不同超薄沥青砼磨耗层路用性能对比研究

2016-04-20何亦伟

公路与汽运 2016年2期

关键词：抗剪强度路用性能公路

何亦伟

(中交一局海外公司,北京 100085)

不同超薄沥青砼磨耗层路用性能对比研究

何亦伟

(中交一局海外公司,北京 100085)

摘要:选取AC-13、SMA-13、OGFC-13、NovaChip C 4种超薄沥青砼磨耗层,在确定超薄沥青砼磨耗层最佳油石比的基础上制作试件进行高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗滑性能、渗水性能等路用性能分析;选用SBS改性乳化沥青作为层间粘结料,以AC-13混合料模拟原路面,制作复合试件,测定层间抗剪强度。综合路用性能与层间抗剪强度,对比分析不同超薄沥青砼磨耗层路用性能的差异,选取更为合适的超薄磨耗层。

关键词:公路;超薄磨耗层;路用性能;粘结层;抗剪强度

超薄磨耗层是一种铺筑厚度为15～25 mm的热拌沥青砼路表层,作为一种可改善行驶质量、降低路面噪音、延长路面使用寿命、提高行驶安全性能的有效措施,已逐渐发展成具有良好前途的高等级公路养护形式。但由于超薄磨耗层位于道路最上层,直接暴露于大气中,受到光、氧气和水等自然环境因素的影响,并在汽车的反复荷载作用下,路面结构逐渐破坏、其性能逐渐降低,导致最终不能满足使用条件。

目前,中国路面养护中采用的超薄磨耗层级配类型主要有AC、SMA、OGFC、NovaChip等,不同类型具有不同的优点。该文通过对4种不同级配类型超薄磨耗层的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗滑性和渗水性能等路用性能的对比分析,并考虑各超薄磨耗层与模拟下面层AC-13的层间粘结抗剪性,选择最为合适的超薄磨耗层,以改善路面使用能力,提高路面使用寿命。

1 试验原材料及配合比设计

1.1 原材料

(1)矿料。粗、细集料均为玄武岩,矿粉采用石灰岩。玄武岩集料产自江苏,其基本技术性能见表1。石灰岩产自湖南,密度为2.689 g/cm3。粗、细集料及矿粉的质量指标均符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

表1 玄武岩的基本技术性能

(2)沥青胶结料。沥青质量的好坏是制约沥青路面使用质量的主要因素之一。4种超薄磨耗层均选用壳牌公司SBS改性沥青,其各项技术指标见表2,符合JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

表2 SBS改性沥青的检测结果

(3)SBS改性乳化沥青。层间选用SBS改性乳化沥青,其检测结果见表3,满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

表3 改性乳化沥青的试验结果

1.2 配合比设计

NovaChip共有3种级配类型,分别为A、B和C型,最大公称粒径为别为4.75、9.5、13.2 mm,这里采用C型NovaChip(下文所述NovaChip均为NovaChip C型)。

因采用相同的最大公称粒径有利于控制级配对试验结果的影响,选用AC-13、SMA-13和OGFC -13。为降低因级配不同造成的路用性能差异,AC -13、SMA-13和OGFC-13统一选用规范推荐的中值作为试验级配。4种超薄磨耗层的级配见表4。

NovaChip、AC-13、SMA-13和OGFC-13分别采用旋转压实法、马歇尔击实法、马歇尔击实法和析漏与飞散试验综合法确定最佳油石比,分别为4.8%、5.0%、5.7%和4.5%,并以最佳油石比制作试件,进行路用性能研究及层间抗剪强度分析。

2 路用性能对比研究

通过车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验、构造深度试验和摩擦系数、渗水系数测定,评价超薄磨耗层的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、抗滑性能及渗水性能。

2.1 高温稳定性

采用车辙试验,以动稳定度评价4种超薄磨耗层的高温抗车辙性能,试验结果见表5。

从表5可以看出:4种超薄磨耗层的动稳定度均远大于国家标准3 000次/mm的要求,均具有较好的高温稳定性能。其中NovaChip的动稳定度值最高,达到9 047.8次/mm,表明NovaChip的高温稳定性最好。

表4 4种超薄磨耗层的级配

表5 4种超薄磨耗层的高温车辙试验结果

2.2 低温抗裂性

沥青混合料在低温下若具有较高的强度、较优秀的抗变形能力与应力松弛能力,则其低温抗裂性能表现良好。采用低温小梁弯曲试验,试验温度为-15℃,测试试件的破坏应变和劲度模量等指标,评价超薄磨耗层的低温抗裂性,试验结果见表6。

表6 4种超薄磨耗层的低温小梁弯曲试验结果

根据表6,4种超薄磨耗层的破坏应变大小为NovaChip＞SMA＞AC＞OGFC,劲度模量大小关系为OGFC＞AC＞SMA＞NovaChip表明Nova-Chip的低温性能最好,OGFC的低温性能最差。

2.3 水稳定性

对超薄磨耗层进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验,利用残留稳定度与劈裂强度比评价其水稳定性,试验结果见表7。

根据表7,NovaChip的残留稳定度与劈裂强度比在4种超薄磨耗层中都是最高的,表明其水稳定性最好,最不易发生水损。

2.4 抗滑性能

路面的抗滑性能直接关系到行车安全,是路面使用性能的重要组成,主要通过路面构造深度与摩擦系数来评价。4种超薄磨耗层的构造深度与摩擦系数检测结果见表8。

表7 4种超薄磨耗层的浸水马歇尔与冻融劈裂试验结果　%

表8 4种超薄磨耗层的构造深度与摩擦系数检测结果

构造深度数据表明OGFC-13的抗滑性能最好,虽然NovaChip的构造深度不及OGFC-13,但已是AC-13的2倍,并大于SMA-13,这表明NovaChip具有较好的抗滑性能。

摩擦系数检测结果表明NovaChip的摩擦系数最高,这也说明NovaChip具有良好的抗滑性能。

2.5 渗水性能

水损害是高速公路早期易发生的病害之一。地表水进入沥青面层后若不能及时排出,将导致沥青与集料间粘结力下降,沥青膜剥落,直至松散。因此,超薄磨耗层具有良好的排水性能非常重要。采用渗水系数评价超薄磨耗层的渗水性能,4种超薄磨耗层的检测数据见表9。

从表9可看出:OGFC-13是开级配类型,其渗水性最强;半开级配的NovaChip的渗水系数是AC -13的9倍多。说明这2种超薄磨耗层具有很好的渗水性,较适合用于多雨地区。

表9 4种超薄磨耗层的渗水系数检测值 m L/min

3 层间抗剪强度对比研究

采用国内运用最多的材料试验系统MTS进行直剪试验,以试件破坏时的最大抗剪强度作为评价层间抗剪强度的指标。复合试件结构上面层分别为AC-13、SMA-13、OGFC-13和NovaChip,下面层采用密级配的AC-13沥青砼结构,粘结层采用SBS改性乳化沥青(洒布量分别为0.6、0.8、1.0、1.2 kg/m2)。每个洒布量制作3个平行试件,在60℃温度下进行剪切试验,得到试件破坏时层间最大荷载,并根据T=F/A转换为层间抗剪强度[T为层间抗剪强度(k Pa);F为最大加载值(k N);A为截面面积(m2)]。试验结果见表10。

表10 4种超薄磨耗层的抗剪强度试验结果

从表10可知:超薄磨耗层与模拟路面AC-13层间抗剪强度大小排列顺序为NovaChip＞SMA-13＞AC-13＞OGFC-13。这是由于NovaChip属于间断密实骨架结构,具有较高的内摩擦阻力,层间不易发生破坏,因而层间抗剪能力较好;AC-13属于密实悬浮型结构,虽然粘聚力较高但集料间不能形成骨架,内摩擦力小,导致层间容易发生破坏。