關(guān)于耐久性瀝青路面剛性基層材料綜述

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關(guān)于耐久性瀝青路面剛性基層材料綜述
沙永達(dá)
摘要：本文根據(jù)剛性基層耐久性瀝青路面的設(shè)計(jì)要求,分析了基于耐久性能的貧混凝土基層和水泥混凝土基層的強(qiáng)度、模量、疲勞等力學(xué)特性及干縮和溫縮性能,提出一系列相關(guān)關(guān)系和指標(biāo),為剛性基層瀝青路面的應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)。
關(guān)鍵詞：耐久性瀝青路面; 剛性基層; 模量; 干縮; 溫縮
前言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展，交通大流量、車輛大型化、重載超載及渠化交通等逐漸成為現(xiàn)代交通的鮮明特點(diǎn)和必然趨勢(shì)。全球氣候的持續(xù)變暖，公路使用條件變得日益苛刻，傳統(tǒng)瀝青路面已難負(fù)重任，許多公路瀝青路面建成不久，各種病害也隨之而來，即使采用重交瀝青，仍不能滿足現(xiàn)代交通的需要，車轍、溫縮、開裂、坑槽等早期破壞情況時(shí)有發(fā)生。目前的使用實(shí)踐表明,半剛性基層瀝青路面早期破壞嚴(yán)重,養(yǎng)護(hù)維修成本高,特別是近年來早期修建的一些高速公路已相繼進(jìn)入大修或改建期,開膛破肚式的處理方式已經(jīng)付出了巨大的經(jīng)濟(jì)成本和社會(huì)代價(jià)。鑒于此,基于剛性基層的耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)逐漸受到工程技術(shù)人員的重視�；鶎涌刹捎秘毣炷�、水泥混凝土和連續(xù)配筋混凝土。根據(jù)各類剛性基層的物理力學(xué)特性,參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果,并結(jié)合基層的受力分析,連續(xù)配筋混凝土基層、水泥混凝土基層和貧混凝土基層的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期可分別為60年、45年和30年,從而充分體現(xiàn)出其優(yōu)越的耐久性能。
一、貧混凝土
貧混凝土是由粗、細(xì)集料與一定的水泥和水配制而成的一種材料，其強(qiáng)度大大高于二灰穩(wěn)定粒料、水泥穩(wěn)定碎石等半剛性基層材料。貧混凝土具有較高的強(qiáng)度和剛度，水穩(wěn)性好、抗沖刷能力強(qiáng)。貧混凝土由于膠結(jié)料含量少，空隙率一般較大，有利于界面水的排放。貧混凝土能緩和土基的不均勻變形，可消除對(duì)路面的不利影響。另外，貧混凝土還可以利用地方小泥窯生產(chǎn)的水泥，也可使用低標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)?shù)丶�。貧混凝土是指用較少量水泥的混凝土,因而又稱為經(jīng)濟(jì)混凝土.貧混凝土有濕貧混凝土、干貧混凝土和多孔貧混凝土三類,都具有良好的抗沖刷性能。貧混凝土(Lean Concrete，簡(jiǎn)稱LC)是由粗、細(xì)級(jí)配集料與一定水泥和水拌和而成的一種混凝土。這種混凝土的水泥用量較普通混凝土低，有時(shí)也稱經(jīng)濟(jì)混凝土(Econcrete) ,與水泥穩(wěn)定碎石、二灰碎石等常用半剛性材料相比，具有較高的強(qiáng)度、剛度和整體性，抗沖刷、抗凍性、以及抗疲勞性能良好。貧混凝土通常道路基層，和面層一起承受到車輛荷載和溫度荷載的反復(fù)作用，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮其疲勞性能。鑒于其優(yōu)良的路用性能,英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、巴西、澳大利亞和比利時(shí)等國(guó)家的高速公路路面有很多采用貧混凝土基層。近年來國(guó)內(nèi)單位對(duì)貧混凝土基層路面開展了深入研究,修筑了貧混凝土基層瀝青路面試驗(yàn)路。
1、貧混凝土的強(qiáng)度特性
對(duì)貧混凝土強(qiáng)度,各國(guó)要求差別較大。澳大利亞高速公路碾壓貧混凝土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求為5 MPa,美國(guó)加利福尼亞州要求貧混凝土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為5.4 MPa。英國(guó)要求貧混凝土的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為6 MPa~15 MPa,并對(duì)四個(gè)強(qiáng)度等級(jí)7 d抗壓強(qiáng)度分別要求達(dá)到4.5 MPa,7.0 MPa,10.0 MPa,15.0 M Pa。德國(guó)對(duì)貧混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度要求達(dá)到12 M Pa。因抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)較抗彎拉強(qiáng)度簡(jiǎn)單,實(shí)際工程中,可根據(jù)抗壓強(qiáng)度預(yù)估抗彎拉強(qiáng)度。通過試驗(yàn),對(duì)40組貧混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得出28 d其抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度的關(guān)系為:
f r=0.475f c0.658 (R=0.911) (1)
其中,f r為貧混凝土的抗彎拉強(qiáng)度,MPa ：f c為貧混凝土的抗壓強(qiáng)度,MPa。
根據(jù)式(1)計(jì)算出常用貧混凝土的抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度取值,如表1所示。
表1貧混凝土抗壓強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度
抗壓強(qiáng)度 4.0 5.0 10.0 15.0 20.0
抗彎拉強(qiáng)度 1.18 1.37 2.16 2.82 3.14
試驗(yàn)結(jié)果表明,貧混凝土的強(qiáng)度隨著水泥強(qiáng)度的提高而提高,且碾壓貧混凝土的強(qiáng)度高于振搗貧混凝土�；炷恋目箟簭�(qiáng)度主要取決于構(gòu)成骨架的強(qiáng)度,抗彎拉強(qiáng)度則主要取決于水泥膠漿與集料的界面結(jié)合強(qiáng)度。
2、貧混凝土的應(yīng)力應(yīng)變特性
1)抗壓彈性模量。抗壓彈性模量采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件時(shí),應(yīng)力為軸心抗壓強(qiáng)度40%時(shí)的加荷割線模量值。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,回歸出抗壓強(qiáng)度與抗壓彈性模量之間的關(guān)系為:
E壓=0.427f壓0.66 (R=0.903) (2)
2)彎拉彈性模量。彎拉彈性模量采用小梁試件進(jìn)行三分點(diǎn)加荷的方式,測(cè)定3 kN至50%極限荷載處的割線模量,用跨中撓度公式反算求得。綜合考慮室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和國(guó)外研究成果,得到貧混凝土的強(qiáng)度與模量關(guān)系公式(3):
E r=10 452f r0.754 (3)
3、貧混凝土的疲勞特性
進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)考慮貧混凝土的疲勞特性,在于計(jì)算貧混凝土基層荷載應(yīng)力時(shí)確定其荷載疲勞應(yīng)力系數(shù)kf。
通過對(duì)112個(gè)貧混凝土小梁試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,得出貧混凝土的雙對(duì)數(shù)疲勞方程式(4):
1g =lga－blgN (4)
其中,S為應(yīng)力水平, σ為疲勞試驗(yàn)應(yīng)力與抗彎拉強(qiáng)度f(wàn) r之比;R為低高應(yīng)力比,R=σmin/σmax;N為荷載作用次數(shù)。對(duì)于荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力綜合疲勞作用的疲勞方程,將荷載應(yīng)力和溫度翹曲應(yīng)力代入,即取σmin=σt, σmax=σp+σt,。
由此,便可以定義疲勞應(yīng)力系數(shù)kf為:
kf= Neb (5)
其中,Ne為標(biāo)準(zhǔn)軸載在使用年限內(nèi)的累計(jì)作用次數(shù); σp, σt分別為荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力;a,b均為疲勞方程中的系數(shù),根據(jù)式(4)確定。
二、水泥混凝土及連續(xù)配筋混凝土
1、混凝土的強(qiáng)度特性
在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,水泥混凝土基層板體將承受行車荷載和溫度荷載的共同作用,基層底面所產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力和混凝土的彎拉強(qiáng)度確定了其所需要的厚度。因此,采用彎拉試驗(yàn)確定的彎拉強(qiáng)度能同路面受力狀況相匹配。彎拉試驗(yàn)采用梁式試件,試件的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為15 cm×15 cm×55 cm,采用三分點(diǎn)加荷方式。現(xiàn)行水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范中,水泥混凝土的設(shè)計(jì)彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為28 d齡期的彎拉強(qiáng)度。當(dāng)混凝土澆筑90 d內(nèi)不開放交通時(shí),采用90 d齡期的彎拉強(qiáng)度,約為28 d強(qiáng)度的1.15倍。作為耐久性瀝青路面基層,水泥混凝土的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值亦應(yīng)滿足表2的要求。
表2水泥混凝土彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 MPa
公路技術(shù)等級(jí) 高速一級(jí) 二級(jí)
水泥混凝土的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 4.5~5.0 4.0~4.5 3.5~4.0
連續(xù)配筋混凝土的彎拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 5.0~5.5 4.5~5.0 ¬—
2、混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變特性
水泥混凝土的彈性模量及其數(shù)值大小會(huì)影響到路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。彈性模量的測(cè)定試驗(yàn)比較費(fèi)時(shí),而且應(yīng)變量很小,測(cè)定結(jié)果不易準(zhǔn)確。彈性模量和強(qiáng)度測(cè)定值所受影響因素大致相同,可以建立較好的相關(guān)關(guān)系。
1)抗壓彈性模量與抗壓強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。
國(guó)外許多研究者經(jīng)過大量試驗(yàn),建立了混凝土圓柱體抗壓彈性模量Ec與抗壓強(qiáng)度和混凝土密度γ的不同經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。表3列出部分經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式及其適用范圍。

表3混凝土抗壓彈性模量和圓柱體抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系
提出者經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式適用范圍
美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)ACI-318 Ec=44γ1.5fc0.5 fc在2.76 MPa~40 MPa內(nèi)
Carrasquillo等 Ec=3 321.4fc0.5+6 895 中、高強(qiáng)混凝土
Ahmad等 Ec=3.55γ2.5fc0.325 低、中、高強(qiáng)混凝土
注:Ec和fc的單位為MPa, γ的單位為kN/m3
2)彎拉彈性模量與彎拉強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。
梁試件彎曲試驗(yàn)時(shí),可采用撓度法或應(yīng)變法測(cè)定混凝土的彎拉彈性模量。國(guó)內(nèi)一些研究者通過試驗(yàn)建立了混凝土彎拉彈性模量Er與彎拉強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式,見表4。
表4混凝土彎拉彈性模量與彎拉強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系
提出者經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式備注
中交二公院 Er=
撓度法
空軍工程設(shè)計(jì)研究局 Er=
舊道面鋸切梁試件,應(yīng)變法
3、混凝土的疲勞特性
對(duì)于混凝土的疲勞方程,國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究,在疲勞壽命N于102~107范圍內(nèi)得出線性疲勞方程式(6):
S= =a－ lgN (6)
其中,S為應(yīng)力水平; max為反復(fù)應(yīng)力最大值;f r為混凝土的彎拉強(qiáng)度; a, 均為混凝土疲勞試驗(yàn)確定的系數(shù)。
4、混凝土的收縮和膨脹
路面水泥混凝土除因凝結(jié)與硬化所引起的體積變化外,還因長(zhǎng)期暴露于大自然而受大氣的溫度和濕度,以及地基水溫狀況變化的影響,產(chǎn)生脹縮變形。由于水泥混凝土中集料所占的比例超過80%,因此,集料的脹縮性質(zhì)起主導(dǎo)作用。通常,水泥混凝土路面在溫度變化時(shí),每升降1℃,平均每100 m長(zhǎng)度伸縮1 mm,路面設(shè)置脹縮縫的目的是避免和控制路面混凝土產(chǎn)生不規(guī)則裂縫。混凝土隨含水量變化而引起的干縮變形,主要取決于拌制混凝土?xí)r的單位用水量。單位用水量越大,干燥時(shí)的收縮也越大。因此,應(yīng)在施工條件允許的范圍內(nèi)盡可能采用較小的單位用水量。至于其他影響因素,如水泥用量、水灰比等雖與干縮性有關(guān),但影響程度遠(yuǎn)不如用水量。
三、常用的改善瀝青混合料路用性能的技術(shù)主要有以下幾種：
1、級(jí)配改良
級(jí)配是指礦質(zhì)混合料的各種粒徑范圍顆粒重量的分配比例。級(jí)配對(duì)瀝青混合料路用性能有著重要的影響。通過改良級(jí)配可以使瀝青混合料具有良好的高低溫及疲勞等性能，但混合料在施工過程中的離析卻往往使這種改良效果得不到充分的發(fā)揮，導(dǎo)致級(jí)配改良可能成為一把雙刃劍，在提高瀝青混合料高低溫及疲勞性能的同時(shí)降低其抗水損壞能力，或者相反。
2、瀝青改性
對(duì)瀝青進(jìn)行改性來提高瀝青混合料路用性能的方法由來已久。早在1873年Samue Wgite就申請(qǐng)了天然橡膠改性瀝青的專利。從此以后，道路工程師一直試圖在瀝青中加入改性劑，改善瀝青特性。尤其是近些年，世界范圍內(nèi)改性瀝青特別是聚合物改性瀝青的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用達(dá)到了前所未有的高潮。但瀝青與改性劑的相容性、改性瀝青的熱儲(chǔ)存、運(yùn)輸穩(wěn)定性及路用性能改善的局限性等難題依然無(wú)法克服，應(yīng)用成本較高。
3、瀝青混合料改性
瀝青混合料改性是指在瀝青混合料生產(chǎn)過程中，直接將外摻劑加入拌和樓中，與礦質(zhì)混合料干拌一定時(shí)間后再與加入的瀝青一起攪拌從而改善瀝青混合料的路用性能。用于瀝青混合料改性的外摻劑主要有單一外摻劑如纖維、廢舊橡膠粉、廢舊塑料、硅藻土等和專用復(fù)合外摻劑如PRI抗車轍劑（法國(guó)）、DUROFLEX抗車轍劑（德國(guó)）、SEAM添加劑（美國(guó)）等。使用外摻劑生產(chǎn)的改性瀝青混合料因其技術(shù)性能優(yōu)良、生產(chǎn)施工簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)上合理等特點(diǎn)在我國(guó)的路面工程鋪筑中已逐漸被認(rèn)同和采用，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。
4、不同技術(shù)的復(fù)合使用
不同技術(shù)的復(fù)合可以最大程度地發(fā)揮單種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服不利因素，例如級(jí)配進(jìn)行改良的同時(shí)使用改性瀝青或者使用外摻劑，工程實(shí)際采用最多。盡管改善瀝青混合料路用性能的技術(shù)措施有多種，但重點(diǎn)仍是通過各種手段對(duì)瀝青混合料進(jìn)行改性。值得注意的是：國(guó)際上最新的前沿瀝青混合料改性技術(shù)已從“瀝青的改性”逐漸發(fā)展為“混合料的改性”。
與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)對(duì)瀝青混合料改性技術(shù)的研究起步較晚，自90年代初以來，對(duì)外摻廢舊橡膠粉用于瀝青混合料改性的研究主要是西部交通科技項(xiàng)目“廢舊橡膠粉用于筑路的技術(shù)研究”，除此之外，我國(guó)還對(duì)硅藻土、廢舊玻璃等用于瀝青混合料的改性進(jìn)行了研究，特別是硅藻土。然而大部分實(shí)際應(yīng)用仍集中在硅藻土改性瀝青范圍，混合料應(yīng)用較少。我國(guó)對(duì)瀝青混合料改性專用外摻添加劑的認(rèn)識(shí)是在國(guó)外產(chǎn)品進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)開始的。由此，綜合各類專用外摻添加劑產(chǎn)品的特點(diǎn)，加強(qiáng)國(guó)產(chǎn)同類產(chǎn)品的開發(fā)研制，盡快實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，已十分迫切�？v觀國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)：外摻添加劑可以用于各種類型的瀝青混合料中且使用方便、施工工藝簡(jiǎn)單，對(duì)施工單位技術(shù)水平的要求不高，比較符合我國(guó)的國(guó)情，同時(shí)增加費(fèi)用不大，對(duì)路面各項(xiàng)性能的改善又可兼顧，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
四、結(jié)語(yǔ)
本文分析了基于耐久性能的貧混凝土基層和水泥混凝土基層的強(qiáng)度、模量、疲勞等力學(xué)特性及干縮和溫縮性能,提出一系列相關(guān)關(guān)系和指標(biāo),為剛性基層瀝青路面的應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供技術(shù)參數(shù)。
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