陳鑫， 姚佳良

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

瀝青砂漿作為瀝青混合料的重要組成部分，其性能直接影響瀝青混合料的路用性能。錢國(guó)平等通過抗拉和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了集料粒徑對(duì)瀝青砂漿力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青砂漿的力學(xué)性能隨著集料最大公稱粒徑的減小而變差。Tan Y.等研究了細(xì)集料特性對(duì)瀝青砂漿黏性的影響，結(jié)果表明瀝青砂漿的抗變形能力隨著集料形狀的扁平和棱角結(jié)構(gòu)的減少而降低。Nejad F. M.等研究了水泥乳化瀝青砂漿的力學(xué)性能、耐久性、疲勞性能和流變特性，發(fā)現(xiàn)采用低火山灰活性礦渣對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度無顯著影響，間接抗拉強(qiáng)度略有降低。崔亞楠等采用正交試驗(yàn)對(duì)瀝青砂漿的愈合性能進(jìn)行研究，得到老化程度對(duì)瀝青砂漿愈合度的影響顯著。Fu Q.等研究了CA砂漿在不同初始應(yīng)變水平下的應(yīng)力松弛行為，建立了基于熱力學(xué)的應(yīng)力松弛模型，發(fā)現(xiàn)CA砂漿的松弛應(yīng)力隨著應(yīng)變水平的增加而增大。Riara M.等研究了溫度和濕度對(duì)AC-13瀝青混合料及砂漿長(zhǎng)期老化后裂縫愈合能力的影響，結(jié)果表明溫度升高會(huì)增加瀝青材料的裂縫愈合程度。目前關(guān)于瀝青混合料性能單一指標(biāo)評(píng)價(jià)的研究較多，而關(guān)于其綜合性能評(píng)價(jià)的研究較少。黃曉明等基于灰色理論模型，從多個(gè)角度評(píng)價(jià)了瀝青砼與水泥砼兩種路面的適用性，找到了適用于隧道環(huán)境的路面結(jié)構(gòu)類型。張華等對(duì)4種摻加不同纖維的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)，采用加權(quán)灰色理論優(yōu)選性能最佳的纖維瀝青混合料。于新等利用有限元法分析多因素對(duì)橋面防水黏結(jié)層的力學(xué)響應(yīng)，采用灰色理論優(yōu)選最佳防水黏結(jié)層材料。宋亮等基于灰色決策方法，評(píng)價(jià)了不同種類玄武巖纖維瀝青碎石封層的黏結(jié)性能。瀝青砂漿的性能與瀝青路面的使用性能緊密相關(guān)，且綜合性能評(píng)價(jià)直接影響瀝青混合料原材料的優(yōu)選。該文基于等體積換算原則，在AC-13 SBS瀝青混合料的基礎(chǔ)上，根據(jù)規(guī)范計(jì)算并分別成型石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿試件，對(duì)其進(jìn)行高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能測(cè)試，對(duì)比研究不同類型集料瀝青砂漿的性能，為瀝青路面原材料選擇提供參考。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗(yàn)所用瀝青為SBS (I-D)改性70#瀝青，其性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 SBS改性瀝青的基本性能指標(biāo)

1.2 集料

選用石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖和鋼渣4種集料，填料均采用磨細(xì)的石灰?guī)r礦粉，其技術(shù)性能見表2、表3，均符合相關(guān)要求。

表2 礦粉的基本性能指標(biāo)

表3 集料的表觀相對(duì)密度和毛體積相對(duì)密度

2 瀝青砂漿配合比設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

以AC-13瀝青混合料的級(jí)配為基礎(chǔ)(見表4)，去除瀝青混合料中的粗集料部分，剩余4.75 mm以下部分，計(jì)算瀝青砂漿礦料級(jí)配。假定瀝青砂漿中集料篩余百分率與原AC-13瀝青混合料一致，計(jì)算得到瀝青砂漿的級(jí)配(見表5)。

表4 AC-13瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配

表5 瀝青砂漿的級(jí)配

基于等體積換算原則，分別計(jì)算石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的各檔集料用量，結(jié)果見表6、表7。

表6 等體積換算公式

表7 等體積換算后瀝青砂漿各檔用量

2.2 瀝青砂漿中瀝青用量

根據(jù)馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合依托工程瀝青路面瀝青混合料配合比，確定AC-13 SBS改性瀝青混合料最佳油石比為5.2%。根據(jù)JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，先計(jì)算瀝青混合料中有效瀝青含量Pbe、被集料吸收的瀝青含量Pba和粉膠比FB。假設(shè)瀝青砂漿中粉膠比與其對(duì)應(yīng)的瀝青混合料相同，計(jì)算不同瀝青砂漿試件中有效瀝青含量，進(jìn)而計(jì)算瀝青砂漿試件中瀝青含量。各種瀝青混合料的相關(guān)參數(shù)見表8。

表8 各種集料組成的AC-13瀝青混合料的參數(shù)

式中：P0.075為級(jí)配中0.075 mm篩孔通過率(%)。

同理可計(jì)算得到各種瀝青砂漿最佳油石比和最佳瀝青用量(見表9)。

表9 瀝青砂漿最佳油石比和最佳瀝青用量

3 瀝青砂漿路用性能評(píng)價(jià)

3.1 高溫性能

結(jié)合瀝青砂漿的性能特點(diǎn)和級(jí)配設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究不同類型集料對(duì)瀝青砂漿高溫穩(wěn)定性的影響，通過單軸壓縮試驗(yàn)和三軸重復(fù)荷載壓縮蠕變?cè)囼?yàn)對(duì)瀝青砂漿的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1.1 單軸壓縮試驗(yàn)

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑100 mm×高度100 mm瀝青砂漿試件，利用UTM試驗(yàn)機(jī)(萬能材料試驗(yàn)機(jī))進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，選用壓縮荷載模式，加載速率1 mm/min，預(yù)加載荷載0.05 kN，預(yù)加載時(shí)間20 s，試驗(yàn)溫度40 ℃。每組設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)，以其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果(見圖1)。

圖1 不同細(xì)集料類型瀝青砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖1可知：4種瀝青砂漿的抗壓強(qiáng)度曲線變化規(guī)律相近，均為先迅速增大，到達(dá)峰值后減小，最后趨于平緩。輝綠巖和玄武巖瀝青砂漿的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系相差不大，均在應(yīng)變5%時(shí)應(yīng)力達(dá)到最大值，分別為11.56和11.52 MPa，峰值后曲線基本重合；石灰?guī)r瀝青砂漿在應(yīng)變5%時(shí)應(yīng)力最大，為10.52 MPa；鋼渣瀝青砂漿在應(yīng)變6%時(shí)應(yīng)力最大，為9.47 MPa。峰值應(yīng)力后，砂漿試件的承載能力已達(dá)到極限，繼續(xù)加載后發(fā)生破壞，并產(chǎn)生裂縫。相比工業(yè)廢渣類細(xì)集料(鋼渣)，機(jī)制砂類細(xì)集料(石灰?guī)r、玄武巖和輝綠巖)對(duì)瀝青砂漿抗壓能力的影響較小。

3.1.2 三軸重復(fù)荷載壓縮蠕變?cè)囼?yàn)

采用UTM試驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同集料類型瀝青砂漿進(jìn)行三軸重復(fù)荷載壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)圍壓取138 kPa，加載應(yīng)力500 kPa，試驗(yàn)溫度為40、50、60 ℃，分析溫度對(duì)瀝青砂漿應(yīng)變的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 不同溫度下瀝青砂漿的時(shí)間-應(yīng)變曲線

由圖2可知：試驗(yàn)溫度為40 ℃時(shí)，蠕變曲線隨時(shí)間的延長(zhǎng)先增大后趨于平緩，玄武巖瀝青砂漿的蠕變曲線變化最小，其次是輝綠巖瀝青砂漿，鋼渣瀝青砂漿的蠕變變形最大；試驗(yàn)溫度為50 ℃時(shí)，鋼渣瀝青砂漿的變形仍最大，石灰?guī)r瀝青砂漿次之，玄武巖瀝青砂漿的蠕變曲線與輝綠巖瀝青砂漿相當(dāng)；試驗(yàn)溫度60 ℃時(shí)，鋼渣瀝青砂漿的變形最大，石灰?guī)r瀝青砂漿居中，玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿依舊最不易發(fā)生變形。

3.1.3 高溫性能評(píng)價(jià)

綜上，在相同試驗(yàn)溫度下，玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿的穩(wěn)定性比石灰?guī)r和鋼渣瀝青砂漿的好；隨著溫度的升高，鋼渣瀝青砂漿的蠕變?cè)鲩L(zhǎng)幅度最大，其次為石灰?guī)r瀝青砂漿，輝綠巖和玄武巖瀝青砂漿的增長(zhǎng)幅度最小。4種瀝青砂漿高溫穩(wěn)定性的排序?yàn)樾鋷r瀝青砂漿≈輝綠巖瀝青砂漿>石灰?guī)r瀝青砂漿>鋼渣瀝青砂漿。

3.2 低溫性能

瀝青砂漿的低溫抗裂性能直接影響瀝青路面的使用性能。根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，對(duì)各集料類型瀝青砂漿進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，瀝青砂漿采用25 mm×25 mm×150 mm棱柱形試件，試驗(yàn)溫度-10 ℃，加載速度50 mm/min，分析各集料類型瀝青砂漿的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見表10和圖3。

由表10和圖3可知：1) 玄武巖瀝青砂漿的彎拉強(qiáng)度最大，其次是輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿，石灰?guī)r瀝青砂漿的彎拉強(qiáng)度最小。其中玄武巖與輝綠巖瀝青砂漿的彎拉強(qiáng)度相差不大；玄武巖與石灰?guī)r瀝青砂漿的彎拉強(qiáng)度相差10.4%；玄武巖與輝綠巖瀝青砂漿的彎拉強(qiáng)度相近，相差約3.3%，且小于石灰?guī)r和鋼渣瀝青砂漿；鋼渣瀝青砂漿的彎拉應(yīng)變比石灰?guī)r的高11.3%。2) 石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的勁度模量分別為1 032、1 154、1 167和982 MPa。其中玄武巖與輝綠巖瀝青砂漿的勁度模量相近，相差約1.1%；石灰?guī)r與鋼渣瀝青砂漿的勁度模量相差約5.1%；模量最大的輝綠巖瀝青砂漿與最小的鋼渣瀝青砂漿相差約18.8%。說明鋼渣和石灰?guī)r瀝青砂漿比玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿具有更好的柔韌性，可更好地抵抗低溫開裂破壞。低溫抗裂能力排序?yàn)槭規(guī)r瀝青砂漿>鋼渣瀝青砂漿>玄武巖瀝青砂漿≈輝綠巖瀝青砂漿。

表10 瀝青砂漿小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖3 瀝青砂漿彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性

根據(jù)JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，通過凍融劈裂試驗(yàn)對(duì)4種類型集料瀝青砂漿進(jìn)行水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，每組設(shè)置3個(gè)平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表11和圖4。

由表11和圖4可知：1) 在未凍融情況下，石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的劈裂強(qiáng)度均值分別為0.331、0.347、0.348和0.339 MPa，輝綠巖瀝青砂漿的劈裂強(qiáng)度最大，玄武巖和鋼渣瀝青砂漿的劈裂強(qiáng)度相近且大于石灰?guī)r瀝青砂漿。凍融循環(huán)后，瀝青砂漿的劈裂強(qiáng)度均明顯下降，其中石灰?guī)r瀝青砂漿的劈裂強(qiáng)度最大，玄武巖瀝青砂漿的劈裂強(qiáng)度小于輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿。2) 石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比分別為79.5%、71.8%、75.3%和76.1%，石灰?guī)r瀝青砂漿的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度分別比玄武巖、輝綠巖、鋼渣瀝青砂漿提高10.7%、5.6%、4.5%。在水和溫度共同作用下，石灰?guī)r集料與瀝青的黏附性優(yōu)于輝綠巖和玄武巖，瀝青與石灰?guī)r集料結(jié)合更緊密，故在劈裂荷載作用下其抗拉強(qiáng)度較大，水穩(wěn)定性較優(yōu)。

表11 瀝青砂漿的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖4 瀝青砂漿的凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比

石灰?guī)r瀝青砂漿的水穩(wěn)定性即抗水損害能力優(yōu)于玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿，4種瀝青砂漿的水穩(wěn)定性排序?yàn)槭規(guī)r瀝青砂漿>鋼渣瀝青砂漿>輝綠巖瀝青砂漿>玄武巖瀝青砂漿。

3.4 疲勞性能

采用MTS試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，分析不同集料類型瀝青砂漿的疲勞性能，試驗(yàn)溫度5、15 ℃，加載頻率10 Hz，應(yīng)變水平為700和1 000 με，試驗(yàn)結(jié)果見表12。

表12 瀝青砂漿四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表12可知：在5 ℃、700 με的條件下，石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別為183 501、202 879、198 693和219 142 次，相對(duì)于石灰?guī)r、玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿，鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別增加19.4%、8%和10.3%；在5 ℃、1 000 με的條件下，石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別為42 817、47 396、46 202和49 358次，相對(duì)于石灰?guī)r、玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿，鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別增加15.3%、4.1%和6.8%；在15 ℃、1 000 με的條件下，石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別為153 610、167 160、165 717和167 736 次，相對(duì)于石灰?guī)r、玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿，鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別增加9.2%、0.3%和1.2%。瀝青混合料疲勞開裂始于瀝青砂漿結(jié)構(gòu)，且大部分裂縫處于瀝青砂漿結(jié)構(gòu)中，瀝青混合料的疲勞性能在一定程度上可通過瀝青砂漿的疲勞性能來表征，改變?yōu)r青混合料中細(xì)集料類型對(duì)提高瀝青路面耐疲勞性能有一定作用。

綜上，鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命最大，玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿的疲勞壽命相近，石灰?guī)r瀝青砂漿疲勞壽命最小。4種瀝青砂漿疲勞性能排序?yàn)殇撛鼮r青砂漿>玄武巖瀝青砂漿≈輝綠巖瀝青砂漿>石灰?guī)r瀝青砂漿。

4 基于多目標(biāo)加權(quán)的瀝青砂漿性能評(píng)價(jià)

基于不同集料類型瀝青砂漿的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能，采用灰色系統(tǒng)理論中的多目標(biāo)加權(quán)決策模型，分析集料類型對(duì)瀝青砂漿綜合性能的影響。三軸重復(fù)荷載壓縮蠕變以60 ℃最大變形結(jié)果為例，疲勞性能以應(yīng)變水平1 000 με的疲勞壽命為例，不同集料類型瀝青砂漿的性能指標(biāo)參數(shù)見表13。

表13 不同集料類型瀝青砂漿的性能指標(biāo)參數(shù)

(1) 建立事件集、對(duì)策集及決策方案集。以哪種集料類型瀝青砂漿路用性能最優(yōu)作為事件a1，則事件集A={ai}={a1}；選擇石灰?guī)r、玄武巖、輝綠巖、鋼渣分別作為對(duì)策b1、b2、b3、b4，則對(duì)策集B={b1，b2，b3，b4}；由事件集和對(duì)策集構(gòu)成決策集S={Sij=(ai,bj)|ai∈A,bj∈B,i=1,j=1,2,3,4}={s11,s12,s13,s14}。

(2) 確定決策目標(biāo)。將瀝青砂漿高溫性能(抗壓強(qiáng)度和60 ℃時(shí)最大應(yīng)變)、破壞彎拉應(yīng)變、水穩(wěn)定性能和疲勞性能(5和15 ℃)共6個(gè)指標(biāo)作為決策目標(biāo)。

(3) 確定決策目標(biāo)的決策權(quán)重。設(shè)置各決策目標(biāo)的權(quán)重分別為0.125、0.125、0.25、0.25、0.125、0.125。

(4) 求決策目標(biāo)效果樣本矩陣。根據(jù)表13得目標(biāo)效果樣本矩陣如下：

(6) 求效果測(cè)度矩陣。測(cè)度矩陣是決策目標(biāo)效果樣本矩陣經(jīng)過量綱化處理后的矩陣。根據(jù)效益型目標(biāo)效果函數(shù)測(cè)度公式[見式(1)]和成本型目標(biāo)效果函數(shù)測(cè)度公式[見式(2)]，結(jié)合步驟5設(shè)定的目標(biāo)效果臨界值，對(duì)效果樣本矩陣Uk進(jìn)行效果測(cè)度矩陣計(jì)算，得到測(cè)度效果矩陣[見式(3)]。

(1)

(2)

(3)

(7) 計(jì)算綜合效果測(cè)度矩陣。根據(jù)式(4)計(jì)算綜合效果測(cè)度矩陣，結(jié)果見式(5)。

(4)

R=[r11r12r13r14]=[0.503 6 0.685 3

0.618 8 0.663 4]

(5)

(8) 決策。由步驟7的計(jì)算結(jié)果，得到各瀝青砂漿的靶心距離(見表14)。

表14 不同類型瀝青砂漿綜合性能的靶心距離

由表14可知：4種集料類型瀝青砂漿中，玄武巖瀝青砂漿的綜合性能最優(yōu)，鋼渣瀝青砂漿次之，石灰?guī)r瀝青砂漿的綜合性能最差。

5 結(jié)論

(1) 4種集料類型瀝青砂漿的綜合性能排序?yàn)樾鋷r瀝青砂漿>鋼渣瀝青砂漿>輝綠巖瀝青砂漿>石灰?guī)r瀝青砂漿。

(2) 根據(jù)不同集料類型瀝青砂漿的路用性能，在重交通和夏季多高溫的地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選擇玄武巖或輝綠巖集料；在重交通和多低溫的地區(qū)，可優(yōu)先選擇鋼渣集料；在降雨量大的地區(qū)，應(yīng)優(yōu)先選擇石灰?guī)r集料。