摘要：基于静力热压条件下对高温热沥青混合料剪切流变密实机理的分析, 建立高温热沥青混合料的流变模型, 并通过坑槽修补密实性验证试验, 可证明所提方法的可行性和有效性。
关键词：沥青混凝土路面; 坑槽修补; 静力热压法; 理论分析; 试验研究
在公路养护中, 沥青混凝土路面坑槽修补中常用的压实装置主要有小型振动平板夯、小型振动压路机褐手扶式振动碾, 都是依据振动压实原理设计制造的。在振动能量的激励下, 混合料颗粒相互嵌挤重新排列, 并将混合料空隙中的空气排出, 从而使材料变得更加密实。但是, 振动压实所作用的垂直压力很短暂, 在滚压过被压材料后这种压实力就消失了, 来不及将混合料空隙中的空气完全挤出,而未挤出的空气会恢复自身的体积而保持颗粒间的空隙。因此, 振动压实必须有足够大的振动能量和垂直压力, 还要经过多遍的碾压过程才能逐渐挤出混合料空隙内的空气, 使材料达到要求的密实程度。但是, 用于坑槽修补的压实装置其重量和振动能量都较小, 很难使修补材料达到原有路面的压实度。因此, 本文结合养护实际工作提出以下几点看法。
1 静力热压修补法
沥青混凝土路面坑槽静力热压修补法是指修补材料在较高温度状态下依靠较长时间的静压力作用, 使混合料一次性达到要求的密实程度的方法。作为修补材料的热拌沥青混合料, 在较高温度( 160℃～165℃) 下, 其粘结材料———沥青具有良好的润滑作用, 且粘度下降较大, 可以有效地减少矿料颗粒间的内摩阻力和粘聚力, 再借助较长时间的静压力作用, 可使混合料空隙内的空气( 包括被沥青薄膜封住的那部分空气) 更多地被挤出去, 从而大幅度地减少了混合料颗粒间的空隙, 使矿料颗粒排列更为紧密, 使修补材料很快达到所要求的压实度。由于热拌沥青混合料在高温状态下具有较好的流动性, 采用静力热压法的另一个好处就是, 通过静压力作用可以产生较大的、较长时间的侧向压力, 使修补材料更好地与坑槽壁面材料挤压砌合在一起, 从而进一步提高了坑槽修补的质量。
2 基本原理
当矿质混合料与热沥青经充分拌和后, 沥青会均匀地包裹在矿料颗粒表面, 使沥青混合料具有一定的粘聚力。但是在高温条件下, 热沥青的粘度很低, 可看作牛顿流体。同时, 由于高温液态沥青存在于矿料颗粒之间, 矿料颗粒间的摩擦为湿摩擦或滚动摩擦( 因沥青裹覆细矿料颗粒而相当于小滚轮) , 致使高温热沥青混合料的内摩擦阻力较常温时有大幅下降, 抗剪强度较低。
采用静力热压法对坑槽内热沥青混合料进行压实, 整体上来看属于有侧限的受压密实, 而局部上来讲则应属于无侧限的受压密实, 这也符合坑槽修补工艺的实际情况( 即压实头比坑槽的尺寸小) 。这样, 热沥青混合料在受压密实的过程中, 其空隙内的空气可在较长时间的静压力作用下, 从压实头四周排出, 因此可获得更高的密实度。
对坑槽进行实际压实修补需多个位置的静力热压来完成一个坑槽的压实。一个位置压实完成后,可移到相邻的另一个位置再进行压实。这样, 在压实的同时可以使微微隆起的混合料也被压下去, 而前一个位置已受压密实的混合料, 则可作为这次受压密实的一个侧限, 促进并加快了高温热沥青混合料在受静力热压时的密实。
3 高温热沥青混合料的技术性能
对于热沥青混合料来说, 在高温条件下, 其沥青结合料可看作牛顿流体, 具有牛顿流体的特征,故高温热沥青混合料的流变特性与冷却固结后的沥青混合料有很大的区别。
在沥青混合料中, 约95%的材料为矿质集料颗粒, 特别是在高温情况下, 热沥青混合料在外力作用下明显地呈现出集料型材料的特性( 即理想的塑刚体) 。它表示随着压力的增加矿料颗粒间的间隙不断减小, 而压缩变形则逐步增大。此时, 材料会变得越来越密实, 直到矿料颗粒达到最密实的排列时, 继续增加压力将不再引起压缩变形的增长, 而且这种压缩变形是不可逆的。故理想的塑刚体可假设为一个弹簧受到活塞压缩, 在活塞缸的上部空腔中充满不可压缩的液体, 并在其补油口安装一个单向阀, 以示卸载时, 弹簧变形不能恢复。当弹簧被完全压扁而到达变形极限时, 继续增大压力将不再产生新的压缩变形。所以, 高温热沥青混合料的流变模型可以用塑刚体和粘塑性体的并联结构来表示。
4 坑槽修补静力热压法密实性验证试验
试验重点是验证利用热压头对坑槽修补材料进行压实的静力热压法是否可行有效, 修补材料在较高温状态下, 通过静力热压是否能够迅速达到要求的密实程度。试验中用的修补材料或试样成型材料均为细粒式沥青混合料, 矿质集料为玄武岩, 粘度等级为4～5级, 沥青结合料为AH- 90重交通沥青。
4.1 试验方案
为了使沥青混合料在被压实过程中始终保持在160℃～165℃较高温度的状态, 以及保证热压头维持较高温度, 故试验采用带有导热油夹层的压实模具和具有能容纳一定量导热油空腔的压头, 通过给压实模具夹层和压头空腔中注入较高温的导热油,以实现针对较高温度的热沥青混合料并用热压头压实的要求。
试验是利用NYL- 300型压力试验机进行加载的, 所加荷载P分别为600kg、1000kg 、1 400kg、1800kg和2200kg。压实完成后, 待模具内压实成型的材料完全冷却至室温后( 不少于12h) , 再进行脱模, 然后利用钻孔机在其正中间钻取直径为"100的芯样试件, 最后, 测定不同荷载下静力热压所获得试样的压实度和空隙率, 以及沥青混合料压实后的沉陷量。
4.2 密实性验证试验结果
根据测定的静力热压试样的相对密度值, 将理论最大相对密度作为试验用沥青混合料的标准密度。对于密实性验证试验测定的沉陷量h及压实度K和空隙率VV的计算结果, 如表1所示。
对模具内沥青混合料压实后的沉陷量h与静力热压所加荷载P的关系曲线、静力热压成型试样的压实度K与荷载P的关系曲线分析如下:
从密实性验证的结果可以看出: 采用静力热压法, 当所加荷载为1 000kg( 即压实应力0.566MPa)时, 成型试样的压实度便超过了理论最大密度的92%, 已符合一般等级公路对压实度的要求; 当荷载为2 200kg( 即压实应力为1.245MPa) 时, 成型试样的压实度达到了理论最大密度的95.59%, 已完全满足高速公路和一级公路对沥青混凝土路面的要求。故通过试验研究证明: 采用静力热压法对沥青混凝土路面坑槽进行压实修补, 完全可以满足坑槽修补密实性评价指标的要求。
5 结论
综上可知, 坑槽修补采用静力热压原理可以提高修补区的路用性能, 尤其是提高混合料的密实度, 获得显著的效益。
参考文献
[1] JGF 40- 2004, 公路沥青混凝土施工技术规范[S].
[2] JTG 014- 97, 公路沥青路面设计规范[S].
