防水抗裂功能层沥青混合料的配合比设计优化研究

于 露，魏 强，符 佳

（同济大学 交通运输工程学院，上海200092）

我国西南地处温带季风气候区，许多省市潮湿多雨且日温差变化显著。出于经济以及因地制宜等因素，当地大多公路使用半刚性基层沥青路面结构。自上世纪70年代末半刚性基层沥青路面在我国应用以来，据不完全统计，现90%以上高等级公路都是采用这种结构［1－2］。它凭借较好的板体性能和较高的强度，有效增加了路面的承载能力，为面层提供支撑作用，但同时也具有实际使用寿命短、路表开裂严重等问题［3］。

常用的半刚性基层材料包括水泥稳定粒料类、石灰稳定粒料类和石灰、粉煤灰稳定粒料类等。由于其材料本身的特性，对于温度及湿度均非常敏感，因而在运营期间基层会产生无法避免的干缩和温缩裂缝，从而导致应力集中并由下向上发展使沥青面层开裂［4－5］。在行车荷载作用下，加之雨水充沛和日温差显著等不利气候因素，西南高原地区沥青路面的反射裂缝扩展尤为迅速，如何控制反射裂缝的产生和发展仍是道路工程界所面临的一大难题。

工程实践表明，仅仅依靠增加沥青面层厚度来减小荷载应力集中程度和层间剪应力的方法将大幅度增加路面成本造价，并有可能加重车辙等其他病害［6］。为防止和延缓反射裂缝的发生和扩展，针对西南地区的气候特点，可以在面层和基层之间设置沥青混凝土防水抗裂功能层，增加油石比，严格控制沥青混合料的空隙率，使其具有防水防渗和吸收应力的双重作用。目前这一结构层的概念还比较宽泛，常采用的材料包括 AC－10，SAMI，SMA－5，Strata以及大粒径沥青碎石（ATPB）等，虽然设计理念不同，但最核心的共同问题依然集中在如何确定矿料级配和油石比上。

1 体积设计法（CAVF）级配设计

体积设计法的程序是实际测量主骨架矿料间的空隙率，计算空隙的体积，然后列出方程，根据混合料设计空隙体积、沥青体积和细集料体积的总和等于主骨架矿料间的空隙体积，可以计算出集料各组分用量与沥青油石比。为了避免各档不同集料之间的干涉，细集料颗粒不允许太大，这种级配和相似粒径的连续密级配类型混合料相比，细集料用量会少一些［7－8］。使用此方法优化设计的沥青混合料级配，既能够使骨料嵌挤形成骨架结构，提高了稳定性和强度，又在矿料间隙中充分填入了沥青胶结料，从而使得沥青混合料性能得到整体提高。

1.1 原材料的选择

选择SBS改性沥青作为胶结料，沥青性能如表1所示。

表1 SBS改性沥青性能

选择石灰岩作为集料，筛分结果如表2所示。采用FAC－10富沥青混合料级配。

表2 集料的筛分结果

1.2 材料体积参数测定

使用马歇尔试件的模具作为紧装密度测试桶，将马歇尔模具和套筒安装在一起，使用马歇尔击实仪正反面各击实100次，得到粗集料的紧装密度式中：m为2集料和模具、套筒的总质量；m1为模具、套筒的质量；V为模具的容量。经测定

通过密度试验得到，粗集料的表观密度为2.64g／cm3，毛体积密度为2.60g／cm3，细集料的表观密度为2.63g／cm3，矿粉的表观密度为2.69g／cm3。

主骨架空隙率（%）为

式中，ρτc为粗集料的表观密度。根据公式（1）计算可得，VCA＝36.7%。

考虑到防水抗裂功能层承担着抗疲劳破坏、抗反射裂缝产生和扩展、以及防水防渗等多重作用，又必须保持基本的路面强度，目标空隙率定为2.0%。

1.3 各组分集料及级配确定

表3 体积设计法合成级配FAC－10

2 油石比下限确定方法

随着油石比的不断提高，沥青混合料会出现一个最为密实的状态，这时候沥青混合料不但有足够数量的粗集料形成骨架，还具有合理比例的细集料在骨架的空隙间填充，整个沥青混合料密实度非常大，而且其力学性能及路用性能也表现较好。如果进一步提高油石比，混合料中自由沥青愈来愈多，粗骨料逐渐被沥青撑开，矿料间隙率逐渐增大，从而紧密状态也就被破坏了。最为紧密状态下的骨架结构，有利于分析混合料内部空隙率大小及内部颗粒状态。将沥青混合料最紧密状态时油石比设为防水抗裂功能层的油石比下限值，使得混合料空隙率很小，对防水防渗和缓解应力集中都起到良好的防治效果。

通过马歇尔试验，测得试件的矿料间隙率（VMA）或粗集料矿料间隙率（VCAMIX）或混合料的毛体积密度密度Gm等指标，评价在不同油石比状态下混合料紧密状态的变化规律，确定沥青混合料的最紧密状态，并得到最佳油石比下限值ωmin。试验结果如表4和图1所示。

表4 马歇尔试验测试结果

式中，ω0为沥青混合料油石比；Gb·ca为粗集料的毛体积密度；Pca为集料中粗集料的质量百分比；m干，m表干，m水中为混合料马歇尔试件的干重、表干重和水中重；ma，mf，mw为粗集料的干重、表干重和水中重；m粗，m细，m矿粉为粗集料、细集料和矿粉的质量；ω1，ω2，ω3为毛体积密度最大值、混合料矿料间隙率和粗集料矿料间隙率的最小值。

由此可得，最佳油石比的下限ωmin＝（ω1＋ω2＋ω3）／3＝5.4%。

3 油石比上限确定方法

为了确定沥青混合料有无多余的沥青或沥青玛蹄脂，德国设计了谢伦堡沥青析漏试验，主要用于检验沥青玛蹄脂碎石混合料配合比。由于防水抗裂功能层采用了和SMA沥青混合料相似的富沥青间断级配结构，因而同样可以使用此方法来避免沥青混合料因沥青含量过多而导致的运输及施工困难。针对不同的油石比制作多组试件，进行析漏试验，可绘制出沥青析漏情况与油石比的变化关系曲线，曲线拐点处所对应的油石比可以作为沥青混合料最佳油石比上限值ωmax。

采用JTGE 20－2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的试验方法，对不同油石比状态下沥青的析漏率进行检测。析漏试验结果及其变化规律见表5和图2。

表5 沥青混合料析漏试验结果 %

拟合析漏率随油石比的变化趋势，在拟合曲线的两端作切线，两条切线的交点即为曲线拐点，此时所对应的油石比即可作为拐点油石比，也就是防水抗裂功能层沥青混合料最佳油石比设计的上限。由图2可知，析漏试验确定的析漏拐点油石比为6.7%。

4 高温车辙试验及小梁弯拉试验

高温车辙试验采用300mm×300mm的车辙试模，轮压为0.7MPa的车辙试验机，主要是防止防水抗裂功能层沥青混合料的高温稳定性过差，以致路面整体强度不能承受行车荷载，从而导致较严重的永久变形破坏。尤其对于西南地区高速公路超载较为严重的情况，更应该谨慎评估道路面层沥青混合料的高温稳定性。另一方面，由于防水抗裂功能层的层顶接触应力相较路表材料要小得多，而功能层较薄的结构厚度也决定了其相对变形比起其他面层沥青混合料对路面的整体变形影响要小得多，因而动稳定度的技术要求也会相应地降低一些。

试验温度一般为60℃，加载轮运行速度为42次／min。车辙试验主要以以动稳定度为技术指标。为充分起到防水抗裂功能层的作用，应适当提高沥青含量，但不应超出高温稳定性的基本技术要求。针对防水抗裂功能层，针对不同油石比状态下高温稳定性变化趋势来确定沥青混合料油石比的适用范围。随着油石比增加以及抗车辙性能的衰减，试件终会达到难以满足性能要求的状态。试验结果如表6所示。

表6 高温车辙试验结果

根据以往的工程经验，防水抗裂功能层沥青混合料至少要满足2 000次／mm以上的动稳定度，整体路面的抗车辙表现才能控制得比较好。根据数据拟合曲线插值，FAC－10的油石比最好控制在6.55%之内。

沥青混合料在小梁弯拉试验中的性能表现，很大程度上决定了其抗裂性能和预防反射裂缝产生的效果。采用JTG E20－2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的试验方法成型标准小梁试件，对不同油石比状态下的沥青混合料进行变形抗拉试验。根据贵州等西南地区的气候特点，即使冬天气温也较少降到0℃以下，因而选择0℃作为试验温度，以便评价防水抗裂功能层材料在较低温环境下的抗拉伸性能。试验结果如表7所示。

表7 小梁弯拉试验结果

根据西南地区工程设计材料参数特征和结构类型，使用BISAR 3.0软件，确定该防水抗裂功能层沥青混合料的弯拉应变以10 000为设计要求。根据数据拟合曲线插值，满足设计要求时沥青混合料对应的油石比为6.24%，因而FAC－10的油石比应控制在6.24%以上较好。

5 防水抗裂功能层油石比的确定

由上述设计方法可得出根据体积法设计的骨架嵌挤级配FAC－10，并在此基础上进而得到最密实状态时的油石比下限5.4%，依据析漏试验结果得到油石比的上限6.7%，根据高温车辙稳定性试验得到最大油石比为6.55%，根据小梁弯拉试验得到最小油石比为6.24%。共同范围如图3所示。

由图3可知，OAC1＝6.24%，OAC2＝6.55%，最佳油石比OAC＝（OAC1＋OAC2）／2＝6.4%。

6 结论

采用CAVF方法设计的集料级配可以更加合理有效的形成嵌挤骨架结构，有利于提高沥青混合料的整体性能，提升矿料间沥青的利用率，并且可以设定目标空隙率来进行各组矿料的分配，在一定程度上摆脱了经验设计法的限制。

通过试验研究表明，沥青混合料的毛体积密度、矿料间隙率、粗集料矿料间隙率都与油石比具有良好的相关性。当混合料的毛体积密度达到最大值、矿料间隙率和粗集料矿料间隙率达到最小值时，集料处于最为紧密嵌挤状态，此时防水抗裂功能层的油石比可以作为沥青混合料油石比下限。

为了使防水抗裂功能层更好地起到防水防渗、预防反射裂缝的作用，需要适当提高油石比以降低混合料模量，提升抗裂、抗疲劳性能。但如果沥青含量过高，会给运输、摊铺、碾压以及工程造价控制带来较大困难，并且无法保证路面整体足够的强度。采用析漏试验确定的曲线拐点作为油石比上限值，能够在保证施工和易性的前提下最大限度发挥防水抗裂功能层的作用。

使用此方法设计的防水抗裂功能层沥青混合料兼具较好的高温稳定性能及低温抗弯拉性能，确保了混合料的路用性能和施工条件可以达到技术要求，对防治反射裂缝和防止水损害起到良好的效果。为防治潮湿多雨、日温差显著地区高等级公路沥青路面的反射裂缝病害提供了新的途径，具有非常广泛的应用前景。

［1］廖卫东.基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构与材料研究［D］.武汉：武汉理工大学，2007.

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