对排水性沥青混合料进行标准条件和重载交通条件下的车辙试验分析

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    本文采用沥青路面分析仪(APA)对DA混合料和SMA混合料进行标准条件和重载交通条件下的车辙试验,采用车辙深度指标评价DA混合料的抗车辙能力及其对加载水平、加载次数以及温度的敏感性,分析沥青品质、混合料级配类型对DA混合料抗车辙能力的影响,分析DA混合料与SMA混合料抗车辙性能的差异,进而判别DA混合料用于重载交通道路排水性沥青路面的适应性,为排水性沥青混合料在重载交通路段的应用提供理论基础。
   
    试验材料
   
    本研究采用9种沥青材料。9种沥青材料的零剪切黏度(60℃)、针入度和软化点测试值见表1.
   
    所用集料分别为10~15mm辉绿岩、5~10mm辉绿岩、0~5mm石灰岩,填料为磨细石灰岩矿粉。各档集料与矿粉主要技术指标均符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》要求。
   
    试验方案
   
    采用沥青路面分析仪APA试验分析沥青混合料的抗车辙能力,试件尺寸为:直径150mm、高75mm.沥青混合料采用旋转压实仪成型,标准试件的压实次数参照NCAT设计方法取为50.为了分析成型次数对DA混合料抗车辙能力的影响,另外还选取75次和100次压实次数作为对比。APA车辙试验的标准条件为:温度60℃;加载水平445N;加载次数8000次。
   
    另外,本文还选用加载水平890N,加载次数24000次来模拟重载交通条件。沥青混合料抗车辙能力评价指标采用车辙深度RD8000.
   
    当RD8000≤4mm时,沥青混合料抗车辙能力满足AASHTOTP63-03标准的要求。
   
    本文的试验方案汇总于表4.采用3个平行试件同时进行APA车辙试验,得到3个平行试件车辙深度测试值,取平均值。若某个试件车辙深度测试值与平均值偏差超过30%,则剔除该测试值后再求平均值。若有2个试件车辙深度测试值与平均值偏差均超过30%,则该组数据无效。
   
    试验结果与分析。
   
    材料组成的影响分析当温度为60℃、加载水平为445N、加载次数为8000次时,不同材料组成DA混合料车辙深度测试结果见表5.
   
    沥青品质的影响分析
   
    表5中方案1数据可见,即使采用SBS改性沥青、高模量沥青、高黏度沥青-1~高黏度沥青-4,DA混合料的车辙深度也超过了4mm,不能满足AASHTOTP63-03标准的要求。图1为基于表5方案1数据(8组)和表1数据拟合得到的DA混合料车辙深度与沥青零剪切黏度(60℃)的关系曲线。
   
    由图1可知,DA混合料车辙深度与沥青零剪切黏度相关性显着,随着沥青零剪切黏度的提高,DA混合料车辙深度降低。
   
    沥青的胶结作用是保证DA混合料骨架空隙结构稳定的重要因素,因此在DA混合料中,采用高黏度沥青显得特别重要。根据图1,要保证DA混合料车辙深度小于4mm,沥青的零剪切黏度(60℃)不能小于70000Pa·s.级配组成的影响绘制表5方案2中3种级配组成DA混合料车辙深度与混合料2.36mm通过百分率(见表2)的关系图,结果见图2;绘制3种级配组成DA混合料空隙率(见表3)与混合料2.36mm通过百分率的关系图,结果见图3.
   
    由图2可知,DA混合料车辙深度随其2.36mm通过百分率的提高而呈直线减小趋势,这似乎有悖于增加粗集料比例可以提高沥青混合料抗车辙能力的观点。进一步分析图3可见,随着2.36mm通过百分率的提高、粗集料的减少,DA混合料的空隙率显着减小。
   
    当粗集料比例过高时,集料之间缺乏足够的黏结点,沥青的黏结作用被弱化,DA混合料结构整体性不佳,从而导致了其抗车辙能力严重降低。
   
    从此角度分析,DA混合料的设计空隙率宜在20%左右,而为了保证DA混合料试件的空隙率,矿质混合料级配组成中2.36mm通过率不宜小于16%.
   
    试验条件的影响分析
   
    在不同的试验条件下,DA混合料车辙深度测试结果见表6.由表6可知:

    (1)在温度为60℃,加载次数为8000次条件下,当加载水平由445N增加至675N时,DA混合料(50次压实)车辙深度增大1倍左右;在温度为60℃,加载水平为445N条件下,当加载次数由8000次提高至24000次时,DA混合料(75次压实)车辙深度增大约1倍。
   
    (2)在其他条件相同条件下,当温度由60℃提高至70℃时,DA混合料车辙深度增加1倍左右。
   
    (3)在温度为60℃,加载水平为445N,加载次数为8000次条件下,当试件压实次数由50次提高到75次再提高至100次时,DA混合料空隙率由20.3%减低至19.6%再减低至19.2%,车辙深度由3.73mm减低至2.30mm再减低至2.19mm.
   
    说明当DA混合料达到一定的密实状态后,继续增加压实次数对降低DA混合料空隙率和车辙深度的作用有限。对于DA混合料,成型时采用的压实次数为75次较为合理。重载交通适应性分析设计合理的SMA混合料是目前公认的重载交通道路沥青上面层的首选材料。本文选择SMA混合料作为对照材料,判断DA混合料的重载交通适应性。不同试验条件下SMA混合料车辙深度见表7.比较表6与表7数据可知:(1)在相同加载水平、加载次数和温度条件下,SMA混合料的车辙深度均小于DA混合料。
   
    (2)在温度为60℃,加载次数为8000次的条件下,当加载水平由445N增加至890N时,SMA混合料的车辙深度增加101%,DA混合料(压实75次)的车辙深度仅增加54%;在温度为60℃,加载水平为445N的条件下,当加载次数由8000次延长至24000次时,SMA混合料的车辙深度增加218%,而DA混合料(压实75次)的车辙深度增加123%;在加载水平为445N,加载次数为8000次条件下,当温度由60℃提高至70℃时,SMA混合料的车辙深度增加146%,DA混合料(压实75次)的车辙深度增加107%.
   
    上述分析结果表明,在本试验条件下,DA混合料抗车辙能力对加载水平、加载次数及温度变化的敏感性均小于SMA混合料。与SMA混合料相比,DA混合料中集料颗粒之间的接触点较少、嵌锁作用相对较弱,又由于试件压实次数较少,在轮载作用的初期混合料结构较不稳定,容易产生变形,如DA混合料在加载8000次时的变形占到加载24000次时变形的44.8%,而SMA混合料仅为31.4%.
   
    在轮载的持续作用下,DA混合料集料颗粒的排列进入稳定状态,嵌锁作用增强,抗变形能力随之增大,因而其对荷载水平和加载次数的敏感性相对较小。
   
    结论
   
    (1)由于DA混合料自身具有骨架空隙结构特征,因此必须采用高黏度沥青、适当级配组成及充足压实次数来保证DA混合料的抗车辙能力。为了满足重载交通道路的使用需求,DA混合料所用沥青的零剪切黏度(60℃)应大于70000Pa·s,设计空隙率宜在20%左右。
   
    (2)在相同加载水平、加载次数和温度条件下,DA混合料车辙深度略大于SMA混合料;DA混合料抗车辙能力对加载水平、加载次数以及温度的敏感性均低于SMA混合料。
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