空隙率对摊铺式橡胶沥青应力吸收层性能影响

张红波，彭文举，刘俊斌,4，李 平，李雨轩

(1.长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410114；2.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007；3.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007;4.葛洲坝集团交通投资有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引言

不论是新建半刚性基层沥青路面、复合式路(桥)面，还是养护工程的加铺设计均存在潜在的反射裂缝产生风险。贯穿的反射裂缝会直接影响路面的使用寿命[1]。应力吸收层作为预防与限制反射裂缝扩展的有效途径得到了极为广泛的应用，根据材料组成及施工方式不同分为两种类型：洒布式、摊铺式。洒布式沥青与集料洒布均匀性不易控制，且其完整性在上层沥青层施工时易被摊铺机履带与运料车碾压破坏，反而造成潜在质量隐患。摊铺式应力吸收层采用与面层沥青混合料相同的摊铺碾压设备。该结构施工稳定，具有良好的应力吸收效果，逐渐成为应力吸收层的首选设计方案[2]。

由于应力吸收层的特殊功能需求，要求沥青具有较高的模量及良好的弹性性能[3]。橡胶沥青由于其优良使用性能、经济性能以及特有的环境友好特性，具有较高的潜在利用价值[4]。区别于洒布式应力吸收层，摊铺式要求沥青混合料具有合适的配合比设计。设计空隙率作为沥青混合料配合比设计重要参数，其标准直接影响着混合料最佳油石比、体积指标及各项路用性能。但国内外现有规范指南中对应力吸收层专有配合比设计涉及较少，且对设计空隙率并不无一致推荐标准(表1为国内典型应力吸收层或10型沥青混合料推荐空隙率)。因此，有必要对摊铺式橡胶沥青应力吸收层设计空隙率标准进行深入研究。

不同于普通沥青混合料，应力吸收层除应具备良好的高温、低温以及水稳定性等传统路用性能外，还应具有良好的应力吸收效果。但目前对于应力吸收性能评价方法并无统一标准，国内外学者对此进行了相应研究，提出了多种试验评价方法。如剪切试验法[13]、小梁弯曲试验[14]、半圆弯曲(SCB)裂缝扩展试验[15]、Overlay Test(OT)试验[16]以及轮载疲劳试验[17]等。但上述研究表明，部分评价方式存在评价方式与应力吸收性能关联性差以及试件制备困难或试验结果变异性大等弊端，有效的、全面的应力吸收性能试验方法及评价参数仍有待进一步研究。

基于此，针对摊铺式橡胶沥青应力吸收层设计空隙率标准不统一，应力吸收性能无明确、综合性评价方法的研究现状，本研究拟以选取典型10型级配3组，采用4.0%，2.5%两种代表性设计空隙率，对摊铺式橡胶沥青混合料高温稳定性、水稳定性以及应力吸收性能(包含抗断裂性能与抗裂缝扩展性能)等使用性能进行综合评价，为摊铺式橡胶沥青应力吸收层设计空隙率标准的选取提供理论指导。

1 原材料与试验方法

1.1 橡胶沥青

采用70#A级基质沥青、20%掺量30～80目橡胶粉(某集团有限公司提供)、0.5%掺量SBS(某YH-791H星型)进行橡胶沥青制备，制备的橡胶沥青性能指标如表2所示。

1.2 沥青混合料

1.2.1 级配选取

对比国内外有关应力吸收层或橡胶沥青路面规程，按最大公称粒径划分，应力吸收层矿料级配类型主要有5型、10型两大类。分析发现，就级配类型数量及应用现状而言，仍以10型为主。对典型10型级配曲线线型特点作进一步分析，可将典型级配划分为如下3类(如图1所示，下述规程均为缩写)：

(1)A系列：CAM级配[18]；

(2)B系列：施工规范2004[19]、福建地标[7]；

(3)C系列：广西[6]、江西[8]、上海[9]、北京[11]、河北[12]、山西[10]地标与施工规范2017(征求意见稿)[5]。

图1 10型矿料级配分类Fig.1 Classification of 10 graded aggregates

对比发现，C型级配在我国10型混合料中应用较为广泛，这与施工技术规范的调整导向相一致。为研究空隙率标准变化对不同级配混合料影响，参照上述规程级配范围进行试验室级配组合，合成A类级配1组：B类级配2组：B-1，B-2，C类级配3组：C-1，C-2，C-3(如表3所示)。

表3 橡胶沥青应力吸收层试验级配Tab.3 Test gradation of rubber asphalt stress absorbing layer

1.2.2 配合比设计

比较表1中汇总的各规程推荐空隙率标准发现，以3.0%空隙率为分界线，将空隙率标准分为两类：以施工规范2017为代表的2.0%～3.0%小空隙率标准。以各地标为代表的3.0%～6.0%与普通沥青混合料相近的空隙率标准。基于此，本研究选取2.5%，4.0%两个典型空隙率，并结合上述遴选级配进行后续混合料性能分析。

采用马歇尔设计方法，分别以4.0%，2.5%作为最佳油石比确定标准对各级配进行配合比设计，得到各混合料最佳油石比结果如表4所示。

表4 各级配混合料最佳油石比及体积指标Tab.4 Optimum asphalt-aggregate ratios and volume indicators of graded mixtures

由于A级配混合料与其它混合料在级配、最佳油石比等方面差异较大，且该级配在我国应用较少。因此，在其它级配中选取相同空隙率下最佳油石比较为接近的B类级配1组、C类级配2组共3组级配进行后续试验：10B-1，10C-2，10C-3(图2)。为减少因油石比差异导致的其它试验因素影响，统一采用3组级配最佳油石比均值作为对应空隙率下各混合料油石比。油石比选取及沥青膜厚度计算结果如表5所示。

图2 选用3类级配曲线Fig.2 Selected 3 gradation curves

表5 不同级配混合料油石比及沥青膜厚度Tab.5 Asphalt-aggregate ratios and asphalt film thicknesses of different graded mixtures

1.3 试验方法

1.3.1 高温稳定性

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》沥青混合料车辙试验(T 0709—2011)，进行沥青混合料60 ℃高温车辙试验，试验得到动稳定度指标。

1.3.2 水稳定性

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)《沥青混合料马歇尔稳定度试验》(T 0719—2011)《沥青混合料冻融劈裂试验》(T 0729—2000)，进行浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验，试验得到残留稳定度(MS0)、冻融劈裂强度比(TSR)。

1.3.3 应力吸收性能

应力吸收层作为预防及延缓反射裂缝形成与发展的专用功能层，除应具有普通沥青混合料的路用性能外，还应具有良好的应力吸收性能。应力吸收性能应具有两方面的作用，即在裂缝形成前应具有良好的抗断裂性能阻止裂缝的形成，另外在裂缝形成后应具有良好的抗裂缝扩展性能以限制裂缝的发展进而对上覆结构层产生不利影响。结合上述两方面应力吸收层破坏形式，可采用如下两种方式进行综合评价：小梁弯曲试验侧重对混合料试件裂缝形成初期性能进行评价，SCB裂缝扩展试验通过预留切缝方式可侧重对混合料抗断裂性能进行评价。

(1)小梁弯曲试验：通过测试不同温度条件下混合料试件的破坏过程参数，侧重评价混合料抵抗裂缝形成的能力。另外，-10 ℃小梁弯曲试验也为我国沥青混合料低温性能评价标准试验，采用此方法可同时对低温性能与抗断裂性能进行综合评价。

参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E20—2011)》沥青混合料弯曲试验，进行-10 ℃，15 ℃小梁弯曲试验，计算得到弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量以及应变能密度等指标。其中，前3个参数按照规程方法进行计算，应变能密度按如下方法进行计算：

绘制出沥青混合料弯曲破坏试验σ(应力)-ε(应变)曲线，应变能密度的几何意义为当混合料应力达到峰值时，σ-ε曲线与X轴围成的面积。

(1)

(2)SCB裂缝扩展试验：采用预切裂缝的方式进行加载，可直观、有效模拟含裂缝条件下试件裂缝进一步发展直至破坏的过程。

SCB裂缝扩展试验通过半圆弯曲法测定常温下沥青混合料的断裂特性，从荷载-位移曲线得到断裂能和柔性指数两大参数，进而预测沥青混合料的抗裂缝扩展性能。试验采用预留凹槽的半圆形试件，试件尺寸如图3所示，凹槽尺寸为：深度(15±1)mm，宽度(2.0±1.0)mm。

图3 SCB裂缝扩展试验试样制备及实体试样(单位:mm)Fig.3 Preparation of SCB crack propagation test specimen and real specimen(unit:mm)

参照EN 16697-44—2010[20]与AASHTO TP 124-16[21]步骤进行试验(试验演示过程如图4所示)：

图4 SCB裂缝扩展试验过程Fig.4 Process of SCB crack propagation test

(1)试件在(25±0.5)℃的环境室或水浴中保温2 h±10 min；

(2)试验机施加初始荷载(0.1±0.01)kN，加载速率为0.05 kN/s，在达到0.1 kN初始荷载后，以50 mm/min的速率进行测试；

(3)当荷载降至0.1 kN以下时，试验停止。记录峰值荷载及对应位移。

通过荷载-位移曲线，计算得到断裂能(Gf)和柔性指数(FI)参数。

(1)断裂能Gf

(2)

Alig=(r-a)×b，

(3)

(4)

式中，Gf为试件断裂能；Alig为试件韧性区面积；r为试件半径；a为裂缝长度；b为试件厚度；Wf为试件断裂功，断裂功Wf由荷载位移(P-u)曲线的面积计算得出；P为试件施加荷载变量；u为荷载位移变量。

(2)柔性指数FI

(5)

式中，FI为柔性指数，精确到0.1；|m|为峰后斜率的绝对值；荷载-位移曲线上峰后曲线拐点处绘制的切线斜率的绝对值；A为用于单位转换和缩放，A取0.01。

2 空隙率对使用性能影响

2.1 高温性能影响

按照前述试验方法进行各混合料高温车辙试验，每组混合料进行3个平行试验，测试得到动稳定度(DS)均值及变异系数如表6所示。

表6 不同空隙率沥青混合料车辙试验结果Tab.6 Rutting test result of asphalt mixtures with different air voids

分析可知：

(1)设计空隙率减小，混合料动稳定度下降，且不同级配混合料对空隙率变化的敏感性不同(图5)。3组混合料动稳定度下降幅度分别为：5.2%，2.7%和9.5%，这是由于设计空隙率由4%变化为2.5%时，试验油石比增加0.63%，混合料中自由沥青比例增大。由于沥青为温度敏感性材料，高温条件时黏度显著减小，自由沥青含量的增加将使集料更易发生相互滑移，引起混合料高温力学性能下降，进而表现为动稳定度值减小。但高温车辙试验条件下，沥青黏度降低，混合料稳定级配为高温稳定性主要贡献来源[22]，因此各级配混合料动稳定度降幅均较小，未超过10%。

图5 不同空隙率混合料动稳定度Fig.5 DSs of mixtures with different air voids

(2)3组级配中，10C-2动稳定度最大、10B-1动稳定度最小。这主要是受级配影响，如前述分析，3组级配集料粗细排序为：10C-2>10C-3>10B-1。其中，10B-1级配2.3.6 mm通过率较其他两组高11%～12%，4.75 mm通过率较其他两组高19%～22%。粗集料较多时有助于骨架结构的形成，更有利于抵抗高温变形，因而具有较高的动稳定度。

图6 动稳定度变异系数Fig.6 Variation coefficient of DS

(3)同一级配混合料中，2.5%空隙率混合料动稳定度离散性均优于4.0%空隙率混合料(图6)。当空隙率由4.0%减小至2.5%时，3组级配混合料动稳定度变异系数分别降低56.8%，16.9%和24.6%。这是由于空隙率减小，混合料密实程度提高，空隙可分布区域减小，因此空隙在混合料内部分布的离散可能性降低，空隙相对更易均匀分布，降低了因空隙大小不均、分布不均导致的动稳定度离散程度。

(4)不同级配的离散性具有明显差异，其中10B-1级配离散性最优，10C-3级配次之，10C-2级配最差。由于级配变化对混合料高温性能影响较大，这可能是由于10B-1级配相较另外两组细集料较多，其2.36 mm及4.75 m通过率远高于另外两组(图2)。而混合料制备过程中，细集料相对容易拌和均匀，粗集料多则更易发生离析。因此，反馈至高温稳定性上为10B-1动稳定度变异性最小。

2.2 水稳性能影响

按照前述试验方法进行各混合料浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验，每组混合料进行3个浸水马歇尔试验、4个冻融劈裂试验，测试结果如表7所示。

表7 水稳定性试验结果Tab.7 Water stability test result

(1)MS0与TSR对沥青混合料水稳定性反映规律基本一致。由图7可知，浸水马歇尔试验结果与冻融劈裂试验结果线性相关系数R2为0.839 1，具备较好的线性关系，表明两种试验方法可较为统一的评价级配对沥青混合料水稳性能的影响。

图7 浸水马歇尔与冻融劈裂试验相关性Fig.7 Correlation between immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test

(2)随着设计空隙率的减小，浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比呈现不同程度的提高，表明混合料水稳定性有所改善(图8)。这是由于随着空隙率减小，混合料更加密实，水更难进入混合料内部。同时，空隙率减小后，混合料沥青膜厚度均有所提高(见表5)，水对沥青与集料的剥离难度加大。因此，浸水或冻融作用下水对混合料的剥离作用显著降低，使得浸水或冻融处理后混合料试件承力特性减弱程度降低。

图8 橡胶沥青应力吸收层水稳性能试验结果Fig.8 Test result of water stability of rubber asphalt stress absorption layer

(3)单一提高沥青用量并不能显著改善沥青混合料水稳定性。对比不同级配水稳定提升幅度，残留稳定度提升大小分别为：0.3%，3.2%和0.5%，冻融劈裂强度比提升幅度为：0.5%，4.0%和0.6%。其中，10C-2级配混合料两个指标均大幅提升，主要是由于其在空隙率为4.0%时水稳定性较差。分析该混合料沥青用量，设计空隙率为4%时，10C-2级配混合料采用油石比大于其最佳油石比0.17%，油石比增加幅度最大，设计空隙率为2.5%时其油石比较最佳油石比小0.18%，油石比减小幅度最小。与级配相似的10C-3混合料相比，4.0%空隙率时，增长油石比反而使水稳定性下降。因此，进行配合比设计时，为提高其水稳定性并不能采用单一提高沥青用量的方式，应结合空隙率、沥青膜厚度等进行优化设计。

2.3 应力吸收性能影响

为评价级配对沥青混合料应力吸收性，采用小梁弯曲试验与SCB裂缝扩展试验进行综合评价，试验结果及分析如下。

2.3.1 小梁弯曲试验

按照前述试验方法进行各混合料小梁弯曲试验，试验温度分别为-10 ℃，15 ℃，每组混合料进行3个平行试验，试验结果如表8所示。

表8 橡胶沥青应力吸收层混合料小梁弯曲试验结果Tab.8 Test result of trabecular bending test of rubber asphalt stress absorbing layer mixture

(1)本试验涉及的4个评价指标中，根据指标含义、相关性和区分性，建议选取弯拉应变与应变能密度综合评价混合料应力吸收效果。

根据各指标对比关系(如图9所示)，弯拉强度、弯拉应变、弯曲劲度模量与应变能密度4个参数对沥青混合料的性能反映规律和空隙率区分程度并不一致。其中，弯拉应变和应变能密度均表现出随空隙率减小而增大的规律，且不同温度条件下两者变化规律一致。而弯拉强度和弯曲劲度模量随空隙率减小的变化规律并不一致，其中，-10 ℃劲度模量随空隙率的减小而降低，降低幅度分别为：18.6%，35.6%和-47.6%。而15 ℃时劲度模量未见明显规律且劲度模量变化幅度相对较小，变化幅度分别为：+3.3%，-11.4%和+8.7%(“+”表示增加，“-”表示降低)。而弯拉强度则随空隙率变化未见明显规律。

图9 -10 ℃,15 ℃应力吸收层混合料小梁弯曲试验结果Fig.9 Trabecular bending test result of stress absorbing layer mixture at -10 ℃ and 15 ℃

根据各试验参数意义，弯拉强度与弯拉应变分别为试件破坏时施加的荷载与应变，分别表示混合料的承力特性与拉伸性能。但二者均为单一评价指标，实际并不能对小梁弯曲试验结果进行综合评价[23]。弯曲劲度模量为小梁弯曲试验破坏时弯拉强度与弯拉应变比值，是混合料固有属性，为一相对指标，只能反映应力-应变的变化速率，并不能有效反映二者在破坏状态时的最终大小。根据应变能密度计算原理，其可综合反映弯拉强度与应变两个参数，该指标计算涉及了混合料从加载到破坏的全过程，可较好地反映多因素的综合影响，能降低试验中某单一因素产生的试验误差[24]，可有效评价试验温度条件下混合料抗断裂性能。且上述试验结果显示，弯拉应变与应变能密度具有较好的一致性，同时我国规范采用了-10 ℃弯曲应变作为低温拉伸性能评价指标，而低温拉伸性能也可表示为低温条件下混合料的抗断裂性能。综合分析，推荐采用弯拉应变与应变能密度综合评价沥青混合料的抗断裂性能。

(2)空隙率降低，混合料低温抗裂性能显著提高。-10 ℃低温弯拉应变作为规范规定的低温抗裂性能评价指标，参照《公路沥青路面施工技术规范(JTG F40—2004)》对比各试样-10 ℃弯拉应变，如图10所示。各试样低温弯曲应变均≥3 000 με，表明各混合料低温抗裂性能均满足规范对改性沥青混合料技术要求。当各级配混合料空隙率由4%降低至2.5%时，低温弯拉应变显著提高，提高幅度分别为33.2%，23.9%和46.6%。这是由于降低空隙率提高了混合料的密实度，混合料颗粒间接触点更多、接触更加紧密，进行低温小梁弯曲试验时更难发生开裂破坏。

图10 各试样-10 ℃小梁弯曲试验弯拉应变Fig.10 Flexural tensile strain of each sample in trabecular bending test at -10 ℃

(3)结合选取的应力吸收性能评价指标，随着空隙率减小，橡胶沥青应力吸收层混合料应力吸收性能均得到改善，但随温度提升改善幅度显著降低(如表9所示)。这是由于随着空隙率的减小，不同级配沥青用量及沥青膜厚度均增加，沥青膜厚度的增加促使混合料内部黏聚力增大，混合料容许变形能力提高，使得各级配混合料弯拉应变与应变能密度均增大。

表9 各混合料随空隙率降低应力吸收性能指标提升对比Tab.9 Comparison of stress absorption performance indicators of different mixtures with decrease of air voids

比较不同温度下各混合料随空隙率降低应力吸收指标提升幅度，-10 ℃时，两指标提升幅度范围为19.0%～46.6%，而15 ℃时提升幅度范围仅为2.1%～6.7%。这是由于沥青为温度敏感性材料，温度提升，沥青延展性增强，混合料颗粒间可在较大应变状态下保持黏结，使得降低空隙率对其拉伸性能改善作用降低。

(4)10B-1级配混合料应力吸收性能优于其它两组级配混合料。整体而言，10B-1级配混合料在-10 ℃ 及15 ℃条件下弯拉应变及应变能密度均大于其它两组。这是由于10B-1级配2.36 mm，4.75 mm通过率显著高于其它两组，较高的细集料含量可有效愈合小梁试件加载初期的裂缝愈合，进而表现出相对较高的应力吸收性能参数。

2.3.2 SCB裂缝扩展试验

按照前述试验方法进行各混合料SCB裂缝扩展试验，各混合料进行4个平行试验，测得断裂能、柔性指数参数试验结果如表10所示。

表10 SCB裂缝扩展试验结果Tab.10 SCB crack propagation test result

分析可知：

(1)断裂能与柔性指数在不同空隙率下的变化规律一致(图11)，表明可采用断裂能和柔性指数评价沥青混合料的抗裂缝扩展性能。断裂能反映沥青混合料裂缝扩展直至完全展开所需的能量，柔性指数是材料的固有属性，表征抗裂缝扩展的速率特性。柔性指数越大，裂缝完全扩展所需的断裂能越大。

图11 SCB裂缝扩展试验结果Fig.11 SCB crack propagation test result

(2)降低空隙率有利于提高混合料应力吸收性能，且对级配较细混合料改善效果更加显著。随着空隙率的减小，断裂能与柔性指数均增大。3种级配混合料断裂能增长幅度分别为：17.8%，11.0%和13.6%，柔性指数增长幅度分别为：40.0%，4.4%和23.2%。其中10B-1级配混合料两项指标增长幅度显著高于其他组，表明提高级配较细型混合料密实度可显著改善混合料应力吸收性能。这是由于当空隙率较大时，较细级配混合料颗粒随荷载变形自由度较大。降低空隙率后，混合料更加密实，颗粒间空隙的减小有效抑制了裂缝的快速发展，表现为需要更高断裂能达到裂缝完全扩展状态。

2.3.3 相关性分析

作为应力吸收性能的两种评级方法，为探究两种试验方法及评价参数对应力吸收性能评价的相关性，将SCB裂缝扩展试验与小梁弯曲试验推荐参数评价结果进行对比，对不同级配在各参数下评价结果按大小顺序进行排序并汇总见表11(1最大，3最小)。

表11 小梁弯曲试验与SCB裂缝扩展试验评价结果对比Tab.11 Comparison of evaluation results between trabecular bending test and SCB crack propagation test

分析可知，同一试验不同评价参数试验结果具有良好的一致性，但不同评价试验之间评价结果差异较大，部分甚至呈现相反趋势。表明小梁弯曲试验与SCB裂缝扩展试验由于对应力吸收性能评价侧重点不同，各评价参数间并不具有简单的线性关系，进行应力吸收层设计时应综合考虑应力吸收性能在不同试验下的评价结果，应对应力吸收性能进行平衡设计。另外，评价结果的不一致，也进一步表明了采用不同试验方法综合评价应力吸收性能在不同方面性能要求的必要性。

3 结论

选取2.5%，4.0%两种典型设计空隙率，分别采用高温车辙试验、浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验测试沥青混合料高温性能、水稳定性；采用小梁弯曲试验与SCB裂缝扩展试验综合评价应力吸收性能，得到如下结论：

(1)设计空隙率减小，混合料动稳定度变异性减小、混合料动稳定度下降，但由于高温稳定性受级配影响较大，动稳定度降低幅度均在10%以内。

(2)随着设计空隙率的减小，浸水残留稳定度和冻融劈裂强度比呈现不同程度的提高，混合料水稳定性有所改善，但单一提高沥青用量并不能显著改善沥青混合料水稳定性。

(3)两种应力吸收性能评价方法显示，不同试验方法评价结果并不具有一致性。可采用小梁弯曲试验的弯拉应变、应变能密度与SCB裂缝扩展试验的断裂能、柔性指数综合评价沥青混合料应力吸收性能。同时，建议对不同评价指标的工程适用性作更深入的分析。

(4)小梁弯曲试验表明，随着空隙率减小，混合料应力吸收性能得到改善，但随温度升高改善幅度显著降低。SCB裂缝扩展试验表明，降低空隙率有利于提高混合料应力吸收性能，且对级配较细混合料改善效果更加显著。

(5)采用橡胶沥青进行摊铺式应力吸收层设计具有良好的应用潜力，且当设计空隙率控制在2.0%～3.0%水平时对应力吸收层整体功能发挥最为有利。