组成设计参数对ATB抗反射裂缝性能的影响

蒋世贵 周良放 付其林

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410004）

0 引言

水稳类半刚性基层沥青路面及旧水泥路面加铺沥青面层易出现反射裂缝，导致其早期损坏严重，严重影响了其使用寿命。为了解决沥青路面反射裂缝这一难题，道路工作者相继对沥青稳定碎石混合料（ATB）、土工布和沥青砂等材料的抗裂性能进行了研究。由于ATB具有抗反射裂缝的作用，还具有良好的路用性能，因此得到了较为广泛的应用。曹青青等人采用扩展有限元模拟了荷载作用下反射裂缝的扩展过程，研究表明骨架结构的ATB有效限制了裂缝的自由发展；Li等人采用有限元模拟了偏荷载作用下基层带有裂缝的沥青面层受力特征，研究表明ATB有效降低了裂缝尖端最大应力。为了验证理论分析与实际工程的统一性，PALIT等采用剪切试验评价沥青混合料抵抗荷载的作用，研究表明ATB具有较高的抗剪强度；秦禄生等人研究表明ATB具有较高的抗冲击次数；冯新军等人研究表明ATB具有较高的弯拉疲劳次数。可见，目前我国对弯拉与剪切作用下ATB抗反射裂缝性能进行了一定的研究。组成设计参数关系着沥青混合料组成结构，决定着其技术特性。然而，目前对组成设计参数对ATB抗反射裂缝性能影响的研究不足。集料粒径、分形维数、胶浆膜厚度和粉胶比等是ATB组成设计的关键参数，因此，该文通过侧拉与直剪试验，研究侧拉与直剪共同作用下组成设计参数对ATB抗反射裂缝性能的影响，为ATB组成设计提供依据。

1 原材料技术特性

1.1 沥青

沥青为70#道路石油基质沥青，其主要技术性质见表1。

表1 70#基质沥青的技术性质

1.2 集料

粗集料和细集料均为石灰岩碎石，矿粉为石灰岩磨制的石粉，其主要物理性能指标见表2。

表2 集料的物理性能指标试验结果

1.3 集料级配

参考ATB集料级配范围，设计了不同公称最大粒径的7种集料级配，见表3。

2 试验方法

基于沥青路面反射裂缝成因，通常将反射裂缝分为张开型裂缝与剪切型裂缝，这就要求ATB同时具有抗张开型裂缝与剪切型裂缝的能力。因此，该文采用侧拉试验与直剪试验分别测试ATB抗张开型裂缝与剪切型裂缝的性能，以综合评价ATB抗反射裂缝能力。

2.1 侧拉试验

在温度作用下基层裂缝处收缩引起沥青面层底部受拉，面层底部开裂并向路表传递形成张开型裂缝；基于张开型裂缝形成原理，该文设计了侧拉试验，示意图如图1所示。碾压成型上层5 cm厚AC-13、下层5 cm厚抗裂材料（ATB）的复合车辙板，并切制成长30 cm、宽10 cm的复合试件。将复合试件胶结在侧拉试验装置上，在两刚性板接缝宽度7 mm、试验温度0 ℃及试验速率1 mm/min条件下，基于SANS材料试验机进行侧拉试验。记录试件断裂时拉伸位移，以张开抗裂度（抗裂材料拉伸位移与AC-25拉伸位移比值）为指标，评价沥青混合料抗张开型裂缝性能。

图1 侧拉试验示意图

2.2 直剪试验

在车辆荷载作用下引起基层裂缝处沥青面层受剪，剪切作用导致反射裂缝形成。基于剪切型裂缝形成原理，该文设计了直剪试验，示意图如图2所示。碾压成型上层5 cm厚AC-13、下层5 cm厚抗裂材料（ATB）的复合车辙板，并切制成长30 cm、宽10 cm的复合试件。将复合试件放置在直剪试验装置上，在两刚性板接缝宽度7 mm、试验温度0 ℃及试验速率1 mm/min条件下，基于SANS材料试验机进行直剪试验。记录试件断裂时剪切荷载，以剪切抗裂度（抗裂材料剪切荷载与AC-25剪切荷载比值）为指标，评价沥青混合料抗剪切型裂缝性能。

图2 直剪试验示意图（单位：mm）

3 试验结果与分析

3.1 集料粒径的影响

为了分析集料公称最大粒径对ATB抗反射裂缝性能的影响，对表3中1#、4#和7#级配3种集料粒径的ATB进行侧拉试验和直剪试验，试验结果如图3所示。

根据图3可知，随着集料粒径的增大，ATB张开抗裂度与剪切抗裂度均增大；从数值上看，集料公称粒径从25 m增大到40 mm，张开抗裂度提高了14.4%，剪切抗裂度提高了21.3%。结果表明，增大集料粒径可以同时提高ATB抗张开型与剪切型裂缝的性能，且对抗剪切型裂缝性能提高的更显著。这是因为，较大的集料起到桥联作用，提高了抗剪切型裂缝性能，且改变了裂缝扩展路径，提高了抗张开型裂缝性能。这说明，集料粒径对ATB抗反射裂缝性能影响显著，采用较大集料粒径的ATB可有效提高其抗反射裂缝性能。

图3 集料粒径对抗反射裂缝性能的影响

3.2 集料级配的影响

为了分析集料级配对ATB抗反射裂缝性能的影响，采用分形维数表征表3中2#~6#级配，对不同分形维数的ATB-30进行侧拉试验和直剪试验，试验结果如图4所示。

图4 分型维数对抗反射裂缝性能的影响

表3 设计集料级配

根据图4可知，随着分形维数的减小，ATB张开抗裂度逐渐提高。但是，剪切抗裂度先提高再降低，且分形维数在2.45时，其剪切抗裂度达到最大值。结果表明，适当减小分形维数可以同时提高ATB抗张开型裂缝与抗剪切型裂缝的性能。但当分形维数过小时，其抗剪切型裂缝的性能下降。这是因为，随着分形维数的减小，ATB粗集料逐渐增多，有利于混合料形成骨架结构，且传递到上面层底部的应力越小。当粗集料过多时，反而破坏了混合料的骨架结构。这说明，分形维数对ATB抗反射裂缝性能影响显著，分形维数为2.45~2.48时其抗反射裂缝性能较好。

3.3 胶浆膜厚度的影响

为了分析胶浆膜厚度对ATB抗反射裂缝性能的影响，基于表3中4#级配和粉胶比1.0，对不同胶浆膜厚度的ATB-30进行侧拉试验和直剪试验，试验结果如图5所示。

根据图5可知，随着胶浆膜厚度的增大，ATB张开抗裂度逐渐提高。但是剪切抗裂度先提高再降低，且胶浆膜厚度在40μm时，其剪切抗裂度达到最大值。结果表明，适当增大胶浆膜厚度可以同时提高ATB抗张开与剪切型裂缝的性能，但当胶浆膜厚度过大时，其抗剪切型裂缝的性能下降。这是因为，增多沥青胶浆提高了ATB变形能力和抗剪强度，当沥青胶浆过量后对混合料起润滑作用，降低了其抗剪强度。这说明，胶浆膜厚度对ATB抗反射裂缝性能影响显著，胶浆膜厚度为40μm~44μm时其抗反射裂缝性能较好。

图5 胶浆膜厚度抗反射裂缝性能的影响

3.4 粉胶比的影响

为了分析粉胶比对ATB抗反射裂缝性能的影响，基于表3中4#级配和胶浆膜厚40μm，对不同粉胶比的ATB-30进行侧拉试验和直剪试验，试验结果如图6所示。

根据图6可知，随着粉胶比的增大，ATB张开抗裂度逐渐降低。但是，剪切抗裂度先提高再降低，且粉胶比在1.2时，ATB剪切抗裂度达到最大值。结果表明，适当增大粉胶比对ATB抗张开型裂缝性能不利，但可以提高其抗剪切型裂缝性能。当粉胶比过大时，对ATB抗张开型裂缝与抗剪切型裂缝的性能均不利。这是因为，随着粉胶比的增大，起润滑作用的自由沥青减小，降低了其变形能力，提高了其黏结强度；当沥青胶浆黏度过大时，反而降低了其黏结强度。这说明，粉胶比对ATB抗反射裂缝性能影响显著，粉胶比为0.7~0.9时其抗反射裂缝性能较好。

图6 粉胶比抗反射裂缝性能的影响

4 结语

集料粒径对ATB抗反射裂缝性能影响显著，随着集料粒径的增大，ATB张开抗裂度与剪切抗裂度均增大，采用较大集料粒径的ATB可有效提高其抗反射裂缝性能。分形维数对ATB抗反射裂缝性能影响显著，随着分形维数的减小，ATB张开抗裂度逐渐提高，剪切抗裂度先提高再降低，分形维数为2.45~2.48时其抗反射裂缝性能较好。胶浆膜厚度对ATB抗反射裂缝性能影响显著，随着胶浆膜厚度的增大，ATB张开抗裂度逐渐提高，其剪切抗裂度先提高再降低，胶浆膜厚度为40μm~44μm时其抗反射裂缝性能较好。粉胶比对ATB抗反射裂缝性能影响显著，随着粉胶比的增大，ATB张开抗裂度逐渐降低，其剪切抗裂度先提高再降低，粉胶比为0.7~0.9时其抗反射裂缝性能较好。