(湖南中大建設工程檢測技術有限公司， 湖南 長沙 410215)

應力吸收層瀝青混合料體積參數(shù)及抗壓回彈模量研究

劉斌

(湖南中大建設工程檢測技術有限公司， 湖南 長沙 410215)

在瀝青層與下層間設置應力吸收層，優(yōu)化層間接觸條件，有效吸收裂縫處的應力集中現(xiàn)象，是緩解瀝青加鋪層反射裂縫的關鍵措施。選取6條礦料合成級配，3個油石比，對比研究不同級配及油石比條件下應力吸收層混合料的體積參數(shù)及抗壓回彈模量，探究抗壓回彈模量及體積參數(shù)與礦料級配之間的關系。研究結果表明：隨著1.18 mm篩孔通過率的增大，1.18 mm篩孔通過率對空隙率的影響敏感性降低；隨著油石比的增大，應力吸收層混合料空隙率降低；8.0%、9.0%和10.0%油石比時，1.18 mm通過率分別為50.5%、45.9%和45.9%時抗壓回彈模量達到極大值；隨著空隙率的增大(油石比降低)，應力吸收層混合料抗壓回彈模量逐漸增大。

應力吸收層； 瀝青混合料； 體積參數(shù)； 抗壓回彈模量； 旋轉壓實

0 引言

路面裂縫及路面混合料中的不連續(xù)、不傳力或不完全傳力現(xiàn)象。由于瀝青路面行車舒適性好、維修快捷，我國90%以上等級公路均為瀝青路面。我國瀝青路面以半剛性基層作為主要基層結構類型，甚至是唯一的基層結構類型。半剛性基層材料強度高、剛度大，但在濕度及溫度驟降過程易形成干縮和溫縮裂縫。舊水泥混凝土路面的提質改造工程(白加黑工程)，舊水泥板難免出現(xiàn)裂縫(結構布設縱橫縫、疲勞裂縫等)[1]。若瀝青層與路面基層或舊水泥混凝土路面層間處置不當，殘留裂縫產(chǎn)生應力集中，進而在車載和雨水的作用下，裂縫向上貫穿至瀝青面層，而形成反射裂縫。采用模量較低的富瀝青材料作為瀝青層與下承層之間的過渡層[2]，基于其良好的流塑性起到消散裂縫處的應力集中作用，并能夠緩解車輛荷載的沖擊荷載；加之其空隙率較低(1.0%～2.5%)，具有良好的雨水阻隔性能[3]，有效防止路表水下滲，阻止水分對基層混合料的沖刷破壞。故在瀝青層與下層間設置應力吸收層，優(yōu)化層間接觸狀態(tài)，有效吸收裂縫處的應力集中現(xiàn)象，是緩解反射裂縫形成的關鍵措施。

應力吸收層混合料同傳統(tǒng)瀝青混合料不同，模量太大起不到緩解應力集中的效果，模量太小則容易產(chǎn)生層間滑移及永久變形，故需要有適中的抗壓回彈模量；應力吸收層混合料瀝青含量高、空隙率小，油石比一般在8.0%以上、空隙率一般不超過2.5%，在此體積參數(shù)下，有效瀝青飽和度必然較高，大于常態(tài)瀝青混合料VFA范圍65%～75%。美國科氏材料公司研發(fā)了應力吸收層材料，并給出了其體積參數(shù)的推薦范圍[4]，研究表明其推薦的VFA較小，需要改善[5]。我國也尚缺乏應力吸收層混合料配合比設計的行業(yè)標準。選取了美國科氏材料公司推薦的應力吸收層材料級配范圍內的6條礦料合成級配，3個油石比，對比研究不同級配及油石比條件下混合料的體積參數(shù)及抗壓回彈模量，探究抗壓回彈模量及體積參數(shù)同礦料級配之間的關系，意義較大。

1 原材料

采用SBS聚合物改性瀝青結合料，瀝青技術指標檢測結果見表1。集料采用玄武巖集料，最大工程粒徑NMAS=4.75 mm，礦料的技術指標滿足我國現(xiàn)行瀝青路面施工技術規(guī)范要求，不一一列舉。礦粉為石灰?guī)r磨細的礦粉，無團粒結塊現(xiàn)象。

表1 瀝青指數(shù)指標檢測結果原樣瀝青RTFOT后針入度(25℃，5s，100g)/(0．1mm)軟化點(環(huán)與球)/℃5℃延度/cm密度(15℃)/(g·cm-3)閃點/℃彈性恢復/%PG等級針入度(25℃，5s，100g)/(01mm)5℃延度/cm質量變化/%PG等級809798615101025897PG82-22684420009PG82-16

2 應力吸收層材料的設計指標

文獻[3]在160 ℃，通過測定5個油石比水平、 0～70次旋轉壓實次數(shù)下應力吸收層混合料的體積參數(shù)，研究表明在旋轉壓實次數(shù)為40次時，混合料密度與旋壓次數(shù)現(xiàn)行關系良好，相關系數(shù)R2達0.9819，且表明油石比及旋壓次數(shù)為影響混合料體積參數(shù)的關鍵因素。美國科氏公司提出的應力吸收層混合料的礦料級配范圍和體積參數(shù)見表2、表3。表3知在設計旋轉壓實次數(shù)下，空隙率推薦范圍為1.5%～2.5%，建議不宜過大。文獻[6]針對設計空隙率為1.3%的應力吸收層混合料進行了滲水試驗，檢測結果表明僅有5%的測點滲水系數(shù)在10 mL/min以內，而95%的測點為基本不滲，滲水系數(shù)為0，表明應力吸收層材料抗?jié)B性能很好。文獻[7]采用3種應力吸收層材料，設計空隙率為1.0%～2.0%，檢測混合料的水穩(wěn)定性，檢測結果表明3種混合料的水穩(wěn)定性均良好(浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度均不小于90%，凍融劈裂強度比均大于85%)。

文獻[3]采用有限元方法，擬定應力吸收層混合料抗壓回彈模量取值為200～1000 MPa，分析了混合料模量變化與瀝青面層混合料接縫處的荷載應力及溫度應力的關系。研究結果表明應力吸收層混合料抗壓回彈模量取值范圍應在400～600 MPa范圍。綜上所述，應力吸收層混合料壓實次數(shù)為40次時，混合料密度與旋壓次數(shù)現(xiàn)行關系良好；空隙率在1.0%～2.0%范圍時，能夠滿足水穩(wěn)定性及抗?jié)B性能的要求；抗壓回彈模量在400～600 MPa范圍時，能夠起到緩解裂縫處應力集中及不出現(xiàn)過大塑性變形的功能。

表2 推薦應力吸收層瀝青混合料礦料合成級配范圍各篩孔(mm)的通過百分率/%954752361180603015007510080～10060～8540～7025～5518～358～206～14

表3 推薦應力吸收層瀝青混合料體積指標控制標準VV/%VMA/%VFA/%Ndesign=25Nmax=50Ndesign=25Nmax=50Ndesign=25Nmax=5015～2505～2018～2418～2475～8575～85 注：Ndesign、Nmax分別為旋轉壓實次數(shù)的設計值與最大值。

3 體積參數(shù)及抗壓回彈模量檢測

3.1 試驗方案

根據(jù)美國科氏材料公司推薦應力吸收層瀝青混合料礦料合成級配范圍，由下至上選取走勢大致平行的6條級配曲線，見表4和圖1。其中3條位于推薦級配范圍中值(關鍵篩孔1.18 mm)上方，3條位于下方，級配A到級配F依次偏細；根據(jù)其推薦油石比范圍7.5%～10.0%，擬定8.0%、9.0%和10.0%這3個油石比水平。

分別采用旋轉壓實儀成型100 mm×100 mm的柱形試件，每個配合比成型3個試件，設計旋轉壓實次數(shù)為40次。混合料的最大理論密度采用計算法確定[6]，試件成型24 h后，檢測其毛體積相對密度，計算體積參數(shù)。采用MTS萬能材料試驗機，在20 ℃條件下測定各試件的抗壓回彈模量，平行試驗3次，以3次模量的平均值作為檢測結果。

表4 6種礦料合成級配級配各篩孔(mm)的通過百分率/%9547523611806030150075級配A10086066042829821211392級配B10090170245931923112898級配C100930746505352260142101級配中值100900725550400265140100級配D100950783552397287160113級配E100976810593431304172117級配F100987832647492328186129

圖1 6種礦料合成級配曲線

3.2 試驗結果及分析

不同配合比的應力吸收層混合料體積參數(shù)及抗壓回彈模量檢測結果見表5。

由于有效瀝青飽和度VFA=(VMA-AA)/VMA×100%，由表3知，試假設在推薦體積參數(shù)范圍中VV=2.0%、VMA=24.0%時，得VFA=91.7%，此時VV和VMA均滿足要求，而計算出來的VFA卻大于推薦的高限。由表5中VFA計算結果值，VFA均在85%以上，且80%檢測結果均處于90%以上，表明表3中推薦的VFA值偏小。

油石比是影響混合料空隙率的關鍵因素，繪制油石比與空隙率的曲線圖，見圖2。參照貝雷法第1關鍵篩孔(粗細集料分界篩孔)，粗細集料分界篩孔應為最大公稱粒徑的0.22倍附近[8]，故對于NMAS=4.75 mm的應力吸收層混合料，其第1關鍵篩孔應為1.18 mm，繪制1.18 mm通過率同空隙率的關系圖，見圖3。

表5 不同配合比的應力吸收層混合料體積參數(shù)及抗壓回彈模量檢測結果油石比/%混合料體積參數(shù)及模量最大理論相對密度毛體積相對密度VV/%VMA/%VFA/%抗壓回彈模量/MPa級配A2．4212．3632．420．388．2571級配B2．4242．3732．120．089．559280級配C2．4262．3821．819．890．8612級配D2．4292．3881．719．691．3588級配E2．4312．3921．619．491．7572級配F2．4342．3931．719．591．4548級配A2．3922．3392．221．489．7468級配B2．3952．3491．921．291．04929．0級配C2．3972．3581．620．692．1479級配D2．4002．3641．520．492．8462級配E2．4032．3711．320．393．5439級配F2．4052．3721．420．693．4374級配A2．3572．3201．622．592．9403級配B2．3592．3291．322．294．241510．0級配C2．3622．3371．121．995．1379級配D2．3652．3430．921．895．7346級配E2．3692．3510．821．696．5315級配F2．3722．3540．821．896．4284

圖2 油石比與混合料空隙率

由圖2可知，6種級配應力吸收層混合料的空隙率隨著油石比的增大均減小，油石比由8.0%增加至9.0%、10%，空隙率降低幅度分別為12.6%、35.2%，表明油石比對空隙率的影響較大。圖2中級配A、級配B和級配C空隙率走勢線之間間隔較大，級配B～級配F空隙率走勢線之間間隔逐漸變??；級配A到級配B，1.18 mm通過率每增加1%空隙率變化幅度為9.9%，級配D到級配E，1.18 mm通過率每增加1%空隙率變化幅度僅為3.3%，表明隨著1.18mm篩孔通過率的增大，1.18 mm篩孔通過率對空隙率的影響敏感性降低。

圖3 1.18 mm通過率與混合料空隙率

由圖3可知: 在不同油石比條件下，應力吸收層混合料空隙率隨1.18 mm篩孔通過率的增大(級配的偏細)而降低，即呈負相關關系；但在級配F時，空隙率出現(xiàn)了反向增大，關鍵篩孔1.18 mm的通過率達64.7%，此時細集料含量過多，細集料與細集料之間開始產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。油石比為8.0%、9.0%和10.0%時，應力吸收層混合料空隙率處于1.0%～2.0%的1.18 mm通過率范圍分別為47.6%～70.0%、44.9%～70%和40.0%～52.9%。油石比為8.0%的空隙率走勢線在圖中最上方，10.0%走勢線處于圖中最下方，表明隨著油石比的增大，混合料空隙率降低。

由圖4知，隨著1.18 mm通過率的增大抗壓回彈模量先增大再減小，8.0%、9.0%和10.0%油石比時，1.18 mm通過率分別為50.5%、45.9%和45.9%時抗壓回彈模量為極大值。原因是隨著1.18 mm通過率的增大，礦料級配逐漸偏細，趨于密實，抗壓回彈模量區(qū)域增大；而隨著油石比偏大，混合料趨于軟化，抗壓回彈模量區(qū)域降低；在極大值以前，礦料級配對混合料抗壓回彈的影響處于主導地位，抗壓回彈模量增大；在極值點以后，油石比對抗壓回彈模量的增加處于主導地位，抗壓回彈模量降低。

圖4 1.18 mm通過率與混合料抗壓回彈模量

由圖5知: 隨著空隙率的增大(油石比降低)，應力吸收層混合料抗壓回彈模量逐漸增大，與常規(guī)工程實例空隙率降低混合料區(qū)域密實抗壓回彈模量增大的趨勢相反。原因是由于應力吸收層混合料油石比較大，一般為7.5%～10.0%；此時空隙率在1.0%～2.0%范圍，油石比的增加(空隙率降低)在混合料間起到了潤滑劑的作用，使得混合料剛度降低，故抗壓回彈模量降低。

圖5 空隙率與混合料抗壓回彈模量

4 結論

1) 隨著1.18 mm篩孔通過率的增大，1.18 mm篩孔通過率對空隙率的影響敏感性降低。

2) 油石比為8.0%、9.0%和10.0%時，應力吸收層混合料空隙率處于1.0%～2.0%的1.18 mm通過率范圍分別為47.6%～70.0%、44.9%～70%和40.0%～52.9%。隨著油石比的增大，混合料空隙率降低。

3) 隨著1.18 mm通過率的增大抗壓回彈模量先增大再減小，8.0%、9.0%和10.0%油石比時，1.18 mm通過率分別為50.5%、45.9%和45.9%時抗壓回彈模量為極大值。

4) 隨著空隙率的增大(油石比降低)，應力吸收層混合料抗壓回彈模量逐漸增大。

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1008-844X(2017)03-0042-05

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2016-12-28

劉 斌(1989-)，男，碩士，主要從事公路橋梁工作。