设同步碎石下封层的基面间剪切强度影响因素分析
2014年2月
第36卷 第2期
J O U R N A LO F W U H A NU N I V E R S I T YO FT E C H N O L O G Y
武 汉 理 工 大 学 学 报
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:/d o i 10. 3963. i s s n . 1671-4431. 2014. 02. 012j
V o l . 36 No . 2
F e b . 2014
设同步碎石下封层的基面间剪切强度影响因素分析
周泽洪, 郑南翔, 纪小平
() 长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室, 西安710064
摘 要:变化沥青种类和用量㊁ 碎石粒径和撒布 旨在考察设同步碎石下封层的基面间剪切强度的影响因素及影响规律, 率成型复合试件, 采用直剪仪测试不同温度及试验荷载下的剪切强度㊂ 研究结果表明:层间剪切强度随沥青用量呈先增加后减小的变化趋势, 峰值处为最佳沥青用量; 在碎石粒径与撒布率相同的情况下, 不同种类沥青的最佳沥青用量及最大抗碎石粒径对剪切强度和沥青用量有重大影响, 推荐55~10m m ㊁ 10~15m m 碎石的最佳撒布率为60%和30%; ~10m m 粒径的碎石作为同步碎石下封层的最佳粒径; 随着试验温度升高, 层间剪切强度降低; 随着试验试件上正压力的加大, 层间剪㊂ 切强度增强, 试验结果偏离实际情况, 因此推荐合理试验温度为6试验时试件上正压力为0M 0ħ ㊁ P a 关键词: 半刚性路面; 同步碎石; 剪切强度; 影响因素中图分类号: U416. 14
文献标识码: A
() 文章编号:1671-4431201402-0060-07
剪强度有差异, 抗剪强度最大的为S 抗剪强度最小的为基质沥青; 碎石撒布率对层间剪切强度有明显的影响, B S 改性沥青,
A n a l s i s o f F a c t o r sA f f e c t i n t h e S h e a r S t r e n t hB e t w e e nS u r f a c e s y g g
W h i c h i sP u t u n c h r o n o u sU n d e r -s e a l p S y
(, K e a b o r a t o r o r S e c i a lA r e aH i h w a n i n e e r i n fM i n i s t r fE d u c a t i o n y L y f p g y E g g o y o
Z H O UZ e -h o n Z H E N GN a n -x i a n J IX i a o -i n g , g , p g
, ) C h a n a nU n i v e r s i t X i a n710064, C h i n a g y
, , c h a n i n t h e t ea n dt h ea m o u n to fa s h a l t r a i ns i z ea n ds r e a d i n a t eo fc o m o s i t es e c i m e n s w eu s e dt h ed i r e c ts h e a r g g y p p g p g r p p , a n d t h e nd e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s i n s h a l t c o n t e n t a n d p e a k i s t h eo t i m u ma s h a l t c o n t e n t . W i t h t h e s a m e g r a i ns i z e a n d g a p p p
:, A b s t r a c t Toi n v e s t i a t e t h e f a c t o r s a n d r u l e i n f l u e n c i n h e s u r f a c e s h e a r s t r e n t hw h i c h i s p u t u n c h r o n o u su n d e r s e a l g g t g p s y -
s t r e n t h t e s t a t d i f f e r e n t t e m e r a t u r e s a n dd i f f e r e n t t e s t l o a d s . T h e r e s u l t s s h o wt h a t i n t e r l a e r s h e a r i n t r e n t h i n c r e a s e s f i r s t g p y g s g , , s r e a d i n a t e o t i m u ma s h a l t c o n t e n t a n d t h em a x i m u ms h e a r s t r e n t ha r e d i f f e r e n t f o r d i f f e r e n t t e s o f a s h a l t t h em a x i p g r p p g y p p -
, s h e a r i n t r e n t h t h e o t i m u ms r e a d i n a t e s o f r a i n s i z e 5~10m m ㊁ 10~15m ma r e 60%a n d30%; a l l e t g r a i n s i z eh a s a g s g p p g r g g
, m u mi s t h e S B Sm o d i f i e d a s h a l t a n d t h e s m a l l e s t i s t h em a t r i x a s h a l t . G a l l e t s r e a d i n r a t e h a s o b v i o u s e f f e c t o n t h e i n t e r l a e r p p p g y
; t h e b e s t p a r t i c l e s i z e . T h e s h e a r i n t r e n t hd e c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s e o f t h e t e s t t e m e r a t u r e w i t h t h e i n c r e a s e o f t h e p o s i t i v e g s g p b l e t e s t t e m e r a t u r e i s 60ħ , a n d t e s t p o s i t i v e p r e s s u r e i s 0M P a . p
, , r e s s u r e o f p i e c e t h e s h e a r i n s t r e n t h e n h a n c e s a n d t h e r e s u l t s d e v i a t e f r o mt h e a c t u a l s i t u a t i o n . T h u sw e r e c o m m e n d a r e a s o n a p g g -
, s i n i f i c a n t i m a c t o n s h e a r s t r e n t h a n d a s h a l t c o n t e n t a n dw e r e c o m m e n d e d g r a i n s i z e 5~10m mo f s n c h r o n o u s u n d e r s e a l a s g p g p y -
:; ; K e o r d s s e m i r i i d p a v e m e n t s n c h r o n o u s s h e a r i n t r e n t h ; f a c t o r s g y g s g y w -同步碎石封层技术是由法国赛格玛(公司发明并兴起, 目前在世界多个国家使用, 在反复的S E C MA I R )
使用中进行了技术的不断优化和改进㊂ 我国自2在多个地区㊁ 多个项目中应用㊂ 将002年引进该技术以后,
同步碎石封层用于既有路面表面上称之为同步碎石上封层, 起到预防性防护的目的; 将同步碎石封层设置在半刚性基层与沥青面层之间, 称之为同步碎石下封层, 对减缓半刚性基层反射性裂缝上升至沥青面层以及阻
收稿日期:2013-11-15.
) 基金项目:国家西部交通建设科技项目([1**********]9.
) , :作者简介:周泽洪(男, 博士生. 1984-E -m a i l z z h 2171@163. c o m
36 2 61
止路面水渗透到基层上有着重要的作用和良好的效果, 而同步碎石下封层功能的发挥在于其设计是否合理㊂ 目前对于同步碎石下封层的设计方法和相关设计参数取值还未有非常系统的研究, 从而导致达不到预期的
1-5]6-7]
㊂ 作者通过大量试验对比分析, , 效果[以层间抗剪强度为指标[对洒布沥青种类的选取㊁ 最佳碎石粒径
的优选以及对影响试验结果的温度环境㊁ 荷载条件进行分析, 研究影响同步碎石封层性能的因素, 总结出用于同步碎石下封层设计的方法㊂
1 试 验
1. 1 原材料采用7橡胶粉改性沥青㊁ 其技术性能如表10号基质沥青㊁ S B R 改性乳化沥青㊁ S B S 改性沥青进行试验, 所示㊂ 选用粒径为5~1技术指标如表2所示㊂ 0mm 和10~15mm 的石灰岩碎石进行对比试验,
表1 沥青技术性能
T a b l e 1 T e c h n i c a l i n d e x e s o f a s h a l t s p
沥青种类
70号基质沥青S B R 改性乳化沥青橡胶粉改性沥青S B S 改性沥青
, ) /针入度(25ħ , 100g 5s
(0. 1mm ) 71. 3
60. 463. 774. 3
/, /动力粘度(/延度(5c m m i n 5ħ ) 60ħ )
c m
(>10015ħ ) 62. 12646. 8
(㊃ s ) P a 243. 5
2. 8--/软化点/密度(15ħ ) 49
54. 564. 591ħ
(㊃ c m -3) g
1. 0360. 9961. 0971. 084
表2 粗集料技术性能
T a b l e 2 T e c h n i c a l p e r f o r m a n c e o f c o a r s e a r e a t e g g g
磨耗值/14. 0%
压碎值/9. 0%
与沥青的粘附性(/级加0. 3%抗剥落剂)
5
表观相对密度10~15mm 2. 653
5~10mm 2. 655
集料吸水率/%
10~15mm
1. 65
5~10mm 1. 72
复合试件下层为5c 上层为5c 选用复合试件进行试验, m 厚的水泥稳定碎石基层, m 厚A C -20沥青混
合料, 上下层之间设置同步碎石封层, 沥青混合料使用的沥青为70号基质沥青, A C -20混合料的级配如表3所示, 下层为水泥稳定碎石, 水M a r s h a l l 指标如表4所示; S B R 改性乳化沥青粘油层技术指标如表5所示; ㊂ 水泥稳定碎石与沥青泥稳定碎石的级配如表6所示, 水泥用量为4. 2%, 7d 无侧限抗压强度为4. 03M P a 混合料间喷洒煤油稀释沥青透层与S B R 改性乳化沥青粘层㊂
表3 A C -20沥青混合料级配
T a b l e 3 G r a d a t i o no f a s h a l tm i x t u r eA C -20p
级配设计级配
26. 5100
1995
13. 286
通过下列筛孔(方孔筛mm ) 的质量百分率/%9. 577
4. 7568
2. 3644
1. 1835
0. 629
0. 321
0. 1515
0. 0759
表4 A C -20沥青混合料技术指标
T a b l e 4 T e c h n i c a l i n d e x f o r a s h a l tm i x t u r eA C -20p
最佳油石比/%4. 6
毛体积相理论最大对密度2. 545
相对密度2. 659
空隙率/%4. 3
饱和70. 98度/%
矿料间隙率/%14. 78
稳定度/k N 8. 58
流值/3. 69mm
残留稳94. 8
冻融92. 1
动稳定度/1582
定度/%强度比/%(次㊃ mm -1)
表5 S B R 改性乳化沥青粘油层技术指标
T a b l e 5 T e c h n o l o i n d e x o f S B R m o d i f i e d e m u l s i f i e da s h a l t l a e r g y p y
筛上剩余量(/1. 18mm )
%0. 08
粘度
恩格拉粘度沥青标准粘度
蒸发残留物
/C s 25, 312~60
含量/%75
, 针入度(100g ) /25ħ , 5s (0. 1mm )
68
软化点/延度(三氯5ħ ) 溶解度(ħ
/c m 29
/%乙烯) 99
62
贮存稳定性() /%5d
3
E 253~30
62
20142表6 水泥稳定碎石基层级配
T a b l e 6 G r a d a t i o no f c e m e n t s t a b i l i z e d g r a v e l
级配设计级配
通过下列方筛孔(的质量百分率/%mm )
9. 5049
4. 7528
2. 3621
31. 5100
19. 075
1. 2 复合试件成型方法
/在成型好的水泥稳定碎石基层车辙板上洒布好煤油稀释沥青透层油, 洒布量为0. 待透层油干4L m 2, /m 2; 后撒布同步碎石, 待形成强度后洒布粘层油, 粘层油洒布量为1. 养生12L 2h 后在车辙板上铺筑沥青层, 最后钻芯取样, 获得试验用的复合试件, 如图1所示㊂
13. 2
0. 60. 0751
1. 3 剪切试验
采用课题组研制的直剪仪测试复合试件层间抗剪强度㊂ 试验温度为6不施加正压力㊁ 剪切速率为0ħ ㊁
2 试验方案
7]) ㊁ 最佳沥青用量的确定 以复合试件层间抗剪强度为指标, 以理论计算油量为设计中值[设计中值1
设计中值ʃ 3以抗剪强度最大值所对应的沥青用量为最佳沥青用量㊂ ʃ 15%㊁ 0%5种油量进行洒布, 沥青种类优选 在1选用喷洒最佳剂量的72) 0~15mm 碎石90%撒布率的条件下, 0号基质沥青㊁ S B R
/㊂ 50mm m i n
改性乳化沥青㊁ 橡胶粉改性沥青㊁ 通过对比试验优选基于S B S 改性沥青4种沥青进行对比的剪切强度试验, 剪切强度最大的沥青种类㊂
) 碎石撒布率的优选 采用优选出的沥青, 对粒径为130~15mm 的碎石和粒径为5~10mm 的碎石,
选用0%㊁ 对每一种碎石撒布率分别采用5种不30%㊁ 60%和90%4种碎石撒布率, 5种不同油量进行洒布, 同油量, 以理论计算油量为设计中值㊁ 设计中值ʃ 1设计中值ʃ 3成型试件进行5%㊁ 0%5种油量进行洒布, 剪切试验㊂
) 碎石粒径的优选 对于粒径为5~1以优选出的最佳撒布率40mm 的碎石和粒径为10~15mm 碎石, 和最佳油量下的抗剪强度对比, 优选出最佳撒布碎石粒径㊂
3 试验结果及讨论
) 最佳沥青用量的确定 图2为4种沥青在不同沥青洒布量与剪切强度下的曲线㊂ 由结果可知, 随着1
沥青用量的增大, 剪切强度先增大并出现峰值, 随后逐渐降低㊂ 其原因是沥青洒布量太小, 对碎石的裹覆度小, 碎石和基层间的联结力低, 层间抗剪强度弱; 沥青洒布量太大时, 多余的沥青将在基层与沥青面层间形成滑移层, 在水平力的作用下, 容易产生滑移, 导致层间抗剪力降低㊂ 取抗剪强度最大时的沥青用量为最佳沥青用量, 通过计算得到不同沥青的最佳用量, 结果如表7所示, 由结果可知, 基质S B S 改性沥青的用量最大, 沥青用量最小, 这是由不同沥青的粘度差异造成的㊂
36 2 63
表7 4种沥青在90%碎石撒布率下剪切强度与沥青用量的关系
T a b l e 7 T h e r e l a t i o n s h i e t w e e n s h e a r s t r e n t ha n da s h a l t c o n t e n t o f f o u r k i n d s o f p b g p
a s h a l t a t 90%g a l l e t s r e a d i n a t e p p g r
试验目标最大抗剪强度/M P a
基质沥青0. 03481. 996
S B R 改性乳化沥青
0. 04422. 114
橡胶沥青0. 0452. 180
S B S 改性沥青
0. 0472. 303
不同沥青种类的影响 图3是1 2) 0~15mm 碎石在90%撒布率下, 4种不同沥青在最佳用量下的层间剪切强度, 由结果可知, 不同洒布沥青条件下基面间的最大抗剪强度大小顺序排列为:S B S 改性沥青>橡胶/洒布量为2. 303k m 2, 抗剪切强度为g
㊂ 0. 047M P a 改性沥青最优, 在撒布率90%时的最佳沥青
(㊃ m -2) 最佳沥青用量/k g
沥青>SB R 改性乳化沥青>基质沥青, S B S
剪切强度随沥青用量的变化曲线, 由结果可知, 在任意碎石撒布率下, 剪切5~10mm 碎石在不同撒布率下,
强度与沥青用量的变化呈抛物线形式㊂ 通过进一步计算, 得到不同撒布率下的最大抗剪强度, 结果分别如; , 对于5~1为0. 最大抗剪强0. 0797M P a 0mm 碎石, 60%碎石撒布率所对应的抗剪强度最大, 0833M P a /度所对应的最佳沥青用量为1. 673k m 2㊂ g
) 最佳粒径优选比较 对5~140mm ㊁ 10~15mm 两档不同粒径撒布碎石以及未撒布碎石的层间抗剪切性能进行分析比较, 见表8㊂ 由结果可知, 同步碎石下封层的设置能大大提高基面间的抗剪强度, 比未设图6和图7所示, 由结果可知, 对于1在3达到0~15mm 碎石, 0%碎石撒布率下层间抗剪强度最大,
) 碎石撒布率对同步碎石下封层的影3
响 图4和图5分别为10~15mm 碎石㊁
64
20142置同步碎石下封层的层间抗剪强度多约1倍; 粒径为5~10mm 的碎石在撒布率60%时层间抗剪切强度最, /大, 为0. 此时最佳洒布油量为1. 粒径为10833M P a 673k m 2; 0~15mm 的碎石在撒布率30%下其层间g , /抗剪强度最大, 为0. 此时最佳洒布油量为1. 比粒径为5~10797M P a 85k m 2, 0mm 的碎石最大抗剪强g 度小约4%, 因此推荐采用5~10mm 粒径的碎石作为同步碎石下封层的最佳粒径
㊂
36 2 65
表8 不同碎石粒径及撒布率下的性能对比表
T a b l e 8 P e r f o r m a n c e c o m a r i s o n t a b l e o f d i f f e r e n t r a i n s i z e s t o na n d s r e a d i n a t e p g p g r
下封层类型碎石粒径5~10mm
未撒布碎石
碎石撒布率/%
60300
(㊃ m -2) 洒布油量/k g
1. 6731. 8501. 430
层间最大剪切力/N
653. 9625. 6258. 3
最大抗剪强度/M P a
0. 08330. 07970. 0329
碎石粒径10~15mm
) 试验因素的影响 5
() 同步碎石下封1层对试验温度的敏感
8-9]
性[ 同步碎石下封
表9 不同温度下剪切强度对比
常温抗剪强度/M P a
0. 39310. 38220. 42460. 41080. 3862
T a b l e 9 C o m a r i s o no f s h e a r s t r e n t ha t d i f f e r e n t t e m e r a t u r e p g p
试件编号C X 91C X 92C X 93C X 94C X 95
高温抗剪强度/M P a
0. 02640. 03220. 03420. 06060. 0335
高温抗剪强度ʒ 常温抗剪强度/%
6. 78. 414. 78. 78. 1
层的粘结材料主要为沥青, 而沥青对温度较为敏感, 考虑到路面使用中的实际温度情况, 采
用常温25ħ 和高温
结果如表9所示㊂ 60ħ 两种不同温度进行对比试验,
注:试验所用试件均为橡胶粉改性沥青在相同碎石撒布率下成型的试件㊂
强度约为常温时的8%, 主要由于温度升高后封层粘结能力降低, 因此高温条件为最不利条件, 文中从高温损坏的角度考虑, 最终选用高温(剪切来作为方案比选标准㊂ 60ħ )
() 竖向荷载对层间抗剪强度的影响 在高温6在剪切试验过程中通过施加荷载与不施加20ħ 条件下,
荷载进行对比分析, 实测试验结果如表10所示㊂
表10 施加荷载与未施加荷载的对比试验数据
) 施加荷载(时抗剪强度/0. 7M P a
0. 52150. 50040. 58260. 54550. 61070. 64200. 66990. 5359M P a
T a b l e 10 T h e c o m a r i s o n e x e r i m e n t a l d a t ab e t w e e n t h e a l i e d l o a da n dn o l o a da l i e d p p p p p p
试件编号G 33G 62G 63G 64G 92G 93J 95X 91
未施加荷载时抗剪强度/
0. 08400. 04820. 04960. 05830. 04150. 04310. 02240. 0264M P a
有荷载时抗剪强度ʒ 无荷载时抗剪强度
10. 411. 714. 714. 930. 020. 39. 46. 2
根据表9试验结果得出如下结论:温度升高, 设同步碎石下封层的层间剪切力降低, 60ħ 时的层间抗剪
注:表内试件编号中首字母代表沥青种类, 代表S 代表基质沥青, 代表橡胶粉改性沥青; 第1个数字代表碎石撒布率, G B S 改性沥青, J X 第2个数字代表试件成型的序号; 如 代表S G 33B S 改性沥青在30%碎石撒布率下成型的第2个试件㊂
66
20142布率9橡胶粉改性沥青以及基质沥青这3种沥青在施加荷载与未施加荷载条件下的0%下, S B S 改性沥青㊁ 剪切力比值分别为1正压力对层间抗剪强度影响特别大, 但对于不同的沥青以及不同的碎0㊁ 20㊁ 30㊂ 可见, 石撒布率影响程度是不一样的㊂
通过以上温度和正压力试验结果分析认为:在高温条件下, 沥青受高温影响, 粘结性能降低, 层间抗剪能力减弱㊂ 未加正压力下, 表征的是受高温影响后的路面受剪情况, 突出的是碎石封层的粘结效果㊂ 施加正压力后, 层间碎石封层的碎石被压入面层, 碎石的嵌挤性得到加强, 加大了层间摩阻力, 剪切力因此增加许多倍, 摩阻力的巨大作用削弱了碎石封层的本身作用, 与设想不符, 因此推荐使用不加正压力剪切试验㊂
根据表1施加0. 试件的层间抗剪力增大许多, 在相同碎石撒0可得出如下结论:7M P a 正压力荷载时,
4 结 论
通过层间抗剪切试验获知, 相同碎石撒布率㊁ 不同洒布沥青条件下的基面间最大抗剪强度大小顺序排a . 列为:优选出S S B S 改性沥青>橡胶沥青>S B R 改性乳化沥青>基质沥青, B S 改性沥青为最佳沥青㊂ , 粒径为5~1为0. 此时最佳洒布油量b . 0mm 的碎石在撒布率60%时层间抗剪切强度最大, 0833M P a
/为1. 其抗剪强度较粒径为1673k m 2, 0~15mm 的碎石在最佳撒布率30%下的层间抗剪强度大4%㊂ g 通过试验研究了同步碎石下封层试验影响因素, 确定了以6以不施c . 0ħ 试验温度为最合理试验温度㊁
加荷载压力为试验条件, 为同步碎石下封层的设计推广应用提供了依据㊂
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