应力吸收层沥青混合料性能研究

第12卷第2期2009年4月

建 筑 材 料 学 报

JO U RN A L OF BU IL DIN G M AT ER IAL S

V ol.12,No.2A pr.,2009

收稿日期:2008 05 23;修订日期:2008 07 31

基金项目:国家杰出青年科学基金资助项目(50325825)

第一作者:汤 文(1982 ),男,湖北孝感人,同济大学博士生.E mail:yohi@s oh https://www.wendangku.net/doc/df19059710.html,

文章编号:1007 9629(2009)02 0173 05

应力吸收层沥青混合料性能研究

汤 文, 盛晓军, 孙立军

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海201804)

摘要:采用2种Strata T 改性沥青,通过单轴贯入试验及复合车辙试验分析了应力吸收层(SAM I)沥青混合料的抗剪性能;通过0~25 小梁弯曲试验及15,25 疲劳试验,分析了SAMI 沥青混合料在不同温度下的弯拉及疲劳性能;同时将SAM I 沥青混合料与SBS 改性沥青混合料(AC5)的主

要性能进行了对比分析.结果表明:设置SAM I 的路面结构其抗车辙能力并不会显著降低,SAM I 沥青混合料在0~25 均具有很好的变形能力,并得到了SAMI 沥青混合料的疲劳方程.关键词:应力吸收层(SAM I);沥青加铺层;单轴贯入试验;等效温度;疲劳中图分类号:U 416 文献标识码:A

Research on Asphalt Mixtu re Performance of S tress

Absorbing Membrane Interlayer(SAMI)

TA N G W en, SH EN G X iao j un, S UN L i j un

(Key Laboratary of Road and Traffic Engineening of Ministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Abstract:Shear r esistance,flex ural tensile and fatigue per for mance of stress absor bing membrane interlay er(SAM I)w as studied.2kinds o f Strata T m odified asphalt w ere used.T he optimum asphalt contents in SAM I w ere determined firstly.And the shearing per for mance w as tested by uniaxial penetration tests and rutting tests.T he flex ural tensile and fatigue perform ance in different temper ature w er e tested by bending tests from 0 to 25 and fatigue tests at 15 and 25 .Furtherm ore,the perform ance of 2kinds of SAM I asphalt mix ture w ere also com pared w ith the perform ance of SBS mo dified asphalt mix tur e(AC5).The experimental r esults indicate that the high temperatur e stability of pavements w ith SAM I meets the requirements,the flexural tensile perform ance of SAM I is much better than or dinary asphalt mix tures,and the fatigue equations of 2kinds of SAM I asphalt mix ture are achieved.

Key words:str ess absorbing membrane interlayer (SAM I);asphalt o verlay;uniax ial penetration test;e quivalent tem perature;fatigue

旧水泥混凝土路面加铺沥青层后,加铺层中普遍会产生反射裂缝,对路面结构造成很大的危害.因此,自20世纪60年代以来,国内外道路工程界对沥青加铺层结构防反措施的研究一直十分活跃[1].通过对路面结构的力学分析认为,在沥青加铺层与旧水泥混凝土路面之间加入低模量的薄沥青混合料应力吸收层(stress absorbing membrane interlayer,SAM I)可以显著改善沥青层内的力学状况

[2]

,从而

有效延缓反射裂缝的产生,延长沥青加铺层的使用寿命.而处于沥青加铺层与旧水泥混凝土面板之间的沥青混合料必须具有较强的变形能力以及较高的

抗疲劳破坏能力,同时设置薄沥青混合料应力吸收层的路面结构其抗车辙性能也必须满足要求.因此,本文对薄沥青混合料应力吸收层的抗剪、弯拉及疲劳性能进行研究.

1 材料与级配

1.1 原材料

试验采用壳牌公司提供的2种Strata T改性沥青及SBS改性沥青AC5,其主要技术指标如表1所示.所用石料为华东某地石灰岩,填充料为石灰岩磨制的矿粉,石料性能满足规范要求.试验级配采用SAM I沥青混合料级配要求的中值,如表2所示.

表1 沥青的主要技术指标

Table1 Physical property of as phalts

T est item Requiremen t of Strata T S trata T A S trata T B SBS AC5 Penetration degree(25)/m m60~80766153 Ductility(5)/cm!30403331.1

Softening point/!7589.478.577.5 Elastic restitution(25)/%!80968475 S olubility/%!9999.599.199.8

Flash point/!230>230>230>230 Rotational viscosity at135/(Pa?s)#3 2.5 2.7 2.8 48h separation/# 2.5 1.4 1.4 1.9 TFOT(163,5h)

M as s loss/%# 1.00.040.030.06

Ductility/cm!20292319.6 Penetration degree ratio(5)/%!65807688

表2 SAMI沥青混合料的级配

T able2 G radation(by mass)of S AMI asphalt mis ture

Screen siz e/mm9.5 4.75 2.36 1.180.60.30.150.075 Gradin g lim it/%10080~10060~8540~7025~5513~358~206~14 Gradation used in ex perim ents/%10090735540241410

1.2 最佳沥青用量的确定

在设计级配下,选择7.5%,8.0%,8.5%, 9.0%这4种沥青用量(质量分数),分别对使用2种Strata T改性沥青的SAM I沥青混合料最佳沥青用量进行确定.试件采用旋转压实方法成型,次数为50次[3].集料加热温度为175,沥青加热温度为170,拌和温度为170,沥青混合料在压实温度下老化2h,压实温度为160.试验结果如表3所示,由表3可见,沥青用量、空隙率及VM A均满足设计要求,同时对沥青混合料的维姆稳定度进行了测定.

表3 最佳沥青用量试验结果

Table3 Results of optimu m asphalt contents tests

Typ e w(optimal as phalt)/% (air void)/% (VFA)/% (VM A)/%Hveem stability/kN SAM I A8.0 1.293.518.932.2 S AM I B8.0 1.193.918.828.3 Requirment>7.00.5~2.5 >16>18

Note:VFA is void filled with asphalt;VM A is void in mineral aggregate.

2 S AMI沥青混合料的抗剪性能

SAM I沥青混合料具有很好的变形能力,其直接抗剪切能力必然低于普通沥青混合料,以至于在60车辙试验中由于SAM I沥青混合料变形过快,试验很难顺利完成.但是SAM I沥青混合料作为防反层设置在沥青加铺层层底,不直接作用于荷载之下,因此路面结构的整体抗剪切性能并不会显著下降.为了对SAMI沥青混合料的抗剪性能进行分析,本文进行了单轴贯入试验及复合车辙试验.

单轴贯入试验由孙立军[4]提出,该试验类似于土工试验方法中的CBR试验,但又有所差别.其原

174建 筑 材 料 学 报第12卷

理是通过圆形钢压头以一定的加载速率在圆柱体试件上加压,从而模拟路面的实际受力状态.试件为 100mm?100m m圆柱体,采用MT S旋转压实成型,其密度与马歇尔试件密度相同,试验时钢压头采用直线波加载,加载速率为1m m/m in,试验过程中采集试件变形和所受压力的数据[5].为了对比SA M I沥青混合料及普通沥青混合料的力学性能,对SAM I沥青混合料及SBS改性沥青混合料(AC5)分别进行单轴贯入试验.AC5级配为规范推荐的级配中值,集料为石灰岩,沥青用量采用空隙率为4%时的6.1%.

通过单轴贯入试验测得沥青混合料SAM I A, SAM I B,AC5的抗剪强度分别为0.415,0.390, 0.607M Pa.因改性沥青Strata T A的黏度明显高于改性沥青Strata T B,所以沥青混合料SAM I A 的抗剪强度高于SAM I B.而SBS改性沥青混合料AC5的抗剪强度显著高于SA MI沥青混合料,这是由于为了使SAMI沥青混合料达到良好的变形能力,采用了很高的沥青用量,从而造成SAMI沥青混合料抗剪性能降低的结果.

为了分析SAM I对路面结构整体抗剪性能的实际影响,本文采用了上层3cm AC13C、下层2cm SAM I的复合车辙板.分别对2种Strata T改性沥青的复合车辙板,以及5cm的A C13C和5cm AC5的车辙板进行车辙试验,试验结果如表4所示. AC13C级配为规范推荐级配中值,集料为石灰岩,沥青用量采用空隙率为4%时的4.6%.

表4 沥青混合料的车辙试验结果

T able4 Result of rutting tes t

S ample Rutting d epth

/m m

Dynamic stability

/(times?min-1)

AC13C(3cm)+SAM I A(2cm) 4.5983150

AC13C(3cm)+S AM I B(2cm) 5.3122875 AC13C(5cm) 4.4404235

AC5(5cm) 4.5713098

由表4可知,设置SA MI的复合车辙板其动稳定度略低于AC13C,但与AC5差别不大.说明设置SAM I后,复合结构的抗剪性能略有下降,但其车辙试验结果满足普通改性沥青混合料的规范要求.同时,由于实际路面结构中拟定的加铺层厚度必然远大于3cm,而SAMI厚度一般为2~3cm,这必然进一步降低SAMI对路面结构整体性能的影响.因此,虽然SAMI沥青混合料的抗剪强度明显低于普通沥青混合料,但是设置SAM I的路面结构是可以满足其高温稳定性要求的.

3 SAMI沥青混合料的弯拉性能

SAM I通常设置于沥青加铺层与半刚性基层或水泥混凝土板之间,其主要作用是缓解沥青加铺层的变形,以达到应力吸收的目的.而作为应力吸收层的SAM I沥青混合料必须具有较强的变形能力.本文采用小梁弯曲试验对SAM I沥青混合料的弯拉性能进行分析.用轮碾法成型300mm?300mm?50m m的混合料板,切割成(250%2.0)mm?(50 %2.0)mm?(50%2.0)mm的棱柱体小梁,用万能试验机(M T S810)进行弯曲试验[6],试验温度分别为0,10,15,25.试件在环境中保温6h,采用中点加载的方式,加载速率为50mm/min,直至试件破坏.结果如表5所示.

表5 沥青混合料的小梁弯曲试验结果

T able5 Resu lts of bending tests

Sample

T emp eratu re

/

Flexural

tensile

strength

/M Pa

Flex ural

tensile

strain?106

Flexu ral

ten sile

modulu s

/M Pa

010.2268131150.01 S AM I A

107.429013282.32

15 5.1310786447.56

25 3.021*******.33

09.8471253138.10 SAM I B

10 6.729452271.09

15 4.8411273242.93

25 2.8719421714.78

AC5157.3770291048.51 由表5可知:SAM I沥青混合料的抗弯拉强度和弯拉模量随温度的升高而降低,且SAM I A的抗弯拉强度和弯拉模量略高于SAMI B;最大弯拉应变随温度的升高而显著增大.在15下,SAMI沥青混合料的抗弯拉强度明显小于普通SBS改性沥青混合料AC5,但都大于AC5抗弯拉强度的70%;其最大弯拉应变均大于A C5最大拉应变的16倍,即使在0下,SAM I沥青混合料的最大弯拉应变值也很大.这表明与普通沥青混合料相比,SAM I沥青混合料具有很好的变形能力.

4 SAMI沥青混合料的疲劳性能

研究表明,随着车辆作用次数的增加,路面结构的强度会逐渐降低直至产生疲劳裂缝.SAMI位于沥青层与半刚性基层或水泥混凝土板之间,起到缓

175

第2期汤 文,等:应力吸收层沥青混合料性能研究

解反射裂缝的作用,其抗疲劳性能必然对整体路面结构有很大影响.对疲劳性能的评价主要采用两种模式[7]:应力控制模式与应变控制模式.国外对应变控制已经进行了较深入的研究,结果表明,沥青用量的减少会降低混合料的疲劳寿命,但该结果只适用于薄沥青面层.本文采用应力控制的方式,加载方式为中点加载.试件成型方式与小梁弯曲试件一样,试验设备采用万能试验机(M TS810).试验温度选取我国广州及上海两地2005年的全年气象资料,以SH RP方法确定广州及上海两地典型路面结构中SAM I的等效温度分别为24.57,15.25[8].因此本文SAM I沥青混合料的疲劳试验温度定为15

及25.

试件在环境中保温5h;施加10H z连续式正弦波形荷载,依据本文测定的弯拉强度确定0.2, 0.3,0.4,0.5这4个应力比为应力水平,试验结果如表6所示.应力与疲劳寿命的对数关系见图1.

表6 沥青混合料疲劳寿命N f试验结果

T able6 Resu lts of fatigue tests T imes

S am ple

S tress ratio

0.50.40.30.2

SAM I A

229346101413562130 15282545001581279652 264347101297868120

295769781727887342 25223086271645190158 171371081813281031

SAM I B

298053701697375410 15314355401424981312 310060581498172131

3120814719210100231 25297289131894598783 301190191876289148

由表6可见:温度对SAM I沥青混合料的疲劳性能影响很大;相同的应力作用下,SAM I沥青混合料在15时的疲劳寿命远高于25时的疲劳寿命.但是在实际路面结构中,随着温度的升高,沥青混合料的模量显著下降,路面结构内的应力也显著下降.因此,上述结果并不表明实际路面结构中的SAM I在25时的疲劳寿命低于15时的疲劳寿命,这与路面结构的实际应力水平相关.应力与疲劳寿命方程为双对数形式,其方程形式为:lg N f=a-b lg t,式中:N f为疲劳寿命;t为施加的应力;a, b

为系数.由试验得到SAM I沥青混合料的疲劳回

图1 SA M I沥青混合料的疲劳寿命比较

Fig.1 F atig ue life compariso n o f SAM I mix tur e

归方程为:

SAMI A(15):lg N f=-3.6632lg t+4.8614,

R2=0.9946;

SAMI A(25):lg N f=-3.8292lg t+4.1027,

R2=0.9907;

SAM I B(15):lg N f=-3.5369lg t+4.8013,

R2=0.9948;

SA MI B(25):lg N f=-3.6659lg t+4.0886,

R2=0.9930.

5 结论

1.虽然SAM I沥青混合料的单轴贯入强度低于普通沥青混合料,但铺设SAMI的复合路面结构其动稳定度并不显著降低,可满足路面结构的高温稳定性要求.

2.SAM I沥青混合料的抗弯拉强度及弯拉模量随温度的升高而降低,而最大弯拉应变则随温度的升高而增大.但即使在0,其最大弯拉应变仍然远大于常温下的AC5沥青混合料.这表明SAM I沥青混合料具有很好的变形能力.

3.通过疲劳试验得到了SAMI沥青混合料在15,25下的疲劳方程.

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