粗粒式应力吸收结构层的设计与路用性能

叶 平，吴旷怀，蔡 旭，李 聪

(广州大学 土木工程学院，广东 广州 510006)

0 引 言

反射裂缝一直是半刚性基层沥青路面和旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层(俗称“白加黑”)中普遍存在的问题。国内外大量试验和理论分析表明，在半刚性基层顶部以及旧水泥路面与加铺层之间设置应力吸收层，在一定程度上能阻止或减缓反射裂缝的产生和发展，如美国Koch材料公司发明研制的STRATA应力吸收层[1-3]、长安大学研制开发的适用于中国本土的SAMPAVE应力吸收层[4-6]和近年来兴起的橡胶沥青应力吸收层等[7-10]。然而，这些应力吸收层的效果还是不尽人意。在路面结构中，目前所用的应力吸收层只是单一地作为一层功能层，起防治反射裂缝的作用，并且常采用砂粒式沥青混合料，其抗车辙能力差，不能作为路面结构层，层间连续性不佳。同时，由于旧路表面平整度较差，应力吸收层的设计厚度较薄(一般为2～2.5 cm)，导致实际摊铺的厚度不均匀，施工较困难，抗裂效果也不理想。

针对目前应力吸收层存在的一些问题，本文提出一种粗粒式应力吸收结构层沥青混合料。该沥青混合料可用于旧水泥路面加铺沥青层的底面层或者作为半刚性基层沥青路面结构的下面层，设计厚度达3～10 cm，作为结构层时兼具应力吸收层功能，同时具有防水防裂、抗疲劳、防治反射裂缝等多重效果。粗粒式应力吸收层克服了以往砂粒式应力吸收层抗车辙变形能力差、设计厚度薄、难以均匀摊铺施工的缺点，防裂效果大大提高；同时减少了结构层数量，提高了结构的层间连续性，有利于延长路面的使用寿命；在实际工程应用中能简化施工工序，缩短工期，降低工程总体造价。本研究采用主骨料填充法(CAVF法)对该粗粒式应力吸收结构层沥青混合料进行配合比设计，通过一系列室内试验来研究其路用性能；最后分析车辙和低温弯曲试验结果，提出一种可以确定该粗粒式应力吸收结构层沥青混合料最佳油石比范围的方法，为此类材料的实际工程应用提供技术参考。

1 原材料性能

1.1 集料

本设计选用花岗岩集料，规格分别为10～20 mm碎石、5～10 mm碎石和0～3 mm石屑，参照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)进行性能检验，结果见表1。

表1 集料的基本性能

1.2 矿粉

有研究表明，用碱性的石灰岩矿粉作填料有利于使沥青与集料更好地黏结，提升混合料的马歇尔稳定度，改善路用效果[11]。故本研究选择由广州市政维修处提供的碱性石灰岩矿粉作填料，其具体性能见表2。

1.3 沥青

根据这种粗粒式应力吸收结构层沥青混合料需具有应力吸收层功能的特点，要选用一种高黏度的改性沥青，使混合料具有较高的强度和良好的拉伸变形能力[12-14]。本文所选高黏改性沥青为壳牌新粤(佛山)沥青有限公司的产品，其基本性能见表3。

表2 矿粉的各项指标

表3 高黏改性沥青的基本性能

2 级配设计

这种粗粒式应力吸收结构层沥青混合料必须采用大油石比(通常可达相近矿料级配普通沥青混合料油石比的1～3倍，具体根据设计和工程需要而定)，以提高混合料的拉伸变形能力，增强应力消散的效果，起到应力吸收和防水防裂的作用。为了使该沥青混合料能够形成骨架密实结构，从而提高其使用性能，本文采用CAVF法进行矿料密(断)级配的设计[15-17]，即先根据工程经验和混合料的用途确定出油石比范围在4.5%～7.5%，然后按0.5%的间隔对每一个油石比用 CAVF 法进行级配设计。其中粗骨料根据以往工程经验设计，细集料按泰波公式设计。

P=(d/D)n×100

(1)

式中：P为集料颗粒在筛孔尺寸d的通过百分率(%)；d为集料中颗粒的筛孔尺寸(mm)；D为集料的最大粒径(mm)；n为级配指数，n=0.45。

CAVF法的设计思想是用粗集料作为骨架，细集料等对其进行填充，使混合料形成骨架密实结构。具体的数学表达式为[18]

式中：qc为粗集料用量百分比(%)；qf为细集料用量百分比(%)；qp为矿粉用量百分比(%)；qa为沥青用量百分比(%)；ρ为粗集料骨架捣实状态下的堆积密度(g·cm-3)；VDRC为捣实状态下粗集料骨架间隙率(%)；Vv为设计目标空隙率(%)；ρaf为细集料的表观相对密度；ρf为矿粉的表观相对密度；ρa为高黏改性沥青的相对密度。

捣实状态下粗集料骨架间隙率

VDRC=(1-ρ/ρb)×100%

(4)

式中：ρ为粗集料骨架捣实状态下的堆积密度(g·cm-3)；ρb为粗集料毛体积密度(g·cm-3)。

本研究用的粗集料毛体积密度ρb=2.62 g·cm-3，粗集料骨架捣实状态下的堆积密度ρ=1.58 g·cm-3，细集料的表观相对密度ρaf= 2.64，高黏改性沥青相对密度ρa=1.03，矿粉的表观相对密度ρf=2.864。根据工程经验和密级配沥青混合料设计，取目标空隙率Vv为5.0%，矿粉用量qp为5%，油石比分别为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%、6.5%、7.0%和7.5%，由式(5)可求得各油石比对应的沥青用量qa。

qa=q/(1+q)

(5)

式中：qa为沥青用量(%)；q为油石比(%)。

将上述已知量代入式(2)～(4)可求得粗集料用量qc、细集料用量qf和粗集料骨架间隙率VDRC(39.7%)。各油石比的粗细集料用量如表4所示。结合以往工程经验确定的粗集料级配和n=0.45时泰波公式确定的细集料级配(表5)，可以计算出各油石比下的设计级配，如表6所示。

表4 各油石比下的粗细集料用量

表5 粗集料、细集料的级配组成

表6 各油石比下矿料的合成级配

3 室内试验结果

通过析漏试验、马歇尔试验、浸水马歇尔试验、车辙试验、低温小梁弯曲等室内试验来初步研究粗粒式应力吸收结构层沥青混合料的施工和易性、高温稳定性、水稳定性、抗车辙能力和低温抗裂性等路用性能。

3.1 谢伦堡沥青析漏试验

沥青含量较高是粗粒式应力吸收结构层沥青混合料的特点之一，因此首先要考虑材料的施工和易性。如果沥青用量过大，混合料运输过程中会发生胶浆离析现象，所以有必要进行谢伦堡沥青析漏试验，确定出合理的沥青用量范围。析漏试验结果见表7。沥青混合料在油石比4.5%～6.5%下析漏损失较小，油石比为7.0%和7.5%时析漏损失较大，故初步确定该沥青混合料油石比范围为4.5%～6.5%。

表7 谢伦堡沥青析漏试验结果

3.2 标准马歇尔试验

标准马歇尔试验是评价该粗粒式应力吸收结构层沥青混合料高温稳定性的方法之一。采用油石比4.5%～6.5%拌制粗粒式应力吸收结构层沥青混合料，进行标准马歇尔稳定度试验，拌合温度为185 ℃，击实温度为180 ℃，双面击实75次。测得各油石比马歇尔试件的各项指标，如表8所示。试验结果显示，各油石比下马歇尔试件的马歇尔稳定度和流值都符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中夏季炎热地区重载交通下的马歇尔稳定度技术标准(>8 kN)以及流值技术标准(20～40(0.1 mm))。

表8 马歇尔试验结果

本研究的目的是得到一种具有优良路用性能的粗粒式骨架密实结构沥青混合料，核心是确保沥青混合料能够形成骨架密实结构，所以要验证其是否形成骨架密实结构。若捣实状态下粗集料骨架间隙率VDRC大于压实状态下混合料中粗集料骨架间隙率Vmix，则混合料为骨架密实结构。Vmix可由式(6)计算。

Vmix=100%-(γfPCA/ρbc)×100%

(6)

式中：γf为沥青混合料的毛体积相对密度；ρbc为粗集料的合成毛体积相对密度；PCA为沥青混合料中粗集料的比例。

由式(6)求得，本设计中各个油石比的Vmix分别为36.56%、36.04%、35.54%、35.07%和34.55%。每个油石比沥青混合料的Vmix均小于VDRC(39.7%)，故设计的粗粒式应力吸收结构层沥青混合料均为骨架密实结构。

3.3 浸水马歇尔试验

粗粒式应力吸收结构层沥青混合料的水稳定性也是影响其使用性能的重要因素之一。采用浸水马歇尔试验测定其残留稳定度值用以评价该沥青混合料的水稳定性，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的方法击实成形马歇尔圆柱体试件，60 ℃恒温水槽中养护48 h，试验结果如表9所示。由表9可见，各油石比试件浸水残留稳定度均大于85%，可以认为此粗粒式应力吸收结构层沥青混合料具有良好的水稳定性。

表9 浸水马歇尔试验结果

3.4 车辙试验

本研究的粗粒式应力吸收结构层沥青混合料，在用于旧水泥路面加铺沥青层的底面层或者作为半刚性基层沥青路面结构的下面层时，必须具有足够的抗车辙能力。故按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)进行了沥青混合料车辙试验，来验证粗粒式应力吸收结构层沥青混合料的抗车辙能力。车辙试验结果见表10，可见动稳定度都保持在3 000 次·mm-1以上，满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中夏季炎热地区重载交通下的车辙动稳定度技术标准要求(>2 800 次·mm-1)，说明该粗粒式应力吸收结构层沥青混合料具有良好的抗车辙能力。

表10 高温车辙试验结果

3.5 低温弯曲试验

本设计的目的是提出一种用作路面结构层并兼具应力吸收层功能的沥青混合料，从而有效防止反射裂缝等问题。故按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)拌制各油石比下粗粒式应力吸收结构层沥青混合料，进行小梁弯曲试验，用以评价该混合料的低温抗裂性能[19]。试验结果见表11，可见-10 ℃下的最大弯拉应变和抗弯拉强度分别在3 500～5 500 με和10.0～12.0 MPa之间，符合《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中冬季严寒区改性沥青混合料低温弯曲试验破坏应变的技术要求(>3 000 με)，满足应力吸收层抗反射裂缝需要的应变和强度要求。因此，在抵抗低温开裂和反射裂缝方面，该粗粒式应力吸收结构层沥青混合料具有良好的性能。

表11 低温弯曲试验结果

为更加直观地表现这种粗粒式应力吸收结构层沥青混合料的弯曲变形能力，选取弯拉应变最大、各方面性能良好的6.5%油石比拌制沥青混合料，轮压成型板块状试件，切制1 cm左右厚度的小梁试件，进行人工持续施压，直至试件产生裂缝时停止，试件弯曲变形效果见图1。

图1 试件弯曲变形效果

4 确定最佳沥青用量范围

粗粒式应力吸收结构层沥青混合料用于旧水泥路面加铺沥青层的底面层或者作为半刚性基层沥青路面结构的下面层时，在具有较强抗车辙能力的同时又要提供应力吸收层的功能，因此需要具备良好的弯拉变形性能。室内试验结果显示，随着油石比的增加，车辙试验动稳定度反而降低，但-10 ℃下的最大弯拉应变却随着油石比的增加而增大。可以看出，油石比的变化对该沥青混合料高温抗车辙能力和弯拉变形性能影响较大，所以需要确定油石比的最佳范围，使其既具有较强的抗车辙能力，又有较好的弯拉变形性能。因此，根据试验结果，以油石比为横坐标，以动稳定度、-10 ℃弯拉应变为纵坐标，分别做出油石比与动稳定度和-10 ℃弯拉应变的关系曲线，如图2、3所示。

以动稳定度与油石比关系曲线的拐点确定最佳油石比范围的最大值为5.8%，以-10 ℃弯拉应变与油石比关系曲线的拐点确定最佳油石比范围的最小值为5.6%。可以看出，当油石比在5.6%～5.8%之间时，该粗粒式应力吸收结构层沥青混合料同时具备良好的抗车辙能力和低温抗裂性能，满足作为路面结构层的同时又具备应力吸收层功能的要求。

图2 动稳定度与油石比的关系曲线

图3 最大弯拉应变与油石比的关系曲线

5 结 语

本研究用CAVF法设计了一种粗粒式应力吸收结构层沥青混合料，并开展室内试验对其路用性能进行初步研究，得到以下结论。

(1)室内试验结果表明，该沥青混合料具有良好的高温稳定性、水稳定性、抗车辙能力和低温抗裂性，满足施工技术标准要求。

(2)由于这种材料沥青含量较高，在实际工程应用中需要考虑施工和易性，避免混合料运输过程中发生胶浆离析现象，造成材料的浪费。

(3)车辙试验和低温弯曲试验结果表明，根据油石比与动稳定度、-10 ℃低温的最大弯拉应变的变化关系，可以确定出该沥青混合料的最佳油石比范围，即当油石比在5.6%～5.8%之间时，该沥青混合料同时具备良好的抗车辙能力和低温抗裂性能，满足作为路面结构层的同时又具备应力吸收层功能的要求。

(4)工程实践表明，疲劳损坏也是影响沥青路面使用寿命的主要因素之一，故可对此类材料的疲劳性能做进一步研究，并结合试验路段来检验和完善该技术。