于 露，魏 強(qiáng)，符 佳

（同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海200092）

我國(guó)西南地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，許多省市潮濕多雨且日溫差變化顯著。出于經(jīng)濟(jì)以及因地制宜等因素，當(dāng)?shù)卮蠖喙肥褂冒雱傂曰鶎訛r青路面結(jié)構(gòu)。自上世紀(jì)70年代末半剛性基層瀝青路面在我國(guó)應(yīng)用以來，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)90%以上高等級(jí)公路都是采用這種結(jié)構(gòu)［1－2］。它憑借較好的板體性能和較高的強(qiáng)度，有效增加了路面的承載能力，為面層提供支撐作用，但同時(shí)也具有實(shí)際使用壽命短、路表開裂嚴(yán)重等問題［3］。

常用的半剛性基層材料包括水泥穩(wěn)定粒料類、石灰穩(wěn)定粒料類和石灰、粉煤灰穩(wěn)定粒料類等。由于其材料本身的特性，對(duì)于溫度及濕度均非常敏感，因而在運(yùn)營(yíng)期間基層會(huì)產(chǎn)生無(wú)法避免的干縮和溫縮裂縫，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中并由下向上發(fā)展使瀝青面層開裂［4－5］。在行車荷載作用下，加之雨水充沛和日溫差顯著等不利氣候因素，西南高原地區(qū)瀝青路面的反射裂縫擴(kuò)展尤為迅速，如何控制反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展仍是道路工程界所面臨的一大難題。

工程實(shí)踐表明，僅僅依靠增加瀝青面層厚度來減小荷載應(yīng)力集中程度和層間剪應(yīng)力的方法將大幅度增加路面成本造價(jià)，并有可能加重車轍等其他病害［6］。為防止和延緩反射裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展，針對(duì)西南地區(qū)的氣候特點(diǎn)，可以在面層和基層之間設(shè)置瀝青混凝土防水抗裂功能層，增加油石比，嚴(yán)格控制瀝青混合料的空隙率，使其具有防水防滲和吸收應(yīng)力的雙重作用。目前這一結(jié)構(gòu)層的概念還比較寬泛，常采用的材料包括 AC－10，SAMI，SMA－5，Strata以及大粒徑瀝青碎石（ATPB）等，雖然設(shè)計(jì)理念不同，但最核心的共同問題依然集中在如何確定礦料級(jí)配和油石比上。

1 體積設(shè)計(jì)法（CAVF）級(jí)配設(shè)計(jì)

體積設(shè)計(jì)法的程序是實(shí)際測(cè)量主骨架礦料間的空隙率，計(jì)算空隙的體積，然后列出方程，根據(jù)混合料設(shè)計(jì)空隙體積、瀝青體積和細(xì)集料體積的總和等于主骨架礦料間的空隙體積，可以計(jì)算出集料各組分用量與瀝青油石比。為了避免各檔不同集料之間的干涉，細(xì)集料顆粒不允許太大，這種級(jí)配和相似粒徑的連續(xù)密級(jí)配類型混合料相比，細(xì)集料用量會(huì)少一些［7－8］。使用此方法優(yōu)化設(shè)計(jì)的瀝青混合料級(jí)配，既能夠使骨料嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)，提高了穩(wěn)定性和強(qiáng)度，又在礦料間隙中充分填入了瀝青膠結(jié)料，從而使得瀝青混合料性能得到整體提高。

1.1 原材料的選擇

選擇SBS改性瀝青作為膠結(jié)料，瀝青性能如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能

選擇石灰?guī)r作為集料，篩分結(jié)果如表2所示。采用FAC－10富瀝青混合料級(jí)配。

表2 集料的篩分結(jié)果

1.2 材料體積參數(shù)測(cè)定

使用馬歇爾試件的模具作為緊裝密度測(cè)試桶，將馬歇爾模具和套筒安裝在一起，使用馬歇爾擊實(shí)儀正反面各擊實(shí)100次，得到粗集料的緊裝密度式中：m為2集料和模具、套筒的總質(zhì)量；m1為模具、套筒的質(zhì)量；V為模具的容量。經(jīng)測(cè)定

通過密度試驗(yàn)得到，粗集料的表觀密度為2.64g／cm3，毛體積密度為2.60g／cm3，細(xì)集料的表觀密度為2.63g／cm3，礦粉的表觀密度為2.69g／cm3。

主骨架空隙率（%）為

式中，ρτc為粗集料的表觀密度。根據(jù)公式（1）計(jì)算可得，VCA＝36.7%。

考慮到防水抗裂功能層承擔(dān)著抗疲勞破壞、抗反射裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展、以及防水防滲等多重作用，又必須保持基本的路面強(qiáng)度，目標(biāo)空隙率定為2.0%。

1.3 各組分集料及級(jí)配確定

表3 體積設(shè)計(jì)法合成級(jí)配FAC－10

2 油石比下限確定方法

隨著油石比的不斷提高，瀝青混合料會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最為密實(shí)的狀態(tài)，這時(shí)候?yàn)r青混合料不但有足夠數(shù)量的粗集料形成骨架，還具有合理比例的細(xì)集料在骨架的空隙間填充，整個(gè)瀝青混合料密實(shí)度非常大，而且其力學(xué)性能及路用性能也表現(xiàn)較好。如果進(jìn)一步提高油石比，混合料中自由瀝青愈來愈多，粗骨料逐漸被瀝青撐開，礦料間隙率逐漸增大，從而緊密狀態(tài)也就被破壞了。最為緊密狀態(tài)下的骨架結(jié)構(gòu)，有利于分析混合料內(nèi)部空隙率大小及內(nèi)部顆粒狀態(tài)。將瀝青混合料最緊密狀態(tài)時(shí)油石比設(shè)為防水抗裂功能層的油石比下限值，使得混合料空隙率很小，對(duì)防水防滲和緩解應(yīng)力集中都起到良好的防治效果。

通過馬歇爾試驗(yàn)，測(cè)得試件的礦料間隙率（VMA）或粗集料礦料間隙率（VCAMIX）或混合料的毛體積密度密度Gm等指標(biāo)，評(píng)價(jià)在不同油石比狀態(tài)下混合料緊密狀態(tài)的變化規(guī)律，確定瀝青混合料的最緊密狀態(tài)，并得到最佳油石比下限值ωmin。試驗(yàn)結(jié)果如表4和圖1所示。

表4 馬歇爾試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

式中，ω0為瀝青混合料油石比；Gb·ca為粗集料的毛體積密度；Pca為集料中粗集料的質(zhì)量百分比；m干，m表干，m水中為混合料馬歇爾試件的干重、表干重和水中重；ma，mf，mw為粗集料的干重、表干重和水中重；m粗，m細(xì)，m礦粉為粗集料、細(xì)集料和礦粉的質(zhì)量；ω1，ω2，ω3為毛體積密度最大值、混合料礦料間隙率和粗集料礦料間隙率的最小值。

由此可得，最佳油石比的下限ωmin＝（ω1＋ω2＋ω3）／3＝5.4%。

3 油石比上限確定方法

為了確定瀝青混合料有無(wú)多余的瀝青或?yàn)r青瑪蹄脂，德國(guó)設(shè)計(jì)了謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)，主要用于檢驗(yàn)瀝青瑪蹄脂碎石混合料配合比。由于防水抗裂功能層采用了和SMA瀝青混合料相似的富瀝青間斷級(jí)配結(jié)構(gòu)，因而同樣可以使用此方法來避免瀝青混合料因?yàn)r青含量過多而導(dǎo)致的運(yùn)輸及施工困難。針對(duì)不同的油石比制作多組試件，進(jìn)行析漏試驗(yàn)，可繪制出瀝青析漏情況與油石比的變化關(guān)系曲線，曲線拐點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的油石比可以作為瀝青混合料最佳油石比上限值ωmax。

采用JTGE 20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的試驗(yàn)方法，對(duì)不同油石比狀態(tài)下瀝青的析漏率進(jìn)行檢測(cè)。析漏試驗(yàn)結(jié)果及其變化規(guī)律見表5和圖2。

表5 瀝青混合料析漏試驗(yàn)結(jié)果 %

擬合析漏率隨油石比的變化趨勢(shì)，在擬合曲線的兩端作切線，兩條切線的交點(diǎn)即為曲線拐點(diǎn)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的油石比即可作為拐點(diǎn)油石比，也就是防水抗裂功能層瀝青混合料最佳油石比設(shè)計(jì)的上限。由圖2可知，析漏試驗(yàn)確定的析漏拐點(diǎn)油石比為6.7%。

4 高溫車轍試驗(yàn)及小梁彎拉試驗(yàn)

高溫車轍試驗(yàn)采用300mm×300mm的車轍試模，輪壓為0.7MPa的車轍試驗(yàn)機(jī)，主要是防止防水抗裂功能層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性過差，以致路面整體強(qiáng)度不能承受行車荷載，從而導(dǎo)致較嚴(yán)重的永久變形破壞。尤其對(duì)于西南地區(qū)高速公路超載較為嚴(yán)重的情況，更應(yīng)該謹(jǐn)慎評(píng)估道路面層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。另一方面，由于防水抗裂功能層的層頂接觸應(yīng)力相較路表材料要小得多，而功能層較薄的結(jié)構(gòu)厚度也決定了其相對(duì)變形比起其他面層瀝青混合料對(duì)路面的整體變形影響要小得多，因而動(dòng)穩(wěn)定度的技術(shù)要求也會(huì)相應(yīng)地降低一些。

試驗(yàn)溫度一般為60℃，加載輪運(yùn)行速度為42次／min。車轍試驗(yàn)主要以以動(dòng)穩(wěn)定度為技術(shù)指標(biāo)。為充分起到防水抗裂功能層的作用，應(yīng)適當(dāng)提高瀝青含量，但不應(yīng)超出高溫穩(wěn)定性的基本技術(shù)要求。針對(duì)防水抗裂功能層，針對(duì)不同油石比狀態(tài)下高溫穩(wěn)定性變化趨勢(shì)來確定瀝青混合料油石比的適用范圍。隨著油石比增加以及抗車轍性能的衰減，試件終會(huì)達(dá)到難以滿足性能要求的狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，防水抗裂功能層瀝青混合料至少要滿足2 000次／mm以上的動(dòng)穩(wěn)定度，整體路面的抗車轍表現(xiàn)才能控制得比較好。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合曲線插值，F(xiàn)AC－10的油石比最好控制在6.55%之內(nèi)。

瀝青混合料在小梁彎拉試驗(yàn)中的性能表現(xiàn)，很大程度上決定了其抗裂性能和預(yù)防反射裂縫產(chǎn)生的效果。采用JTG E20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的試驗(yàn)方法成型標(biāo)準(zhǔn)小梁試件，對(duì)不同油石比狀態(tài)下的瀝青混合料進(jìn)行變形抗拉試驗(yàn)。根據(jù)貴州等西南地區(qū)的氣候特點(diǎn)，即使冬天氣溫也較少降到0℃以下，因而選擇0℃作為試驗(yàn)溫度，以便評(píng)價(jià)防水抗裂功能層材料在較低溫環(huán)境下的抗拉伸性能。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 小梁彎拉試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)西南地區(qū)工程設(shè)計(jì)材料參數(shù)特征和結(jié)構(gòu)類型，使用BISAR 3.0軟件，確定該防水抗裂功能層瀝青混合料的彎拉應(yīng)變以10 000為設(shè)計(jì)要求。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合曲線插值，滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)瀝青混合料對(duì)應(yīng)的油石比為6.24%，因而FAC－10的油石比應(yīng)控制在6.24%以上較好。

5 防水抗裂功能層油石比的確定

由上述設(shè)計(jì)方法可得出根據(jù)體積法設(shè)計(jì)的骨架嵌擠級(jí)配FAC－10，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)而得到最密實(shí)狀態(tài)時(shí)的油石比下限5.4%，依據(jù)析漏試驗(yàn)結(jié)果得到油石比的上限6.7%，根據(jù)高溫車轍穩(wěn)定性試驗(yàn)得到最大油石比為6.55%，根據(jù)小梁彎拉試驗(yàn)得到最小油石比為6.24%。共同范圍如圖3所示。

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

6 結(jié)論

采用CAVF方法設(shè)計(jì)的集料級(jí)配可以更加合理有效的形成嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，有利于提高瀝青混合料的整體性能，提升礦料間瀝青的利用率，并且可以設(shè)定目標(biāo)空隙率來進(jìn)行各組礦料的分配，在一定程度上擺脫了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的限制。

通過試驗(yàn)研究表明，瀝青混合料的毛體積密度、礦料間隙率、粗集料礦料間隙率都與油石比具有良好的相關(guān)性。當(dāng)混合料的毛體積密度達(dá)到最大值、礦料間隙率和粗集料礦料間隙率達(dá)到最小值時(shí)，集料處于最為緊密嵌擠狀態(tài)，此時(shí)防水抗裂功能層的油石比可以作為瀝青混合料油石比下限。

為了使防水抗裂功能層更好地起到防水防滲、預(yù)防反射裂縫的作用，需要適當(dāng)提高油石比以降低混合料模量，提升抗裂、抗疲勞性能。但如果瀝青含量過高，會(huì)給運(yùn)輸、攤鋪、碾壓以及工程造價(jià)控制帶來較大困難，并且無(wú)法保證路面整體足夠的強(qiáng)度。采用析漏試驗(yàn)確定的曲線拐點(diǎn)作為油石比上限值，能夠在保證施工和易性的前提下最大限度發(fā)揮防水抗裂功能層的作用。

使用此方法設(shè)計(jì)的防水抗裂功能層瀝青混合料兼具較好的高溫穩(wěn)定性能及低溫抗彎拉性能，確保了混合料的路用性能和施工條件可以達(dá)到技術(shù)要求，對(duì)防治反射裂縫和防止水損害起到良好的效果。為防治潮濕多雨、日溫差顯著地區(qū)高等級(jí)公路瀝青路面的反射裂縫病害提供了新的途徑，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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