关于耐久性沥青路面刚性基层材料综述

关于耐久性沥青路面刚性基层材料综述
沙永达
摘要：本文根据刚性基层耐久性沥青路面的设计要求,分析了基于耐久性能的贫混凝土基层和水泥混凝土基层的强度、模量、疲劳等力学特性及干缩和温缩性能,提出一系列相关关系和指标,为刚性基层沥青路面的应力分析和结构设计提供技术参数。
关键词：耐久性沥青路面; 刚性基层; 模量; 干缩; 温缩
前言
随着国民经济和交通运输的快速发展，交通大流量、车辆大型化、重载超载及渠化交通等逐渐成为现代交通的鲜明特点和必然趋势。全球气候的持续变暖，公路使用条件变得日益苛刻，传统沥青路面已难负重任，许多公路沥青路面建成不久，各种病害也随之而来，即使采用重交沥青，仍不能满足现代交通的需要，车辙、温缩、开裂、坑槽等早期破坏情况时有发生。目前的使用实践表明,半刚性基层沥青路面早期破坏严重,养护维修成本高,特别是近年来早期修建的一些高速公路已相继进入大修或改建期,开膛破肚式的处理方式已经付出了巨大的经济成本和社会代价。鉴于此,基于刚性基层的耐久性沥青路面结构逐渐受到工程技术人员的重视。基层可采用贫混凝土、水泥混凝土和连续配筋混凝土。根据各类刚性基层的物理力学特性,参考国内外相关研究成果,并结合基层的受力分析,连续配筋混凝土基层、水泥混凝土基层和贫混凝土基层的设计基准期可分别为60年、45年和30年,从而充分体现出其优越的耐久性能。
一、贫混凝土
贫混凝土是由粗、细集料与一定的水泥和水配制而成的一种材料，其强度大大高于二灰稳定粒料、水泥稳定碎石等半刚性基层材料。贫混凝土具有较高的强度和刚度，水稳性好、抗冲刷能力强。贫混凝土由于胶结料含量少，空隙率一般较大，有利于界面水的排放。贫混凝土能缓和土基的不均匀变形，可消除对路面的不利影响。另外，贫混凝土还可以利用地方小泥窑生产的水泥，也可使用低标准的当地集料。贫混凝土是指用较少量水泥的混凝土,因而又称为经济混凝土.贫混凝土有湿贫混凝土、干贫混凝土和多孔贫混凝土三类,都具有良好的抗冲刷性能。贫混凝土(Lean Concrete，简称LC)是由粗、细级配集料与一定水泥和水拌和而成的一种混凝土。这种混凝土的水泥用量较普通混凝土低，有时也称经济混凝土(Econcrete) ,与水泥稳定碎石、二灰碎石等常用半刚性材料相比，具有较高的强度、刚度和整体性，抗冲刷、抗冻性、以及抗疲劳性能良好。贫混凝土通常道路基层，和面层一起承受到车辆荷载和温度荷载的反复作用，结构设计时需考虑其疲劳性能。鉴于其优良的路用性能,英国、美国、德国、法国、巴西、澳大利亚和比利时等国家的高速公路路面有很多采用贫混凝土基层。近年来国内单位对贫混凝土基层路面开展了深入研究,修筑了贫混凝土基层沥青路面试验路。
1、贫混凝土的强度特性
对贫混凝土强度,各国要求差别较大。澳大利亚高速公路碾压贫混凝土的7 d无侧限抗压强度要求为5 MPa,美国加利福尼亚州要求贫混凝土的7 d无侧限抗压强度为5.4 MPa。英国要求贫混凝土的7 d无侧限抗压强度为6 MPa~15 MPa,并对四个强度等级7 d抗压强度分别要求达到4.5 MPa,7.0 MPa,10.0 MPa,15.0 M Pa。德国对贫混凝土的28 d抗压强度要求达到12 M Pa。因抗压强度试验较抗弯拉强度简单,实际工程中,可根据抗压强度预估抗弯拉强度。通过试验,对40组贫混凝土的强度试验数据进行回归分析,得出28 d其抗压强度与抗弯拉强度的关系为:
f r=0.475f c0.658 (R=0.911) (1)
其中,f r为贫混凝土的抗弯拉强度,MPa ：f c为贫混凝土的抗压强度,MPa。
根据式(1)计算出常用贫混凝土的抗压强度与抗弯拉强度取值,如表1所示。
表1贫混凝土抗压强度与抗弯拉强度
抗压强度 4.0 5.0 10.0 15.0 20.0
抗弯拉强度 1.18 1.37 2.16 2.82 3.14
试验结果表明,贫混凝土的强度随着水泥强度的提高而提高,且碾压贫混凝土的强度高于振捣贫混凝土。混凝土的抗压强度主要取决于构成骨架的强度,抗弯拉强度则主要取决于水泥胶浆与集料的界面结合强度。
2、贫混凝土的应力应变特性
1)抗压弹性模量。抗压弹性模量采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件时,应力为轴心抗压强度40%时的加荷割线模量值。根据试验结果,回归出抗压强度与抗压弹性模量之间的关系为:
E压=0.427f压0.66 (R=0.903) (2)
2)弯拉弹性模量。弯拉弹性模量采用小梁试件进行三分点加荷的方式,测定3 kN至50%极限荷载处的割线模量,用跨中挠度公式反算求得。综合考虑室内试验结果和国外研究成果,得到贫混凝土的强度与模量关系公式(3):
E r=10 452f r0.754 (3)
3、贫混凝土的疲劳特性
进行沥青路面设计时考虑贫混凝土的疲劳特性,在于计算贫混凝土基层荷载应力时确定其荷载疲劳应力系数kf。
通过对112个贫混凝土小梁试件进行疲劳试验的试验结果进行分析,得出贫混凝土的双对数疲劳方程式(4):
1g =lga－blgN (4)
其中,S为应力水平, σ为疲劳试验应力与抗弯拉强度f r之比;R为低高应力比,R=σmin/σmax;N为荷载作用次数。对于荷载应力与温度应力综合疲劳作用的疲劳方程,将荷载应力和温度翘曲应力代入,即取σmin=σt, σmax=σp+σt,。
由此,便可以定义疲劳应力系数kf为:
kf= Neb (5)
其中,Ne为标准轴载在使用年限内的累计作用次数; σp, σt分别为荷载应力和温度应力;a,b均为疲劳方程中的系数,根据式(4)确定。
二、水泥混凝土及连续配筋混凝土
1、混凝土的强度特性
在沥青路面结构设计中,水泥混凝土基层板体将承受行车荷载和温度荷载的共同作用,基层底面所产生的弯拉应力和混凝土的弯拉强度确定了其所需要的厚度。因此,采用弯拉试验确定的弯拉强度能同路面受力状况相匹配。弯拉试验采用梁式试件,试件的标准尺寸为15 cm×15 cm×55 cm,采用三分点加荷方式。现行水泥混凝土路面设计规范中,水泥混凝土的设计弯拉强度标准值为28 d龄期的弯拉强度。当混凝土浇筑90 d内不开放交通时,采用90 d龄期的弯拉强度,约为28 d强度的1.15倍。作为耐久性沥青路面基层,水泥混凝土的弯拉强度标准值亦应满足表2的要求。
表2水泥混凝土弯拉强度标准值 MPa
公路技术等级高速一级二级
水泥混凝土的弯拉强度标准值 4.5~5.0 4.0~4.5 3.5~4.0
连续配筋混凝土的弯拉强度标准值 5.0~5.5 4.5~5.0 ¬—
2、混凝土的应力－应变特性
水泥混凝土的弹性模量及其数值大小会影响到路面结构设计的合理性。弹性模量的测定试验比较费时,而且应变量很小,测定结果不易准确。弹性模量和强度测定值所受影响因素大致相同,可以建立较好的相关关系。
1)抗压弹性模量与抗压强度之间的经验关系。
国外许多研究者经过大量试验,建立了混凝土圆柱体抗压弹性模量Ec与抗压强度和混凝土密度γ的不同经验关系。表3列出部分经验关系式及其适用范围。

表3混凝土抗压弹性模量和圆柱体抗压强度的经验关系
提出者经验关系式适用范围
美国混凝土学会ACI-318 Ec=44γ1.5fc0.5 fc在2.76 MPa~40 MPa内
Carrasquillo等 Ec=3 321.4fc0.5+6 895 中、高强混凝土
Ahmad等 Ec=3.55γ2.5fc0.325 低、中、高强混凝土
注:Ec和fc的单位为MPa, γ的单位为kN/m3
2)弯拉弹性模量与弯拉强度的经验关系式。
梁试件弯曲试验时,可采用挠度法或应变法测定混凝土的弯拉弹性模量。国内一些研究者通过试验建立了混凝土弯拉弹性模量Er与弯拉强度的经验关系式,见表4。
表4混凝土弯拉弹性模量与弯拉强度的经验关系
提出者经验关系式备注
中交二公院 Er=
挠度法
空军工程设计研究局 Er=
旧道面锯切梁试件,应变法
3、混凝土的疲劳特性
对于混凝土的疲劳方程,国内外一些学者和机构进行了研究,在疲劳寿命N于102~107范围内得出线性疲劳方程式(6):
S= =a－ lgN (6)
其中,S为应力水平; max为反复应力最大值;f r为混凝土的弯拉强度; a, 均为混凝土疲劳试验确定的系数。
4、混凝土的收缩和膨胀
路面水泥混凝土除因凝结与硬化所引起的体积变化外,还因长期暴露于大自然而受大气的温度和湿度,以及地基水温状况变化的影响,产生胀缩变形。由于水泥混凝土中集料所占的比例超过80%,因此,集料的胀缩性质起主导作用。通常,水泥混凝土路面在温度变化时,每升降1℃,平均每100 m长度伸缩1 mm,路面设置胀缩缝的目的是避免和控制路面混凝土产生不规则裂缝。混凝土随含水量变化而引起的干缩变形,主要取决于拌制混凝土时的单位用水量。单位用水量越大,干燥时的收缩也越大。因此,应在施工条件允许的范围内尽可能采用较小的单位用水量。至于其他影响因素,如水泥用量、水灰比等虽与干缩性有关,但影响程度远不如用水量。
三、常用的改善沥青混合料路用性能的技术主要有以下几种：
1、级配改良
级配是指矿质混合料的各种粒径范围颗粒重量的分配比例。级配对沥青混合料路用性能有着重要的影响。通过改良级配可以使沥青混合料具有良好的高低温及疲劳等性能，但混合料在施工过程中的离析却往往使这种改良效果得不到充分的发挥，导致级配改良可能成为一把双刃剑，在提高沥青混合料高低温及疲劳性能的同时降低其抗水损坏能力，或者相反。
2、沥青改性
对沥青进行改性来提高沥青混合料路用性能的方法由来已久。早在1873年Samue Wgite就申请了天然橡胶改性沥青的专利。从此以后，道路工程师一直试图在沥青中加入改性剂，改善沥青特性。尤其是近些年，世界范围内改性沥青特别是聚合物改性沥青的研究、生产和应用达到了前所未有的高潮。但沥青与改性剂的相容性、改性沥青的热储存、运输稳定性及路用性能改善的局限性等难题依然无法克服，应用成本较高。
3、沥青混合料改性
沥青混合料改性是指在沥青混合料生产过程中，直接将外掺剂加入拌和楼中，与矿质混合料干拌一定时间后再与加入的沥青一起搅拌从而改善沥青混合料的路用性能。用于沥青混合料改性的外掺剂主要有单一外掺剂如纤维、废旧橡胶粉、废旧塑料、硅藻土等和专用复合外掺剂如PRI抗车辙剂（法国）、DUROFLEX抗车辙剂（德国）、SEAM添加剂（美国）等。使用外掺剂生产的改性沥青混合料因其技术性能优良、生产施工简单、经济上合理等特点在我国的路面工程铺筑中已逐渐被认同和采用，应用范围不断扩大。
4、不同技术的复合使用
不同技术的复合可以最大程度地发挥单种技术的优点，克服不利因素，例如级配进行改良的同时使用改性沥青或者使用外掺剂，工程实际采用最多。尽管改善沥青混合料路用性能的技术措施有多种，但重点仍是通过各种手段对沥青混合料进行改性。值得注意的是：国际上最新的前沿沥青混合料改性技术已从“沥青的改性”逐渐发展为“混合料的改性”。
与国外相比，国内对沥青混合料改性技术的研究起步较晚，自90年代初以来，对外掺废旧橡胶粉用于沥青混合料改性的研究主要是西部交通科技项目“废旧橡胶粉用于筑路的技术研究”，除此之外，我国还对硅藻土、废旧玻璃等用于沥青混合料的改性进行了研究，特别是硅藻土。然而大部分实际应用仍集中在硅藻土改性沥青范围，混合料应用较少。我国对沥青混合料改性专用外掺添加剂的认识是在国外产品进入中国市场开始的。由此，综合各类专用外掺添加剂产品的特点，加强国产同类产品的开发研制，尽快实现国产化，已十分迫切。纵观国内外研究发现：外掺添加剂可以用于各种类型的沥青混合料中且使用方便、施工工艺简单，对施工单位技术水平的要求不高，比较符合我国的国情，同时增加费用不大，对路面各项性能的改善又可兼顾，因此具有广阔的应用前景。
四、结语
本文分析了基于耐久性能的贫混凝土基层和水泥混凝土基层的强度、模量、疲劳等力学特性及干缩和温缩性能,提出一系列相关关系和指标,为刚性基层沥青路面的应力分析和结构设计提供技术参数。
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