黃衛(wèi)東，田健君，李本亮，李彥偉

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.華東電力設(shè)計(jì)院 土建處，上海 200063；3.石家莊交通運(yùn)輸局，河北 石家莊 050051）

橡膠瀝青混合料因具有良好的高溫穩(wěn)定性、抗疲勞性及環(huán)保優(yōu)勢(shì)，已逐步在國內(nèi)道路工程中得到應(yīng)用［1－3］，相比多數(shù)瀝青混合料，其適合用于延緩由半剛性基層開裂所帶來的反射裂縫［4］，如將橡膠瀝青混合料作為面層或?qū)⑾鹉z瀝青碎石封層作為橡膠瀝青應(yīng)力吸收層.源自美國亞利桑那州的ARAC 級(jí)配［5］和加利福尼亞州的RAC－G 級(jí)配［6］是目前最常見的用于橡膠瀝青面層或應(yīng)力吸收層的級(jí)配，這2類級(jí)配均屬于間斷級(jí)配，在級(jí)配設(shè)計(jì)上重點(diǎn)考慮了高溫穩(wěn)定性、防滑與防止泛油，這種級(jí)配的瀝青混合料適用于上面層，若用于應(yīng)力吸收層，橡膠瀝青優(yōu)異的疲勞性能并未充分發(fā)揮出來，基于目前的研究和應(yīng)用程度，應(yīng)力吸收層的疲勞性能有進(jìn)一步提高的空間.

用于應(yīng)力吸收層的瀝青混合料一般采用較高的瀝青用量和較小的空隙率，如殼牌公司的Strata瀝青混合料［7］，它具有優(yōu)異的疲勞性能和防治反射裂縫能力，但需采用高摻量的SBS和添加有特殊改性劑的改性瀝青，受專利保護(hù)，成本較高.現(xiàn)有的橡膠瀝青碎石封層類型的應(yīng)力吸收層，施工工藝采取先灑布橡膠瀝青再撒鋪碎石，需要專門的橡膠瀝青灑布設(shè)備，且一般厚度約為1cm，提供的應(yīng)力吸收能力有限.

結(jié)合Strata瀝青混合料的設(shè)計(jì)思想，本研究旨在設(shè)計(jì)出適合作為應(yīng)力吸收層的橡膠瀝青混合料，便于施工，且應(yīng)具備以下特征：成型后的混合料柔軟，級(jí)配細(xì)，瀝青用量高，空隙率小等.本文基于混合料的疲勞性能首先對(duì)連續(xù)型密級(jí)配料展開了研究，繼而對(duì)基于疲勞性能的橡膠瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后輔以混合料高溫性能檢測(cè)評(píng)價(jià)，以期為應(yīng)力吸收層的設(shè)計(jì)提供參考與依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

橡膠瀝青配制中使用ESSO70＃瀝青作為基質(zhì)瀝青，膠粉選用山東鄒平生產(chǎn)的380μm（40 目）貨車子午輪胎膠粉，參考美國亞利桑那州橡膠瀝青標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橡膠粉的目數(shù)加以控制［8］，膠粉摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）選用內(nèi)摻19%，采用室內(nèi)小型攪拌機(jī)對(duì)流式攪拌，反應(yīng)溫度控制在185℃，反應(yīng)時(shí)間為90min.試驗(yàn)中所用橡膠瀝青均為現(xiàn)拌現(xiàn)用，以保證橡膠瀝青的穩(wěn)定性.橡膠瀝青的基本性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見表1.

表1 橡膠瀝青的基本性能指標(biāo)Table 1 Test results of base performance index for asphalt rubber

試驗(yàn)采用的石料分為2種：4.75mm 及以上的粗集料為江蘇沭陽玄武巖，4.75mm 以下的細(xì)集料為浙江湖州石灰?guī)r；填料采用礦粉和普通硅酸鹽水泥.依照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行檢測(cè)，集料和填料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合JTJ F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》.集料及填料的基本性能指標(biāo)見表2.

表2 集料及填料的物理性能指標(biāo)Table 2 Physical properties of aggregate and filler

1.2 試驗(yàn)方法與方案

本研究采用馬歇爾成型方法成型試件，分析各檔石料對(duì)混合料空隙率的影響，以確定適合作為應(yīng)力吸收層的橡膠瀝青混合料的連續(xù)級(jí)配.

采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)作為瀝青混合料疲勞性能研究的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，同時(shí)制訂了四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，即SHRP M－009和AASHTO TP－8標(biāo)準(zhǔn).采用四點(diǎn)加載小梁彎曲疲勞試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的疲勞性能.試驗(yàn)中每個(gè)應(yīng)變級(jí)位下進(jìn)行不少于3次的平行試驗(yàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)的離散程度對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行棄差處理.將混合料勁度模量下降至初始模量的50%作為瀝青混合料疲勞壽命的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［9］.試驗(yàn)溫度15 ℃，加載波形為偏正弦波，試驗(yàn)頻率為10Hz；應(yīng)變水平為1 100×10－6～1 500×10－6.

混合料的高溫性能采用車轍試驗(yàn)來評(píng)定，在試件成型時(shí)先將新拌橡膠瀝青混合料均勻攤鋪在搪瓷盤中，然后放入（165±5）℃的烘箱內(nèi)，短期老化（120±5）min后再成型車轍板.

2 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層級(jí)配的選擇

疲勞性能是決定應(yīng)力吸收層能否有效防治反射裂縫的關(guān)鍵，而空隙率對(duì)混合料疲勞壽命有顯著影響.文獻(xiàn)［10］認(rèn)為空隙率與疲勞壽命的自然對(duì)數(shù)呈負(fù)相關(guān)，即空隙率增加會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命迅速減小.文獻(xiàn)［11］提出應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)需滿足的首要條件是空隙率（體積分?jǐn)?shù)）低（0.5%～2.5%），其次是礦料填充率（體積分?jǐn)?shù)）高（≥16%）和瀝青用量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不小于7%；研究表明，每增加1%的空隙率，混合料的疲勞壽命會(huì)降低40%［12］.鑒于此，本研究從空隙率入手進(jìn)行橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的級(jí)配選擇.

2.1 級(jí)配對(duì)空隙率的影響

選擇3組連續(xù)型級(jí)配混合料作為應(yīng)力吸收層混合料（見表3）.瀝青用量與空隙率的關(guān)系見圖1.

表3 篩選級(jí)配Table 3 Gradation（by mass）of sieves %

圖1 瀝青用量與空隙率的關(guān)系Fig.1 Relationship between asphalt content and air void

由圖1可見，瀝青用量的增加能夠顯著降低混合料的空隙率.對(duì)于不同級(jí)配混合料，瀝青用量對(duì)其空隙率的影響規(guī)律相同.雖然選用了9.5mm 類型的細(xì)級(jí)配，但在應(yīng)力吸收層的級(jí)配中，細(xì)料比例也不可過高，因?yàn)閼?yīng)力吸收層較薄，要保持一定的粗集料比例以形成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止車轍；由圖1 還可以看出，級(jí)配3在同等瀝青用量下的空隙率最小，因此本研究將基于級(jí)配3 進(jìn)行調(diào)整，瀝青用量確定為9%.

2.2 4.75mm 檔集料對(duì)空隙率的影響

用間斷級(jí)配制作橡膠瀝青混合料時(shí)，通常會(huì)使混合料的粗集料形成空隙，依靠石料間的嵌擠力形成抵抗永久變形的強(qiáng)度和剛度.但是，應(yīng)力吸收層要求比較柔韌，更適合選用懸浮結(jié)構(gòu)，所以粗集料的用量需加以控制.依據(jù)貝雷法級(jí)配理論，在普通AC－10的級(jí)配中，4.75 mm 是級(jí)配粗細(xì)的關(guān)鍵篩孔，在本設(shè)計(jì)中也不例外.根據(jù)既定試驗(yàn)安排，先使2.36mm檔固定在10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），調(diào)整4.75mm 集料的比例，分析粗集料用量對(duì)空隙率的影響.調(diào)整級(jí)配如表4.取瀝青用量為9%，成型馬歇爾試件，測(cè)定空隙率，結(jié)果如圖2所示.

表4 調(diào)整的試驗(yàn)級(jí)配Table 4 Adjustment of test gradation

由圖2可以看出，在保持2.36，1.18mm 的比例和1.18mm 通過率大致相等的條件下，空隙率隨著4.75mm 的通過率呈先減后增的變化趨勢(shì).在通過率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為55%時(shí)，空隙率最?。?%），故在4.75mm 檔通過率為55%時(shí)獲得的懸浮結(jié)構(gòu)最為密實(shí).

圖2 4.75mm 檔集料對(duì)空隙率的影響Fig.2 Effect of 4.75mm aggregate on porosity

2.3 1.18mm 檔集料通過率對(duì)空隙率的影響

根據(jù)級(jí)配理論可知，當(dāng)4.75 mm 為關(guān)鍵篩孔時(shí)，其1／4大小的篩孔即為第二級(jí)關(guān)鍵篩孔，在本次研究中即為1.18 mm.1.18 mm 的通過率是確定0.075～1.18 mm 細(xì)集料用量的關(guān)鍵，即混合料形成懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵.同理，先固定4.75mm 通過率為55%，2.36mm 單檔集料的用量為10%，通過調(diào)整1.18 mm 的通過率來研究空隙率的變化.1.18mm檔集料不同通過率的級(jí)配見表5，空隙率測(cè)試結(jié)果見圖3.

表5 1.18mm 檔集料不同通過率的級(jí)配Table 5 Gradation with different passing rate for 1.18mm

圖3 1.18mm 檔集料對(duì)空隙率的影響Fig.3 Effect of 1.18mm aggregate on air void

由圖3可見，1.18mm 的通過率對(duì)混合料空隙率的影響較大，在通過率為25%～30%時(shí)，空隙率最小.綜上可見，選用4.75 mm 的通過率為55%，2.36mm 的通過率為10%石料，其1.18 mm 的通過率為25%～30%可基本滿足空隙率最小的要求.

適合用于應(yīng)力吸收層的橡膠瀝青混合料的級(jí)配見表6.

表6 橡膠瀝青混合料級(jí)配Table 6 Gradation of AR mixture

3 基于疲勞性能的混合料設(shè)計(jì)研究

橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層的設(shè)計(jì)不同于基于馬歇爾設(shè)計(jì)方法的其他混合料，即優(yōu)先考慮疲勞性能.本研究采用孤立變量法，即通過固定其他因素，變換單個(gè)因素進(jìn)行試驗(yàn)，分析單個(gè)因素對(duì)橡膠瀝青混合料疲勞壽命的影響.

3.1 瀝青針入度的影響

將3種不同針入度的橡膠瀝青按前文所確定的級(jí)配成型混合料，在不同的應(yīng)變水平下進(jìn)行小梁疲勞試驗(yàn).試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示.

由表7可見，隨著針入度的變化，瀝青混合料的疲勞壽命變化顯著：（1）針入度從35（0.1mm）變化到83（0.1mm）時(shí)，各應(yīng)變水平下對(duì)應(yīng)的混合料疲勞壽命變化均超過10倍，但針入度從83（0.1mm）增大到98（0.1mm）時(shí)，疲勞壽命反而小幅下降，可見瀝青過軟會(huì)對(duì)其疲勞壽命能造成不利影響；（2）應(yīng)力吸收層使用富油層時(shí)不僅能提高其疲勞壽命，也能使其對(duì)應(yīng)變水平有更好的適應(yīng)能力.

表7 不同針入度的橡膠瀝青對(duì)其混合料疲勞壽命的影響Table 7 Effect of AR of different penetration on fatigue life

基于針入度的變化對(duì)混合料的疲勞壽命影響，推薦選取針入度約為80（0.1mm）的橡膠瀝青作為連續(xù)密級(jí)配橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的膠結(jié)料.

3.2 瀝青用量的影響

對(duì)于瀝青混合料，瀝青用量的變化影響著混合料的勁度模量、空隙率和瀝青膜厚度，繼而影響混合料的疲勞壽命.本研究取7%，8%，9%，10%這4種瀝青用量，在應(yīng)變水平1 100×10－6下進(jìn)行小梁疲勞試驗(yàn)，結(jié)果如表8所示.

表8 疲勞壽命隨瀝青用量的變化Table 8 Change of fatigue life with asphalt content

由表8可以看出：（1）混合料疲勞壽命隨著瀝青用量的增加而增加；（2）將橡膠瀝青混合料用作為應(yīng)力吸收層時(shí)，為了獲得較好的疲勞性能，可以提高瀝青用量，但其用量超過10%時(shí)，高溫性能會(huì)較差，因此推薦瀝青用量為9%～10%，以充分發(fā)揮橡膠瀝青混合料優(yōu)良的抗疲勞性能.

3.3 空隙率的影響

對(duì)于確定的級(jí)配，混合料空隙率主要受瀝青用量變化的影響.在瀝青混合料正常級(jí)配范圍內(nèi)，瀝青用量與混合料空隙率對(duì)疲勞壽命的影響具有明顯的交互作用（見表8）.

由表8可見：隨著空隙率從0.7% 增加到3.7%，瀝青混合料的疲勞壽命呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，即空隙率與疲勞壽命負(fù)相關(guān).研究表明，在不出現(xiàn)石料強(qiáng)度不足和泛油隱患等情況下，空隙率越小越好.

3.4 填料的影響

本研究通過小梁疲勞試驗(yàn)來判定填料對(duì)橡膠瀝青混合料疲勞壽命的影響.加填料的混合料級(jí)配見表9.1.18mm 以上集料用量相同，0.6mm 以下集料用量略微不同，瀝青用量為9%，成型小梁，試驗(yàn)結(jié)果見圖4.

由圖4可以看出，添加礦粉會(huì)影響橡膠瀝青混合料的疲勞壽命，在應(yīng)變水平小于1 500×10－6時(shí)，礦粉表現(xiàn)出負(fù)面影響，只有在1 500×10－6的大應(yīng)變時(shí)，礦粉才會(huì)對(duì)混合料疲勞壽命產(chǎn)生正面影響.由于在實(shí)際路用情況下，應(yīng)力吸收層的應(yīng)變量不會(huì)超過1 500×10－6，因此將連續(xù)型級(jí)配用作橡膠瀝青應(yīng)力吸收層時(shí)，可不添加礦粉.

表9 添加礦粉混合料的級(jí)配Table 9 Gradation of asphalt mixture with 5%（by mass）mineral powder

圖4 礦粉對(duì)疲勞壽命的影響Fig.4 Effect of mineral powder on fatigue life

4 路用性能的對(duì)比

用于橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層路用性能試驗(yàn)的3種混合料級(jí)配見表10.ACAR－13 級(jí)配橡膠瀝青混合料，其瀝青用量為9%，Strata瀝青混合料采用專用瀝青，其用量為9%，而SBS－AC13混合料中瀝青用量為5%.

瀝青混合料疲勞試驗(yàn)的應(yīng)變水平為1 500×10－6，試驗(yàn)結(jié)果見表11.

表10 用于路用性能試驗(yàn)的3種混合料級(jí)配Table 10 Gradation of three kinds of mixture for pavement performance tests

表11 瀝青混合料的疲勞壽命和動(dòng)穩(wěn)定度比較Table 11 Comparison of fatigue life and dynamic stability of different asphalt mixtures

由表11 可見，使用高摻量SBS 改性瀝青的Strata混合料疲勞壽命超過100萬次，優(yōu)于連續(xù)型密級(jí)配橡膠瀝青應(yīng)力吸收層（562 100 次），但與摻6%SBS改性瀝青的SBS－AC13混合料和高瀝青用量的ARAC－13混合料的疲勞壽命相比，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的疲勞壽命已具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，足以作為應(yīng)力吸收層使用.在高溫性能方面，本文設(shè)計(jì)的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層可滿足JTJ F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)炎熱地區(qū)普通瀝青混凝土不得低于800 次／mm 的要求.就成本而言，膠粉的加入可以代替部分瀝青，因此相對(duì)于使用SBS改性瀝青的Strata混合料，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的生產(chǎn)具有成本優(yōu)勢(shì).

綜上所述，使用連續(xù)型密級(jí)配橡膠瀝青混合料作為應(yīng)力吸收層不失為一種經(jīng)濟(jì)有效的選擇方案.

5 結(jié)語

（1）用橡膠瀝青混合料作為應(yīng)力吸收層，推薦采用類似AC－10連續(xù)級(jí)配，當(dāng)4.75mm 檔集料通過率約55%，4.75～2.36mm 檔集料的用量不大于10%和1.18mm 檔集料通過率為25%～30%時(shí)，混合料可獲得到最佳空隙率.

（2）在將連續(xù)級(jí)配的橡膠瀝青混合料用作應(yīng)力吸收層時(shí)，瀝青針入度會(huì)顯著影響其疲勞壽命，增加瀝青用量和降低空隙率是提高疲勞壽命的最有效手段.在本研究范圍內(nèi)，推薦選取針入度約為80（0.1mm）的橡膠瀝青，其用量為9%～10%，且混合料設(shè)計(jì)中不添加礦粉.

（3）與ARAC－13，Strata和AC 類混合料相比，本文設(shè)計(jì)的連續(xù)型密級(jí)配橡膠瀝青混合料具有優(yōu)異的疲勞性能，較好的高溫性能，且經(jīng)濟(jì)成本較低，適合作應(yīng)力吸收層.

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