陳杰，禤煒安，熊劍平，王彬

(1.廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.高等級(jí)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)、材料及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心)

1 前言

車(chē)轍是瀝青路面典型的病害類型，在結(jié)構(gòu)型、失穩(wěn)型、壓密型和磨耗型4類車(chē)轍病害中，最常見(jiàn)的是失穩(wěn)型車(chē)轍，即荷載作用產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過(guò)瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度時(shí)出現(xiàn)的剪切流動(dòng)變形。抗剪強(qiáng)度是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性最直接的評(píng)價(jià)指標(biāo)，可直接反映混合料結(jié)構(gòu)破壞時(shí)的力學(xué)特性。在對(duì)瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)通常采用穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性控制。穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度作為混合料高溫穩(wěn)定性間接評(píng)價(jià)指標(biāo)，能否真實(shí)反映其實(shí)際高溫性能越來(lái)越受到廣大學(xué)者的質(zhì)疑，已有研究指出馬歇爾穩(wěn)定度及流值與混合料高溫性能相關(guān)性很差，動(dòng)穩(wěn)定度僅考慮了壓實(shí)瀝青混合料后15 min的永久變形率，缺乏對(duì)全過(guò)程的累積變形量和最大永久變形量的考慮，在評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性時(shí)存在較大的局限性。單軸貫入試驗(yàn)方法能模擬路面的實(shí)際受力狀態(tài)，采用單軸貫入試驗(yàn)計(jì)算得到的抗剪強(qiáng)度可以較真實(shí)地反映實(shí)際路面的應(yīng)力情況。已有較多學(xué)者采用單軸貫入試驗(yàn)方法對(duì)瀝青混合料高溫性能進(jìn)行了較深入的研究。高振鑫等采用單軸貫入數(shù)值試驗(yàn)方法研究了礦料級(jí)配對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，并驗(yàn)證了該方法的合理性，基于抗剪強(qiáng)度最大原則提出了4.75、2.36、0.075 mm關(guān)鍵篩孔通過(guò)率控制范圍；湯文等對(duì)4種類型的瀝青混合料在不同溫度下分別采用APA車(chē)轍深度、單軸貫入強(qiáng)度及剪切模量對(duì)混合料高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)高溫下抗剪性能好的瀝青混合料低溫下抗剪性能并不一定好，提出瀝青混合料抗剪性能的評(píng)價(jià)應(yīng)結(jié)合環(huán)境溫度，并建立了3種指標(biāo)間的回歸關(guān)系式；朱昆等采用單軸貫入試驗(yàn)對(duì)大粒徑瀝青混合料進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了其合理性。

雖然對(duì)瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)方法方面已有較多研究，但以混合料的礦料骨架特征來(lái)反映其高溫性能方面的研究卻少有報(bào)道。且常規(guī)的高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)永久變形和動(dòng)穩(wěn)定度不能揭示混合料失穩(wěn)破壞的本質(zhì)，均是間接反映混合料的高溫性能，與混合料的抗剪強(qiáng)度是否具有相關(guān)性值得探討。為此，該文通過(guò)單軸貫入試驗(yàn)對(duì)礦料骨架結(jié)構(gòu)特征、車(chē)轍試驗(yàn)的永久變形及動(dòng)穩(wěn)定度與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系進(jìn)行研究，提出基于礦料骨架特征的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性設(shè)計(jì)思想并以抗剪強(qiáng)度進(jìn)行高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

2 試驗(yàn)

試驗(yàn)用瀝青膠結(jié)料為SBS改性瀝青(Ⅰ-D)，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粗集料采用粒徑4.75 mm以上的輝綠巖，細(xì)集料及礦粉為石灰?guī)r，3種礦料級(jí)配如表2所示。

表1 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 3種礦料級(jí)配組成

3種礦料級(jí)配均采用單粒徑配料，分別進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)、車(chē)轍試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及單軸壓縮試驗(yàn)。

無(wú)側(cè)限抗壓及單軸壓縮試驗(yàn)用的試件均采用靜壓方式成型直徑100 mm、高100 mm的圓柱體，在室溫條件下放置48 h后將試件放置在60 ℃環(huán)境箱中保溫5 h，采用MTS對(duì)圓柱體試件進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)，從而計(jì)算高溫條件下混合料的抗剪強(qiáng)度及黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ值。

無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)加載速率為2 mm/min；單軸貫入試驗(yàn)壓頭尺寸為直徑28.5 mm、高50 mm，加載速率為1 mm/min。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程均在60 ℃環(huán)境箱內(nèi)完成。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3種礦料級(jí)配采用馬歇爾方法確定的最佳油石比均為4.5%，最佳油石比下3種AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 3種AC-13瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.2 礦料級(jí)配的骨架結(jié)構(gòu)表征

采用骨架接觸度SSC、骨架穩(wěn)定度S兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表征混合料中礦料的骨架結(jié)構(gòu)特征，其計(jì)算公式如下：

SSC=100γcm/γ

(1)

式中：SSC為瀝青混合料中礦料骨架接觸度(%)；γcm為瀝青混合料中粗集料毛體積相對(duì)密度；γ為粗集料干搗實(shí)狀態(tài)下的毛體積相對(duì)密度。

(2)

式中：γmb為瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度；Pa為瀝青混合料的油石比(%)；PCA為瀝青混合料中粗集料的質(zhì)量占比(%)。

S=100γcm/γma

(3)

式中：S為瀝青混合料中礦料骨架穩(wěn)定度(%)；γma為粗集料松裝毛體積相對(duì)密度。

3種瀝青混合料的骨架接觸度SSC及骨架穩(wěn)定度S計(jì)算結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：從級(jí)配Ⅰ到級(jí)配Ⅱ，粗集料含量增加2.8%，骨架接觸度提高了4.2%，骨架穩(wěn)定度提高了5.9%；從級(jí)配Ⅱ到級(jí)配Ⅲ，粗集料含量增加了4.2%，骨架接觸度提高了5.9%，骨架穩(wěn)定度提高了4.6%。隨著粗集料含量的增加，骨架接觸度SSC和骨架穩(wěn)定度S均逐漸增大?？梢?jiàn)，骨架接觸度SSC和骨架穩(wěn)定度S兩個(gè)指標(biāo)可以較敏感地反映礦料骨架結(jié)構(gòu)的變化情況。

表4 3種級(jí)配的礦料骨架結(jié)構(gòu)特征

3.3 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果及分析

3種AC-13瀝青混合料在60℃條件下的試驗(yàn)結(jié)果如表5及圖1所示。

表5 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

圖1 3種瀝青混合料永久變形與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系

從表5可以看出：從級(jí)配Ⅰ到級(jí)配Ⅱ，粗集料含量增加了2.8%，動(dòng)穩(wěn)定度提高了75.7%，從級(jí)配Ⅱ到級(jí)配Ⅲ，粗集料含量增加了4.2%，動(dòng)穩(wěn)定度僅提高了5%。3種礦料級(jí)配隨著粗集料含量增大，動(dòng)穩(wěn)定度增大，但增加速率逐漸減小。表明當(dāng)粗集料含量達(dá)到一定比例時(shí)，繼續(xù)增加粗集料含量對(duì)高溫穩(wěn)定性貢獻(xiàn)不大。

從表5和圖1可以看出：① 無(wú)論是從每種級(jí)配的瀝青混合料平行試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，還是從3種級(jí)配的瀝青混合料對(duì)比結(jié)果來(lái)看，永久變形越小動(dòng)穩(wěn)定度并不一定就高，車(chē)轍試驗(yàn)的永久變形與動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果并不一致；② 從級(jí)配Ⅱ和級(jí)配Ⅲ動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果可以看出：級(jí)配Ⅱ和級(jí)配Ⅲ瀝青混合料平行試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差甚至超過(guò)了兩種瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果的差值，這表明當(dāng)兩種類型瀝青混合料高溫性能相差不大時(shí)，采用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)其高溫性能的區(qū)分度不高，可靠性相對(duì)較低，此種情況下采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評(píng)價(jià)其高溫性能可能造成評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況不符。

3.4 單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果及分析

無(wú)側(cè)限抗壓及單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 無(wú)側(cè)限抗壓及單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

參考孫立軍采用三維有限元進(jìn)行力學(xué)分析得到的貫入強(qiáng)度為1 MPa 、泊松比為0.35時(shí)的強(qiáng)度參數(shù),該文以此為基礎(chǔ)利用單軸抗壓試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)得到混合料抗剪強(qiáng)度τmax、黏聚力c及內(nèi)摩擦角φ，結(jié)果如表7所示。

表7 3種AC-13瀝青混合料抗剪強(qiáng)度結(jié)果

從表7可以看出：隨著混合料中粗集料含量增加，混合料抗剪強(qiáng)度逐漸增大，瀝青膠漿的黏聚力逐漸減小，內(nèi)摩擦角逐漸增大。從級(jí)配Ⅰ到級(jí)配Ⅱ，粗集料含量增加2.8%，抗剪強(qiáng)度提高了24.2%，內(nèi)摩阻角增大了8.4%，黏聚力降低了13%；從級(jí)配Ⅱ到級(jí)配Ⅲ，粗集料含量增加了4.2%，抗剪強(qiáng)度僅提高了0.7%，內(nèi)摩擦角僅增大0.9%，黏聚力降低了3.8%。結(jié)合表4可知：當(dāng)粗集料含量小于65%時(shí)，隨著粗集料含量的增加，礦料骨架嵌鎖程度增強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度也有較大幅度的提升，當(dāng)粗集料含量超過(guò)65%時(shí)，繼續(xù)增加粗集料含量依然能較明顯地提升礦料骨架嵌鎖程度，但對(duì)抗剪強(qiáng)度的提升作用不明顯。這也表明并非礦料骨架結(jié)構(gòu)嵌鎖程度越高，混合料的抗剪強(qiáng)度就越好。分析原因認(rèn)為：隨著粗集料的增加，細(xì)集料含量減少，礦料比表面積減小，相同油石比下瀝青膜厚度減小，結(jié)構(gòu)瀝青含量降低，造成瀝青膠漿的黏聚力減小，這種減小的幅度相對(duì)于抗剪強(qiáng)度來(lái)說(shuō)影響很小。但由于粗集料形成的骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)需要瀝青膠漿的黏聚力進(jìn)行約束和穩(wěn)定，當(dāng)粗集料含量過(guò)多時(shí)，細(xì)集料和瀝青形成的瀝青砂漿體系的黏聚力降低，對(duì)粗集料骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)的約束作用減弱，從而削弱了粗集料的骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)；另一方面，細(xì)集料含量減少導(dǎo)致粗集料形成的礦料骨架空隙缺少足夠的瀝青砂漿進(jìn)行填充，從而影響混合料的密實(shí)性。雖然瀝青砂漿的黏聚力相對(duì)于抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率較小，但在混合料結(jié)構(gòu)體系中，礦料骨架結(jié)構(gòu)與瀝青砂漿相互作用、相互制約，共同形成混合料的強(qiáng)度。因此當(dāng)粗集料含量增加到一定比例后繼續(xù)增加時(shí)，混合料的密實(shí)度降低，抗剪強(qiáng)度提升幅度很小甚至可能降低。對(duì)瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在保障混合料密實(shí)度前提下可通過(guò)提高礦料骨架嵌鎖程度來(lái)有效提升混合料的抗剪強(qiáng)度。

3.5 各指標(biāo)與抗剪強(qiáng)度相關(guān)性分析

骨架接觸度SSC、骨架穩(wěn)定度S及車(chē)轍試驗(yàn)的永久變形、動(dòng)穩(wěn)定度與混合料抗剪強(qiáng)度關(guān)系如圖2～4所示。

由圖2可以看出：骨架接觸度SSC、骨架穩(wěn)定度S與混合料抗剪強(qiáng)度具有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.676、0.834。因此在對(duì)瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)可以采用骨架接觸度和骨架穩(wěn)定度對(duì)混合料中礦料骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的初期控制，而無(wú)需等到高溫性能驗(yàn)證時(shí)才能得知結(jié)果，一旦不合格又得從頭開(kāi)始。既避免了初期設(shè)計(jì)的不確定性和盲目性，降低反復(fù)嘗試的工作量，又可以實(shí)現(xiàn)初期對(duì)礦料級(jí)配的優(yōu)化，提高混合料高溫性能設(shè)計(jì)的可靠度。

圖2 礦料骨架特征與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

圖3 永久變形與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

圖4 動(dòng)穩(wěn)定度與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

由圖3可以看出：永久變形與抗剪強(qiáng)度相關(guān)性很差，這也表明采用車(chē)轍試驗(yàn)的永久變形評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性并不合理。這主要是因?yàn)槭覂?nèi)車(chē)轍試驗(yàn)次數(shù)較少，永久變形僅反映了初期的壓密變形。而在實(shí)際工程項(xiàng)目中，很多工程項(xiàng)目瀝青路面的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度已遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)行JTG F40-2017《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的93%的控制標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)放交通后壓密變形的空間較小，主要的車(chē)轍病害是高溫重載下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所致，此時(shí)的路面變形包括前期的壓密變形和瀝青混合料失穩(wěn)后的剪切流動(dòng)變形兩部分，而初期壓密變形占比較小，可見(jiàn)，室內(nèi)車(chē)轍永久變形并不能真實(shí)反映路面實(shí)際的車(chē)轍變形情況，因此不適合用來(lái)直接評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性。

由圖4可以看出：動(dòng)穩(wěn)定度與抗剪強(qiáng)度具有很好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.996，這也表明采用動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性在一定程度上是合理的。但由于動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果離散性很大，當(dāng)兩種瀝青混合料的高溫性能相差不大時(shí)，采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)高溫穩(wěn)定性時(shí)敏感性和區(qū)分度均較低，可靠性不足。

4 結(jié)論

通過(guò)引入骨架接觸度和骨架穩(wěn)定度指標(biāo)，對(duì)不同礦料級(jí)配下的瀝青混合料的粗集料骨架結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行量化，從而建立了礦料骨架結(jié)構(gòu)特征與混合料抗剪強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，分析了常規(guī)高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)即車(chē)轍試驗(yàn)的永久變形和動(dòng)穩(wěn)定度與抗剪強(qiáng)度的相關(guān)性，得到以下結(jié)論：

(1) 骨架接觸度SSC和骨架穩(wěn)定度S與混合料的抗剪強(qiáng)度正相關(guān)，可采用這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行初期設(shè)計(jì)，指導(dǎo)礦料級(jí)配的優(yōu)化，避免礦料級(jí)配設(shè)計(jì)的不確定性和盲目性，從而提高混合料高溫性能設(shè)計(jì)的可靠度。

(2) 車(chē)轍試驗(yàn)的永久變形與抗剪強(qiáng)度相關(guān)性較差，不適合用來(lái)直接評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性。

(3) 動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)在評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的總體趨勢(shì)上與抗剪強(qiáng)度結(jié)果一致，且具有很好的相關(guān)性，但在評(píng)價(jià)兩種高溫性能相差不大的混合料時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)并不合適，此種情況下建議增加抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(4) 由于該文研究的礦料級(jí)配類型較少，粗集料變化的范圍也較窄，樣本數(shù)量有限，研究成果的適用性還需大量后續(xù)試驗(yàn)驗(yàn)證。如粗集料含量不變時(shí)，粗集料級(jí)配、細(xì)集料級(jí)配對(duì)礦料骨架結(jié)構(gòu)特征及抗剪強(qiáng)度的影響如何；繼續(xù)增加粗集料含量時(shí)，骨架接觸度、骨架穩(wěn)定度與抗剪強(qiáng)度還是否正相關(guān)等。