摘要：基于靜力熱壓條件下對高溫熱瀝青混合料剪切流變密實機理的分析, 建立高溫熱瀝青混合料的流變模型, 并通過坑槽修補密實性驗證試驗, 可證明所提方法的可行性和有效性。
關(guān)鍵詞：瀝青混凝土路面; 坑槽修補; 靜力熱壓法; 理論分析; 試驗研究
在公路養(yǎng)護中, 瀝青混凝土路面坑槽修補中常用的壓實裝置主要有小型振動平板夯、小型振動壓路機褐手扶式振動碾, 都是依據(jù)振動壓實原理設(shè)計制造的。在振動能量的激勵下, 混合料顆粒相互嵌擠重新排列, 并將混合料空隙中的空氣排出, 從而使材料變得更加密實。但是, 振動壓實所作用的垂直壓力很短暫, 在滾壓過被壓材料后這種壓實力就消失了, 來不及將混合料空隙中的空氣完全擠出,而未擠出的空氣會恢復自身的體積而保持顆粒間的空隙。因此, 振動壓實必須有足夠大的振動能量和垂直壓力, 還要經(jīng)過多遍的碾壓過程才能逐漸擠出混合料空隙內(nèi)的空氣, 使材料達到要求的密實程度。但是, 用于坑槽修補的壓實裝置其重量和振動能量都較小, 很難使修補材料達到原有路面的壓實度。因此, 本文結(jié)合養(yǎng)護實際工作提出以下幾點看法。
1 靜力熱壓修補法
瀝青混凝土路面坑槽靜力熱壓修補法是指修補材料在較高溫度狀態(tài)下依靠較長時間的靜壓力作用, 使混合料一次性達到要求的密實程度的方法。作為修補材料的熱拌瀝青混合料, 在較高溫度( 160℃～165℃) 下, 其粘結(jié)材料———瀝青具有良好的潤滑作用, 且粘度下降較大, 可以有效地減少礦料顆粒間的內(nèi)摩阻力和粘聚力, 再借助較長時間的靜壓力作用, 可使混合料空隙內(nèi)的空氣( 包括被瀝青薄膜封住的那部分空氣) 更多地被擠出去, 從而大幅度地減少了混合料顆粒間的空隙, 使礦料顆粒排列更為緊密, 使修補材料很快達到所要求的壓實度。由于熱拌瀝青混合料在高溫狀態(tài)下具有較好的流動性, 采用靜力熱壓法的另一個好處就是, 通過靜壓力作用可以產(chǎn)生較大的、較長時間的側(cè)向壓力, 使修補材料更好地與坑槽壁面材料擠壓砌合在一起, 從而進一步提高了坑槽修補的質(zhì)量。
2 基本原理
當?shù)V質(zhì)混合料與熱瀝青經(jīng)充分拌和后, 瀝青會均勻地包裹在礦料顆粒表面, 使瀝青混合料具有一定的粘聚力。但是在高溫條件下, 熱瀝青的粘度很低, 可看作牛頓流體。同時, 由于高溫液態(tài)瀝青存在于礦料顆粒之間, 礦料顆粒間的摩擦為濕摩擦或滾動摩擦( 因瀝青裹覆細礦料顆粒而相當于小滾輪) , 致使高溫熱瀝青混合料的內(nèi)摩擦阻力較常溫時有大幅下降, 抗剪強度較低。
采用靜力熱壓法對坑槽內(nèi)熱瀝青混合料進行壓實, 整體上來看屬于有側(cè)限的受壓密實, 而局部上來講則應屬于無側(cè)限的受壓密實, 這也符合坑槽修補工藝的實際情況( 即壓實頭比坑槽的尺寸小) 。這樣, 熱瀝青混合料在受壓密實的過程中, 其空隙內(nèi)的空氣可在較長時間的靜壓力作用下, 從壓實頭四周排出, 因此可獲得更高的密實度。
對坑槽進行實際壓實修補需多個位置的靜力熱壓來完成一個坑槽的壓實。一個位置壓實完成后,可移到相鄰的另一個位置再進行壓實。這樣, 在壓實的同時可以使微微隆起的混合料也被壓下去, 而前一個位置已受壓密實的混合料, 則可作為這次受壓密實的一個側(cè)限, 促進并加快了高溫熱瀝青混合料在受靜力熱壓時的密實。
3 高溫熱瀝青混合料的技術(shù)性能
對于熱瀝青混合料來說, 在高溫條件下, 其瀝青結(jié)合料可看作牛頓流體, 具有牛頓流體的特征,故高溫熱瀝青混合料的流變特性與冷卻固結(jié)后的瀝青混合料有很大的區(qū)別。
在瀝青混合料中, 約95%的材料為礦質(zhì)集料顆粒, 特別是在高溫情況下, 熱瀝青混合料在外力作用下明顯地呈現(xiàn)出集料型材料的特性( 即理想的塑剛體) 。它表示隨著壓力的增加礦料顆粒間的間隙不斷減小, 而壓縮變形則逐步增大。此時, 材料會變得越來越密實, 直到礦料顆粒達到最密實的排列時, 繼續(xù)增加壓力將不再引起壓縮變形的增長, 而且這種壓縮變形是不可逆的。故理想的塑剛體可假設(shè)為一個彈簧受到活塞壓縮, 在活塞缸的上部空腔中充滿不可壓縮的液體, 并在其補油口安裝一個單向閥, 以示卸載時, 彈簧變形不能恢復。當彈簧被完全壓扁而到達變形極限時, 繼續(xù)增大壓力將不再產(chǎn)生新的壓縮變形。所以, 高溫熱瀝青混合料的流變模型可以用塑剛體和粘塑性體的并聯(lián)結(jié)構(gòu)來表示。
4 坑槽修補靜力熱壓法密實性驗證試驗
試驗重點是驗證利用熱壓頭對坑槽修補材料進行壓實的靜力熱壓法是否可行有效, 修補材料在較高溫狀態(tài)下, 通過靜力熱壓是否能夠迅速達到要求的密實程度。試驗中用的修補材料或試樣成型材料均為細粒式瀝青混合料, 礦質(zhì)集料為玄武巖, 粘度等級為4～5級, 瀝青結(jié)合料為AH- 90重交通瀝青。
4.1 試驗方案
為了使瀝青混合料在被壓實過程中始終保持在160℃～165℃較高溫度的狀態(tài), 以及保證熱壓頭維持較高溫度, 故試驗采用帶有導熱油夾層的壓實模具和具有能容納一定量導熱油空腔的壓頭, 通過給壓實模具夾層和壓頭空腔中注入較高溫的導熱油,以實現(xiàn)針對較高溫度的熱瀝青混合料并用熱壓頭壓實的要求。
試驗是利用NYL- 300型壓力試驗機進行加載的, 所加荷載P分別為600kg、1000kg 、1 400kg、1800kg和2200kg。壓實完成后, 待模具內(nèi)壓實成型的材料完全冷卻至室溫后( 不少于12h) , 再進行脫模, 然后利用鉆孔機在其正中間鉆取直徑為"100的芯樣試件, 最后, 測定不同荷載下靜力熱壓所獲得試樣的壓實度和空隙率, 以及瀝青混合料壓實后的沉陷量。
4.2 密實性驗證試驗結(jié)果
根據(jù)測定的靜力熱壓試樣的相對密度值, 將理論最大相對密度作為試驗用瀝青混合料的標準密度。對于密實性驗證試驗測定的沉陷量h及壓實度K和空隙率VV的計算結(jié)果, 如表1所示。
對模具內(nèi)瀝青混合料壓實后的沉陷量h與靜力熱壓所加荷載P的關(guān)系曲線、靜力熱壓成型試樣的壓實度K與荷載P的關(guān)系曲線分析如下:
從密實性驗證的結(jié)果可以看出: 采用靜力熱壓法, 當所加荷載為1 000kg( 即壓實應力0.566MPa)時, 成型試樣的壓實度便超過了理論最大密度的92%, 已符合一般等級公路對壓實度的要求; 當荷載為2 200kg( 即壓實應力為1.245MPa) 時, 成型試樣的壓實度達到了理論最大密度的95.59%, 已完全滿足高速公路和一級公路對瀝青混凝土路面的要求。故通過試驗研究證明: 采用靜力熱壓法對瀝青混凝土路面坑槽進行壓實修補, 完全可以滿足坑槽修補密實性評價指標的要求。
5 結(jié)論
綜上可知, 坑槽修補采用靜力熱壓原理可以提高修補區(qū)的路用性能, 尤其是提高混合料的密實度, 獲得顯著的效益。
參考文獻
[1] JGF 40- 2004, 公路瀝青混凝土施工技術(shù)規(guī)范[S].
[2] JTG 014- 97, 公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].
