摘要：基于靜力熱壓條件下對(duì)高溫?zé)釣r青混合料剪切流變密實(shí)機(jī)理的分析, 建立高溫?zé)釣r青混合料的流變模型, 并通過(guò)坑槽修補(bǔ)密實(shí)性驗(yàn)證試驗(yàn), 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(bǔ); 靜力熱壓法; 理論分析; 試驗(yàn)研究
在公路養(yǎng)護(hù)中, 瀝青混凝土路面坑槽修補(bǔ)中常用的壓實(shí)裝置主要有小型振動(dòng)平板夯、小型振動(dòng)壓路機(jī)褐手扶式振動(dòng)碾, 都是依據(jù)振動(dòng)壓實(shí)原理設(shè)計(jì)制造的。在振動(dòng)能量的激勵(lì)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(shí)。但是, 振動(dòng)壓實(shí)所作用的垂直壓力很短暫, 在滾壓過(guò)被壓材料后這種壓實(shí)力就消失了, 來(lái)不及將混合料空隙中的空氣完全擠出,而未擠出的空氣會(huì)恢復(fù)自身的體積而保持顆粒間的空隙。因此, 振動(dòng)壓實(shí)必須有足夠大的振動(dòng)能量和垂直壓力, 還要經(jīng)過(guò)多遍的碾壓過(guò)程才能逐漸擠出混合料空隙內(nèi)的空氣, 使材料達(dá)到要求的密實(shí)程度。但是, 用于坑槽修補(bǔ)的壓實(shí)裝置其重量和振動(dòng)能量都較小, 很難使修補(bǔ)材料達(dá)到原有路面的壓實(shí)度。因此, 本文結(jié)合養(yǎng)護(hù)實(shí)際工作提出以下幾點(diǎn)看法。
1 靜力熱壓修補(bǔ)法
瀝青混凝土路面坑槽靜力熱壓修補(bǔ)法是指修補(bǔ)材料在較高溫度狀態(tài)下依靠較長(zhǎng)時(shí)間的靜壓力作用, 使混合料一次性達(dá)到要求的密實(shí)程度的方法。作為修補(bǔ)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(rùn)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(zhǎng)時(shí)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(bǔ)材料很快達(dá)到所要求的壓實(shí)度。由于熱拌瀝青混合料在高溫狀態(tài)下具有較好的流動(dòng)性, 采用靜力熱壓法的另一個(gè)好處就是, 通過(guò)靜壓力作用可以產(chǎn)生較大的、較長(zhǎng)時(shí)間的側(cè)向壓力, 使修補(bǔ)材料更好地與坑槽壁面材料擠壓砌合在一起, 從而進(jìn)一步提高了坑槽修補(bǔ)的質(zhì)量。
2 基本原理
當(dāng)?shù)V質(zhì)混合料與熱瀝青經(jīng)充分拌和后, 瀝青會(huì)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(shí), 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(dòng)摩擦( 因?yàn)r青裹覆細(xì)礦料顆粒而相當(dāng)于小滾輪) , 致使高溫?zé)釣r青混合料的內(nèi)摩擦阻力較常溫時(shí)有大幅下降, 抗剪強(qiáng)度較低。
采用靜力熱壓法對(duì)坑槽內(nèi)熱瀝青混合料進(jìn)行壓實(shí), 整體上來(lái)看屬于有側(cè)限的受壓密實(shí), 而局部上來(lái)講則應(yīng)屬于無(wú)側(cè)限的受壓密實(shí), 這也符合坑槽修補(bǔ)工藝的實(shí)際情況( 即壓實(shí)頭比坑槽的尺寸小) 。這樣, 熱瀝青混合料在受壓密實(shí)的過(guò)程中, 其空隙內(nèi)的空氣可在較長(zhǎng)時(shí)間的靜壓力作用下, 從壓實(shí)頭四周排出, 因此可獲得更高的密實(shí)度。
對(duì)坑槽進(jìn)行實(shí)際壓實(shí)修補(bǔ)需多個(gè)位置的靜力熱壓來(lái)完成一個(gè)坑槽的壓實(shí)。一個(gè)位置壓實(shí)完成后,可移到相鄰的另一個(gè)位置再進(jìn)行壓實(shí)。這樣, 在壓實(shí)的同時(shí)可以使微微隆起的混合料也被壓下去, 而前一個(gè)位置已受壓密實(shí)的混合料, 則可作為這次受壓密實(shí)的一個(gè)側(cè)限, 促進(jìn)并加快了高溫?zé)釣r青混合料在受靜力熱壓時(shí)的密實(shí)。
3 高溫?zé)釣r青混合料的技術(shù)性能
對(duì)于熱瀝青混合料來(lái)說(shuō), 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?zé)釣r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(shí), 材料會(huì)變得越來(lái)越密實(shí), 直到礦料顆粒達(dá)到最密實(shí)的排列時(shí), 繼續(xù)增加壓力將不再引起壓縮變形的增長(zhǎng), 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(gè)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(bǔ)油口安裝一個(gè)單向閥, 以示卸載時(shí), 彈簧變形不能恢復(fù)。當(dāng)彈簧被完全壓扁而到達(dá)變形極限時(shí), 繼續(xù)增大壓力將不再產(chǎn)生新的壓縮變形。所以, 高溫?zé)釣r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(lái)表示。
4 坑槽修補(bǔ)靜力熱壓法密實(shí)性驗(yàn)證試驗(yàn)
試驗(yàn)重點(diǎn)是驗(yàn)證利用熱壓頭對(duì)坑槽修補(bǔ)材料進(jìn)行壓實(shí)的靜力熱壓法是否可行有效, 修補(bǔ)材料在較高溫狀態(tài)下, 通過(guò)靜力熱壓是否能夠迅速達(dá)到要求的密實(shí)程度。試驗(yàn)中用的修補(bǔ)材料或試樣成型材料均為細(xì)粒式瀝青混合料, 礦質(zhì)集料為玄武巖, 粘度等級(jí)為4～5級(jí), 瀝青結(jié)合料為AH- 90重交通瀝青。
4.1 試驗(yàn)方案
為了使瀝青混合料在被壓實(shí)過(guò)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(yàn)采用帶有導(dǎo)熱油夾層的壓實(shí)模具和具有能容納一定量導(dǎo)熱油空腔的壓頭, 通過(guò)給壓實(shí)模具夾層和壓頭空腔中注入較高溫的導(dǎo)熱油,以實(shí)現(xiàn)針對(duì)較高溫度的熱瀝青混合料并用熱壓頭壓實(shí)的要求。
試驗(yàn)是利用NYL- 300型壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載的, 所加荷載P分別為600kg、1000kg 、1 400kg、1800kg和2200kg。壓實(shí)完成后, 待模具內(nèi)壓實(shí)成型的材料完全冷卻至室溫后( 不少于12h) , 再進(jìn)行脫模, 然后利用鉆孔機(jī)在其正中間鉆取直徑為"100的芯樣試件, 最后, 測(cè)定不同荷載下靜力熱壓所獲得試樣的壓實(shí)度和空隙率, 以及瀝青混合料壓實(shí)后的沉陷量。
4.2 密實(shí)性驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)測(cè)定的靜力熱壓試樣的相對(duì)密度值, 將理論最大相對(duì)密度作為試驗(yàn)用瀝青混合料的標(biāo)準(zhǔn)密度。對(duì)于密實(shí)性驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)定的沉陷量h及壓實(shí)度K和空隙率VV的計(jì)算結(jié)果, 如表1所示。
對(duì)模具內(nèi)瀝青混合料壓實(shí)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(shí)度K與荷載P的關(guān)系曲線分析如下:
從密實(shí)性驗(yàn)證的結(jié)果可以看出: 采用靜力熱壓法, 當(dāng)所加荷載為1 000kg( 即壓實(shí)應(yīng)力0.566MPa)時(shí), 成型試樣的壓實(shí)度便超過(guò)了理論最大密度的92%, 已符合一般等級(jí)公路對(duì)壓實(shí)度的要求; 當(dāng)荷載為2 200kg( 即壓實(shí)應(yīng)力為1.245MPa) 時(shí), 成型試樣的壓實(shí)度達(dá)到了理論最大密度的95.59%, 已完全滿足高速公路和一級(jí)公路對(duì)瀝青混凝土路面的要求。故通過(guò)試驗(yàn)研究證明: 采用靜力熱壓法對(duì)瀝青混凝土路面坑槽進(jìn)行壓實(shí)修補(bǔ), 完全可以滿足坑槽修補(bǔ)密實(shí)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的要求。
5 結(jié)論
綜上可知, 坑槽修補(bǔ)采用靜力熱壓原理可以提高修補(bǔ)區(qū)的路用性能, 尤其是提高混合料的密實(shí)度, 獲得顯著的效益。
參考文獻(xiàn)
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