荷载周期数的关系. 表 6 试件厚度的优化Table 6 Optimizing the specimen thickness图３ 不同厚度情况下的试验曲线Ｆｉｇ.３ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ从表６中可以看出，厚度为４５ ｍｍ的试件，其抗反射裂缝性能明显优于另外两种厚度试件的性能；３８ ｍｍ和４０ ｍｍ厚度的试件，它们的测试结果较接近，且试验结果稳定，变异系数都在可接受的范围之内. 另一方面，图３显示出，在不同试件厚度的条件下，荷载周期最大拉应力值与周期数的关系趋势十分相近，说明各组试验的数据结果具有可靠性. 考虑到我国实际路面结构中，４０ ｍｍ是一般热拌沥青混合料的最小厚度，本文推荐４０ ｍｍ作为ＯＴ试验的试件厚度. 试件尺寸的宽度和长度，由于它们对试验结果的影响不明显，考虑到试件成型的便利性，维持不变. ３．２ 初始裂缝宽度的评价与优化初始裂缝宽度是指两块粘贴板最初的间距，模拟的是半刚性基层沥青路面基层的接（裂）缝. 目前美国德州规范规定的初始裂缝宽度是人为的选取为２ ｍｍ，并没有合理的依据和解释. 实际上，初始裂缝宽度，模拟的是旧路或者基层上，已经出现的裂缝的宽度. 就我国而言，反射裂缝是沥青路面的一大病害，而且反射裂缝主要是由于旧的水泥板或者半刚性基层的接（裂）缝引起的. 因此，可以先对０ ｍｍ、２ ｍｍ、４ ｍｍ、６ ｍｍ等假定的裂缝初始宽度试验结果进行对比分析，并探讨初始裂缝宽度的不同选取，对试验结果稳定性的影响. 如果初始裂缝宽度的不同选取，对试验结果影响并不大，就参考德州交通部规范规定值为２ ｍｍ；反之，则根据现有路面最常见裂缝宽度来合理地选择初始裂缝宽度. 在实验室分别制作混合料ＡＣ－１３和ＡＣ－２０的试件各１２个，将制备好的ＯＴ试件分别进行抗反射裂缝性能试验，试验结果表７所示. 图４反映出了载不同初始裂缝宽度的情况下，每个荷载周期的最大拉力值与荷载周期数的关系. 表7 初始裂缝宽度的优化Table 7 Optimizing of the gap opening图４ 不同初始裂缝宽度情况下的试验曲线Ｆｉｇ.４ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｇａｐ ｏｐｅｎｉｎｇｓ从表７可以看出，不同的裂缝初始宽度条件下，试验结果并没有很明显的差别，并且两组混合料试件的试验结果的稳定性都比较好. 另一方面，图４显示出，在不同初始裂缝宽度的条件下，荷载周期最大拉应力值与周期数的关系趋势十分相近，说明各组试验的数据结果具有可靠性. 因此，初始裂缝宽度的选取可以参考德州交通部的推荐值为２ ｍｍ. ３．３ 加载频率的评价与优化加载频率是指试验过程中对试件加载的快慢速度. 频率越大，加载的速度越快，每个循环周期的时间越短. ＯＴ试验本身是采用加速试件破坏的方式，来快速测定沥青混合料的抗反射裂缝性能. 美国德州交通部采用的是１０秒１个周期，是通过不同频率的试验结合其稳定性，并考虑每个试验持续时间决定的. 本节内容中，将研究3种不同加载频率对试验结果稳定性的影响，选取的3种加载频率分别为０．２ Ｈｚ、０．１ Ｈｚ和０．０５ Ｈｚ. 在实验室分别制备沥青混合料ＡＣ－１３和ＡＣ－２０的试件各９个. 将这些试件分别进行抗反射裂缝性能试验，试验结果如表８所示. 图５反映出了在不同加载频率的情况下，每个荷载周期的最大拉力值与荷载周期数的关系. 表8 加载频率的优化Table 8 Optimizing of the loading frequency图５ 不同加载频率情况下的试验曲线Ｆｉｇ ５ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ从表８中可以看出，试验过程中加载频率的不同，对试件的测试结果影响并不大，并且试验结果都相对比较稳定；另一方面，图５显示出，在不同加载频率的条件下，荷载周期?最大拉应力值与周期数的关系趋势十分相近，说明各组试验的数据结果具有可靠性. 考虑到试验过程的合理性、省时性，本文推荐将试验的加载频率定为０．２ Ｈｚ，也就是５ ｓ／周期. ３．４ 最大拉伸位移的评价与优化最大拉伸位移是指试验过程中每个循环周期里，拉伸试件的最大距离，它的大小将会直接影响试件的测试结果. 一般来说，拉伸位移越大，在试件底部所产生的应力就越大，试件被破坏的也就越快. 美国德州规范规定的最大拉伸位移为０．０２５ ｉｎｃｈ，即０．６２５ ｍｍ. 在相关的报告中，研究人员对最大拉伸位移的选取，并没有给出合理的理论依据. 考虑到在实际半刚性基层沥青路面结构中，基层和面层两者之间因为温缩现象而产生位移差，本节将对ＯＴ试验基本参数中最大拉伸位移开展进一步的探讨和优化.研究表明，用于基层的水泥混凝土和用于沥青面层的沥青混合料都是感温性材料，温度的变化会导致其进行热胀冷缩. 合理的选取ＯＴ试验中最大拉伸位移，需要了解沥青路面材料的温缩特性，并计算出水泥稳定碎石基层和沥青面层的产生收缩差. 沥青路面因温差所产生的水平线性收缩量△Ｌ与其本身的收缩系数、温差和研究对象的线性长度有关. 康海贵、郑元勋等［１０］通过在沥青路面各个层次埋设ＮＺＷＤ型温度传感器对沥青路面温度进行实测，根据大量的数据研究了沥青路面温度场在整个昼夜的分布规律，并得出了依据气温预估路面任意深度处温度的预估公式：Ｔ＝１．１１８１ Ｔａ－０．２２５８ ｈ＋４．１０７６，该式中的Ｔ、Ｔａ、ｈ距路表某深度的沥青温度、空气温度和路面结构层距路表的深度；张艳聪等在其研究中指出，不同集料类型的水泥混凝土的线膨胀系数（ＣＴＥ）分布在４．７６×１０－６／℃和１２．１×１０－６／℃之间，其中石灰岩型混凝土的膨胀系数为９．０１×１０－６／℃，且水泥混凝土在不同的温度区间其膨胀量基本相同；而沥青混凝土的温度收缩系数随沥青的种类、稠度、老化稠度及矿料级配而变化，其收缩系数大约是常见半刚性基层收缩系数的２．５倍. 不同的地区，其气温差也有很大的区别. 以武汉地区为例，全年范围内，昼夜温差大部分处于１０ ℃左右. 另外，我国大部分的路用水泥混凝土都属于石灰岩型混凝土，且水泥混凝土面板沿行车方向的长度一般是５ ｍ. 通过计算，得出水泥面板的收缩量ΔＬ１为０．５０４ ｍｍ，沥青面层的收缩量ΔＬ２为１．２６ ｍｍ，两者的收缩差ΔＬ为０．７５６ ｍｍ，约０．８ ｍｍ.通过计算水泥稳定碎石基层和沥青面层的收缩差，得出符合我国武汉地区道路与环境情况的，具有代表性的拉伸位移约为０．８ ｍｍ. 另外，在本节内容中，将比较在3种不同的最大拉伸位移（０．３ ｍｍ、０．６２５ ｍｍ、０．８ ｍｍ）的条件下，试验结果的稳定性情况. 在实验室分别制备混合料ＡＣ－１３和ＡＣ－２０的试件各９个. 将准备好的试件分别进行抗反射裂缝性能试验，试验结果如表９所示. 图６反映出了在不同最大拉伸位移的情况下，每个荷载周期的最大拉力值与荷载周期数的关系. 表9 最大拉伸位移的优化Table 9 Optimizing of the maximum tensile displacement图６ 不同最大拉伸位移情况下的试验曲线Ｆｉｇ ６ Ｔｅｓｔｉｎｇ ｃｕｒｖｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｎｓｉｌｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｓ从表９中可以看出，最大拉伸位移的不同，试验结果也有很大的变化，但试验结果的稳定性都在能接受的范围之内（ＣＯＶ≤２５％）. 另一方面，图６显示出，在不同最大拉伸位移的条件下，荷载周期最大拉应力值与周期数的关系趋势十分相近，说明各组试验的数据结果具有可靠性. 因此，本文建议，对于ＯＴ试验的最大拉伸位移，可以结合当地的温差情况以及路面结构中基层、面层的材料类型，进行分析计算选取，比如武汉地区的最大拉伸位移可以确定为０．８ ｍｍ. ４ 结 语本文采用了我国常用的两种沥青混合料ＡＣ－１３和ＡＣ－２０ ，用来评估Ｏｖｅｒｌａｙ Ｔｅｓｔｅｒ的试验参数. 在充分考虑试件成型、试验耗时以及实际路面收缩量值特性的基础上，结合我国沥青路面特点，本文分析比较了各试验参数的变化对试验结果的影响，得出的主要结论如下：ａ．本文使用的Ｏｖｅｒｌａｙ Ｔｅｓｔｅｒ试验设备是稳定可靠的. ｂ．厚度为４５ ｍｍ的试件，其抗反射裂缝性能明显优于另外两种厚度试件的性能；３８ ｍｍ和４０ ｍｍ厚度的试件，它们的测试结果比较接近，且试验结果稳定. 考虑到我国实际路面结构中，４０ ｍｍ是一般热拌沥青混合料的最小厚度，本文推荐４０ ｍｍ作为ＯＴ试验的试件厚度，试件尺寸的宽度和长度，由于它们对试验结果的影响不明显，考虑到试件成型的便利性，维持不变. ｃ．初始裂缝宽度的不同选取（０ ｍｍ、２ ｍｍ、４ ｍｍ和６ ｍｍ）对两组混合料试件的抗反射裂缝性能影响并不大，且试验结果的稳定性都比较好. 本文建议参考美国德州规范所规定的初始裂缝宽度为２ ｍｍ. ｄ．试验过程中加载频率不同选取（０．２ Ｈｚ、０．１ Ｈｚ、０．０５ Ｈｚ），对试验结果的稳定性影响并不大. 考虑到试验过程的合理性、省时性，本文推荐采用０．２ Ｈｚ的加载频率，即５ ｓ／周期. ｅ．最大拉伸位移的不同，试验结果会有很大的变化，但试验结果的稳定性都在可接受的范围之内. 本文建议，对于ＯＴ试验的最大拉伸位移的选取，应该结合当地的温差情况以及路面结构中基层、面层的材料类型，计算出基层和面层之间的温缩差. 以武汉地区为例，最大拉伸位移可以确定为０．８ ｍｍ. 致 谢本研究得到国家自然科学基金委员会、湖北省交通厅的资助，在此表示衷心感谢！