張紅波，彭文舉，劉俊斌,4，李 平，李雨軒

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007；3.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007;4.葛洲壩集團(tuán)交通投資有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

不論是新建半剛性基層瀝青路面、復(fù)合式路(橋)面，還是養(yǎng)護(hù)工程的加鋪設(shè)計(jì)均存在潛在的反射裂縫產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)。貫穿的反射裂縫會(huì)直接影響路面的使用壽命[1]。應(yīng)力吸收層作為預(yù)防與限制反射裂縫擴(kuò)展的有效途徑得到了極為廣泛的應(yīng)用，根據(jù)材料組成及施工方式不同分為兩種類型：灑布式、攤鋪式。灑布式瀝青與集料灑布均勻性不易控制，且其完整性在上層瀝青層施工時(shí)易被攤鋪機(jī)履帶與運(yùn)料車碾壓破壞，反而造成潛在質(zhì)量隱患。攤鋪式應(yīng)力吸收層采用與面層瀝青混合料相同的攤鋪碾壓設(shè)備。該結(jié)構(gòu)施工穩(wěn)定，具有良好的應(yīng)力吸收效果，逐漸成為應(yīng)力吸收層的首選設(shè)計(jì)方案[2]。

由于應(yīng)力吸收層的特殊功能需求，要求瀝青具有較高的模量及良好的彈性性能[3]。橡膠瀝青由于其優(yōu)良使用性能、經(jīng)濟(jì)性能以及特有的環(huán)境友好特性，具有較高的潛在利用價(jià)值[4]。區(qū)別于灑布式應(yīng)力吸收層，攤鋪式要求瀝青混合料具有合適的配合比設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)空隙率作為瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)重要參數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)直接影響著混合料最佳油石比、體積指標(biāo)及各項(xiàng)路用性能。但國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有規(guī)范指南中對(duì)應(yīng)力吸收層專有配合比設(shè)計(jì)涉及較少，且對(duì)設(shè)計(jì)空隙率并不無(wú)一致推薦標(biāo)準(zhǔn)(表1為國(guó)內(nèi)典型應(yīng)力吸收層或10型瀝青混合料推薦空隙率)。因此，有必要對(duì)攤鋪式橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)空隙率標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究。

不同于普通瀝青混合料，應(yīng)力吸收層除應(yīng)具備良好的高溫、低溫以及水穩(wěn)定性等傳統(tǒng)路用性能外，還應(yīng)具有良好的應(yīng)力吸收效果。但目前對(duì)于應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)方法并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了相應(yīng)研究，提出了多種試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。如剪切試驗(yàn)法[13]、小梁彎曲試驗(yàn)[14]、半圓彎曲(SCB)裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)[15]、Overlay Test(OT)試驗(yàn)[16]以及輪載疲勞試驗(yàn)[17]等。但上述研究表明，部分評(píng)價(jià)方式存在評(píng)價(jià)方式與應(yīng)力吸收性能關(guān)聯(lián)性差以及試件制備困難或試驗(yàn)結(jié)果變異性大等弊端，有效的、全面的應(yīng)力吸收性能試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)參數(shù)仍有待進(jìn)一步研究。

基于此，針對(duì)攤鋪式橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)空隙率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，應(yīng)力吸收性能無(wú)明確、綜合性評(píng)價(jià)方法的研究現(xiàn)狀，本研究擬以選取典型10型級(jí)配3組，采用4.0%，2.5%兩種代表性設(shè)計(jì)空隙率，對(duì)攤鋪式橡膠瀝青混合料高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性以及應(yīng)力吸收性能(包含抗斷裂性能與抗裂縫擴(kuò)展性能)等使用性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為攤鋪式橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)空隙率標(biāo)準(zhǔn)的選取提供理論指導(dǎo)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 橡膠瀝青

采用70#A級(jí)基質(zhì)瀝青、20%摻量30～80目橡膠粉(某集團(tuán)有限公司提供)、0.5%摻量SBS(某YH-791H星型)進(jìn)行橡膠瀝青制備，制備的橡膠瀝青性能指標(biāo)如表2所示。

1.2 瀝青混合料

1.2.1 級(jí)配選取

對(duì)比國(guó)內(nèi)外有關(guān)應(yīng)力吸收層或橡膠瀝青路面規(guī)程，按最大公稱粒徑劃分，應(yīng)力吸收層礦料級(jí)配類型主要有5型、10型兩大類。分析發(fā)現(xiàn)，就級(jí)配類型數(shù)量及應(yīng)用現(xiàn)狀而言，仍以10型為主。對(duì)典型10型級(jí)配曲線線型特點(diǎn)作進(jìn)一步分析，可將典型級(jí)配劃分為如下3類(如圖1所示，下述規(guī)程均為縮寫)：

(1)A系列：CAM級(jí)配[18]；

(2)B系列：施工規(guī)范2004[19]、福建地標(biāo)[7]；

(3)C系列：廣西[6]、江西[8]、上海[9]、北京[11]、河北[12]、山西[10]地標(biāo)與施工規(guī)范2017(征求意見(jiàn)稿)[5]。

圖1 10型礦料級(jí)配分類Fig.1 Classification of 10 graded aggregates

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，C型級(jí)配在我國(guó)10型混合料中應(yīng)用較為廣泛，這與施工技術(shù)規(guī)范的調(diào)整導(dǎo)向相一致。為研究空隙率標(biāo)準(zhǔn)變化對(duì)不同級(jí)配混合料影響，參照上述規(guī)程級(jí)配范圍進(jìn)行試驗(yàn)室級(jí)配組合，合成A類級(jí)配1組：B類級(jí)配2組：B-1，B-2，C類級(jí)配3組：C-1，C-2，C-3(如表3所示)。

表3 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層試驗(yàn)級(jí)配Tab.3 Test gradation of rubber asphalt stress absorbing layer

1.2.2 配合比設(shè)計(jì)

比較表1中匯總的各規(guī)程推薦空隙率標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，以3.0%空隙率為分界線，將空隙率標(biāo)準(zhǔn)分為兩類：以施工規(guī)范2017為代表的2.0%～3.0%小空隙率標(biāo)準(zhǔn)。以各地標(biāo)為代表的3.0%～6.0%與普通瀝青混合料相近的空隙率標(biāo)準(zhǔn)。基于此，本研究選取2.5%，4.0%兩個(gè)典型空隙率，并結(jié)合上述遴選級(jí)配進(jìn)行后續(xù)混合料性能分析。

采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，分別以4.0%，2.5%作為最佳油石比確定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各級(jí)配進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，得到各混合料最佳油石比結(jié)果如表4所示。

表4 各級(jí)配混合料最佳油石比及體積指標(biāo)Tab.4 Optimum asphalt-aggregate ratios and volume indicators of graded mixtures

由于A級(jí)配混合料與其它混合料在級(jí)配、最佳油石比等方面差異較大，且該級(jí)配在我國(guó)應(yīng)用較少。因此，在其它級(jí)配中選取相同空隙率下最佳油石比較為接近的B類級(jí)配1組、C類級(jí)配2組共3組級(jí)配進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)：10B-1，10C-2，10C-3(圖2)。為減少因油石比差異導(dǎo)致的其它試驗(yàn)因素影響，統(tǒng)一采用3組級(jí)配最佳油石比均值作為對(duì)應(yīng)空隙率下各混合料油石比。油石比選取及瀝青膜厚度計(jì)算結(jié)果如表5所示。

圖2 選用3類級(jí)配曲線Fig.2 Selected 3 gradation curves

表5 不同級(jí)配混合料油石比及瀝青膜厚度Tab.5 Asphalt-aggregate ratios and asphalt film thicknesses of different graded mixtures

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 高溫穩(wěn)定性

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E20—2011)》瀝青混合料車轍試驗(yàn)(T 0709—2011)，進(jìn)行瀝青混合料60 ℃高溫車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)得到動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)。

1.3.2 水穩(wěn)定性

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)《瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)》(T 0719—2011)《瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)》(T 0729—2000)，進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)得到殘留穩(wěn)定度(MS0)、凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)。

1.3.3 應(yīng)力吸收性能

應(yīng)力吸收層作為預(yù)防及延緩反射裂縫形成與發(fā)展的專用功能層，除應(yīng)具有普通瀝青混合料的路用性能外，還應(yīng)具有良好的應(yīng)力吸收性能。應(yīng)力吸收性能應(yīng)具有兩方面的作用，即在裂縫形成前應(yīng)具有良好的抗斷裂性能阻止裂縫的形成，另外在裂縫形成后應(yīng)具有良好的抗裂縫擴(kuò)展性能以限制裂縫的發(fā)展進(jìn)而對(duì)上覆結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生不利影響。結(jié)合上述兩方面應(yīng)力吸收層破壞形式，可采用如下兩種方式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)：小梁彎曲試驗(yàn)側(cè)重對(duì)混合料試件裂縫形成初期性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)通過(guò)預(yù)留切縫方式可側(cè)重對(duì)混合料抗斷裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)小梁彎曲試驗(yàn)：通過(guò)測(cè)試不同溫度條件下混合料試件的破壞過(guò)程參數(shù)，側(cè)重評(píng)價(jià)混合料抵抗裂縫形成的能力。另外，-10 ℃小梁彎曲試驗(yàn)也為我國(guó)瀝青混合料低溫性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，采用此方法可同時(shí)對(duì)低溫性能與抗斷裂性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E20—2011)》瀝青混合料彎曲試驗(yàn)，進(jìn)行-10 ℃，15 ℃小梁彎曲試驗(yàn)，計(jì)算得到彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量以及應(yīng)變能密度等指標(biāo)。其中，前3個(gè)參數(shù)按照規(guī)程方法進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)變能密度按如下方法進(jìn)行計(jì)算：

繪制出瀝青混合料彎曲破壞試驗(yàn)σ(應(yīng)力)-ε(應(yīng)變)曲線，應(yīng)變能密度的幾何意義為當(dāng)混合料應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，σ-ε曲線與X軸圍成的面積。

(1)

(2)SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)：采用預(yù)切裂縫的方式進(jìn)行加載，可直觀、有效模擬含裂縫條件下試件裂縫進(jìn)一步發(fā)展直至破壞的過(guò)程。

SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)通過(guò)半圓彎曲法測(cè)定常溫下瀝青混合料的斷裂特性，從荷載-位移曲線得到斷裂能和柔性指數(shù)兩大參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)瀝青混合料的抗裂縫擴(kuò)展性能。試驗(yàn)采用預(yù)留凹槽的半圓形試件，試件尺寸如圖3所示，凹槽尺寸為：深度(15±1)mm，寬度(2.0±1.0)mm。

圖3 SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)試樣制備及實(shí)體試樣(單位:mm)Fig.3 Preparation of SCB crack propagation test specimen and real specimen(unit:mm)

參照EN 16697-44—2010[20]與AASHTO TP 124-16[21]步驟進(jìn)行試驗(yàn)(試驗(yàn)演示過(guò)程如圖4所示)：

圖4 SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)過(guò)程Fig.4 Process of SCB crack propagation test

(1)試件在(25±0.5)℃的環(huán)境室或水浴中保溫2 h±10 min；

(2)試驗(yàn)機(jī)施加初始荷載(0.1±0.01)kN，加載速率為0.05 kN/s，在達(dá)到0.1 kN初始荷載后，以50 mm/min的速率進(jìn)行測(cè)試；

(3)當(dāng)荷載降至0.1 kN以下時(shí)，試驗(yàn)停止。記錄峰值荷載及對(duì)應(yīng)位移。

通過(guò)荷載-位移曲線，計(jì)算得到斷裂能(Gf)和柔性指數(shù)(FI)參數(shù)。

(1)斷裂能Gf

(2)

Alig=(r-a)×b，

(3)

(4)

式中，Gf為試件斷裂能；Alig為試件韌性區(qū)面積；r為試件半徑；a為裂縫長(zhǎng)度；b為試件厚度；Wf為試件斷裂功，斷裂功Wf由荷載位移(P-u)曲線的面積計(jì)算得出；P為試件施加荷載變量；u為荷載位移變量。

(2)柔性指數(shù)FI

(5)

式中，F(xiàn)I為柔性指數(shù)，精確到0.1；|m|為峰后斜率的絕對(duì)值；荷載-位移曲線上峰后曲線拐點(diǎn)處繪制的切線斜率的絕對(duì)值；A為用于單位轉(zhuǎn)換和縮放，A取0.01。

2 空隙率對(duì)使用性能影響

2.1 高溫性能影響

按照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行各混合料高溫車轍試驗(yàn)，每組混合料進(jìn)行3個(gè)平行試驗(yàn)，測(cè)試得到動(dòng)穩(wěn)定度(DS)均值及變異系數(shù)如表6所示。

表6 不同空隙率瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Rutting test result of asphalt mixtures with different air voids

分析可知：

(1)設(shè)計(jì)空隙率減小，混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降，且不同級(jí)配混合料對(duì)空隙率變化的敏感性不同(圖5)。3組混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降幅度分別為：5.2%，2.7%和9.5%，這是由于設(shè)計(jì)空隙率由4%變化為2.5%時(shí)，試驗(yàn)油石比增加0.63%，混合料中自由瀝青比例增大。由于瀝青為溫度敏感性材料，高溫條件時(shí)黏度顯著減小，自由瀝青含量的增加將使集料更易發(fā)生相互滑移，引起混合料高溫力學(xué)性能下降，進(jìn)而表現(xiàn)為動(dòng)穩(wěn)定度值減小。但高溫車轍試驗(yàn)條件下，瀝青黏度降低，混合料穩(wěn)定級(jí)配為高溫穩(wěn)定性主要貢獻(xiàn)來(lái)源[22]，因此各級(jí)配混合料動(dòng)穩(wěn)定度降幅均較小，未超過(guò)10%。

圖5 不同空隙率混合料動(dòng)穩(wěn)定度Fig.5 DSs of mixtures with different air voids

(2)3組級(jí)配中，10C-2動(dòng)穩(wěn)定度最大、10B-1動(dòng)穩(wěn)定度最小。這主要是受級(jí)配影響，如前述分析，3組級(jí)配集料粗細(xì)排序?yàn)椋?0C-2>10C-3>10B-1。其中，10B-1級(jí)配2.3.6 mm通過(guò)率較其他兩組高11%～12%，4.75 mm通過(guò)率較其他兩組高19%～22%。粗集料較多時(shí)有助于骨架結(jié)構(gòu)的形成，更有利于抵抗高溫變形，因而具有較高的動(dòng)穩(wěn)定度。

圖6 動(dòng)穩(wěn)定度變異系數(shù)Fig.6 Variation coefficient of DS

(3)同一級(jí)配混合料中，2.5%空隙率混合料動(dòng)穩(wěn)定度離散性均優(yōu)于4.0%空隙率混合料(圖6)。當(dāng)空隙率由4.0%減小至2.5%時(shí)，3組級(jí)配混合料動(dòng)穩(wěn)定度變異系數(shù)分別降低56.8%，16.9%和24.6%。這是由于空隙率減小，混合料密實(shí)程度提高，空隙可分布區(qū)域減小，因此空隙在混合料內(nèi)部分布的離散可能性降低，空隙相對(duì)更易均勻分布，降低了因空隙大小不均、分布不均導(dǎo)致的動(dòng)穩(wěn)定度離散程度。

(4)不同級(jí)配的離散性具有明顯差異，其中10B-1級(jí)配離散性最優(yōu)，10C-3級(jí)配次之，10C-2級(jí)配最差。由于級(jí)配變化對(duì)混合料高溫性能影響較大，這可能是由于10B-1級(jí)配相較另外兩組細(xì)集料較多，其2.36 mm及4.75 m通過(guò)率遠(yuǎn)高于另外兩組(圖2)。而混合料制備過(guò)程中，細(xì)集料相對(duì)容易拌和均勻，粗集料多則更易發(fā)生離析。因此，反饋至高溫穩(wěn)定性上為10B-1動(dòng)穩(wěn)定度變異性最小。

2.2 水穩(wěn)性能影響

按照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行各混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)，每組混合料進(jìn)行3個(gè)浸水馬歇爾試驗(yàn)、4個(gè)凍融劈裂試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表7所示。

表7 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Water stability test result

(1)MS0與TSR對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性反映規(guī)律基本一致。由圖7可知，浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果與凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果線性相關(guān)系數(shù)R2為0.839 1，具備較好的線性關(guān)系，表明兩種試驗(yàn)方法可較為統(tǒng)一的評(píng)價(jià)級(jí)配對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)性能的影響。

圖7 浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗(yàn)相關(guān)性Fig.7 Correlation between immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test

(2)隨著設(shè)計(jì)空隙率的減小，浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比呈現(xiàn)不同程度的提高，表明混合料水穩(wěn)定性有所改善(圖8)。這是由于隨著空隙率減小，混合料更加密實(shí)，水更難進(jìn)入混合料內(nèi)部。同時(shí)，空隙率減小后，混合料瀝青膜厚度均有所提高(見(jiàn)表5)，水對(duì)瀝青與集料的剝離難度加大。因此，浸水或凍融作用下水對(duì)混合料的剝離作用顯著降低，使得浸水或凍融處理后混合料試件承力特性減弱程度降低。

圖8 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層水穩(wěn)性能試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test result of water stability of rubber asphalt stress absorption layer

(3)單一提高瀝青用量并不能顯著改善瀝青混合料水穩(wěn)定性。對(duì)比不同級(jí)配水穩(wěn)定提升幅度，殘留穩(wěn)定度提升大小分別為：0.3%，3.2%和0.5%，凍融劈裂強(qiáng)度比提升幅度為：0.5%，4.0%和0.6%。其中，10C-2級(jí)配混合料兩個(gè)指標(biāo)均大幅提升，主要是由于其在空隙率為4.0%時(shí)水穩(wěn)定性較差。分析該混合料瀝青用量，設(shè)計(jì)空隙率為4%時(shí)，10C-2級(jí)配混合料采用油石比大于其最佳油石比0.17%，油石比增加幅度最大，設(shè)計(jì)空隙率為2.5%時(shí)其油石比較最佳油石比小0.18%，油石比減小幅度最小。與級(jí)配相似的10C-3混合料相比，4.0%空隙率時(shí)，增長(zhǎng)油石比反而使水穩(wěn)定性下降。因此，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，為提高其水穩(wěn)定性并不能采用單一提高瀝青用量的方式，應(yīng)結(jié)合空隙率、瀝青膜厚度等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 應(yīng)力吸收性能影響

為評(píng)價(jià)級(jí)配對(duì)瀝青混合料應(yīng)力吸收性，采用小梁彎曲試驗(yàn)與SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果及分析如下。

2.3.1 小梁彎曲試驗(yàn)

按照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行各混合料小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為-10 ℃，15 ℃，每組混合料進(jìn)行3個(gè)平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Test result of trabecular bending test of rubber asphalt stress absorbing layer mixture

(1)本試驗(yàn)涉及的4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，根據(jù)指標(biāo)含義、相關(guān)性和區(qū)分性，建議選取彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度綜合評(píng)價(jià)混合料應(yīng)力吸收效果。

根據(jù)各指標(biāo)對(duì)比關(guān)系(如圖9所示)，彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量與應(yīng)變能密度4個(gè)參數(shù)對(duì)瀝青混合料的性能反映規(guī)律和空隙率區(qū)分程度并不一致。其中，彎拉應(yīng)變和應(yīng)變能密度均表現(xiàn)出隨空隙率減小而增大的規(guī)律，且不同溫度條件下兩者變化規(guī)律一致。而彎拉強(qiáng)度和彎曲勁度模量隨空隙率減小的變化規(guī)律并不一致，其中，-10 ℃勁度模量隨空隙率的減小而降低，降低幅度分別為：18.6%，35.6%和-47.6%。而15 ℃時(shí)勁度模量未見(jiàn)明顯規(guī)律且勁度模量變化幅度相對(duì)較小，變化幅度分別為：+3.3%，-11.4%和+8.7%(“+”表示增加，“-”表示降低)。而彎拉強(qiáng)度則隨空隙率變化未見(jiàn)明顯規(guī)律。

圖9 -10 ℃,15 ℃應(yīng)力吸收層混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Trabecular bending test result of stress absorbing layer mixture at -10 ℃ and 15 ℃

根據(jù)各試驗(yàn)參數(shù)意義，彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變分別為試件破壞時(shí)施加的荷載與應(yīng)變，分別表示混合料的承力特性與拉伸性能。但二者均為單一評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)際并不能對(duì)小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[23]。彎曲勁度模量為小梁彎曲試驗(yàn)破壞時(shí)彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變比值，是混合料固有屬性，為一相對(duì)指標(biāo)，只能反映應(yīng)力-應(yīng)變的變化速率，并不能有效反映二者在破壞狀態(tài)時(shí)的最終大小。根據(jù)應(yīng)變能密度計(jì)算原理，其可綜合反映彎拉強(qiáng)度與應(yīng)變兩個(gè)參數(shù)，該指標(biāo)計(jì)算涉及了混合料從加載到破壞的全過(guò)程，可較好地反映多因素的綜合影響，能降低試驗(yàn)中某單一因素產(chǎn)生的試驗(yàn)誤差[24]，可有效評(píng)價(jià)試驗(yàn)溫度條件下混合料抗斷裂性能。且上述試驗(yàn)結(jié)果顯示，彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度具有較好的一致性，同時(shí)我國(guó)規(guī)范采用了-10 ℃彎曲應(yīng)變作為低溫拉伸性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，而低溫拉伸性能也可表示為低溫條件下混合料的抗斷裂性能。綜合分析，推薦采用彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度綜合評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗斷裂性能。

(2)空隙率降低，混合料低溫抗裂性能顯著提高。-10 ℃低溫彎拉應(yīng)變作為規(guī)范規(guī)定的低溫抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》對(duì)比各試樣-10 ℃彎拉應(yīng)變，如圖10所示。各試樣低溫彎曲應(yīng)變均≥3 000 με，表明各混合料低溫抗裂性能均滿足規(guī)范對(duì)改性瀝青混合料技術(shù)要求。當(dāng)各級(jí)配混合料空隙率由4%降低至2.5%時(shí)，低溫彎拉應(yīng)變顯著提高，提高幅度分別為33.2%，23.9%和46.6%。這是由于降低空隙率提高了混合料的密實(shí)度，混合料顆粒間接觸點(diǎn)更多、接觸更加緊密，進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)時(shí)更難發(fā)生開(kāi)裂破壞。

圖10 各試樣-10 ℃小梁彎曲試驗(yàn)彎拉應(yīng)變Fig.10 Flexural tensile strain of each sample in trabecular bending test at -10 ℃

(3)結(jié)合選取的應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，隨著空隙率減小，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層混合料應(yīng)力吸收性能均得到改善，但隨溫度提升改善幅度顯著降低(如表9所示)。這是由于隨著空隙率的減小，不同級(jí)配瀝青用量及瀝青膜厚度均增加，瀝青膜厚度的增加促使混合料內(nèi)部黏聚力增大，混合料容許變形能力提高，使得各級(jí)配混合料彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度均增大。

表9 各混合料隨空隙率降低應(yīng)力吸收性能指標(biāo)提升對(duì)比Tab.9 Comparison of stress absorption performance indicators of different mixtures with decrease of air voids

比較不同溫度下各混合料隨空隙率降低應(yīng)力吸收指標(biāo)提升幅度，-10 ℃時(shí)，兩指標(biāo)提升幅度范圍為19.0%～46.6%，而15 ℃時(shí)提升幅度范圍僅為2.1%～6.7%。這是由于瀝青為溫度敏感性材料，溫度提升，瀝青延展性增強(qiáng)，混合料顆粒間可在較大應(yīng)變狀態(tài)下保持黏結(jié)，使得降低空隙率對(duì)其拉伸性能改善作用降低。

(4)10B-1級(jí)配混合料應(yīng)力吸收性能優(yōu)于其它兩組級(jí)配混合料。整體而言，10B-1級(jí)配混合料在-10 ℃ 及15 ℃條件下彎拉應(yīng)變及應(yīng)變能密度均大于其它兩組。這是由于10B-1級(jí)配2.36 mm，4.75 mm通過(guò)率顯著高于其它兩組，較高的細(xì)集料含量可有效愈合小梁試件加載初期的裂縫愈合，進(jìn)而表現(xiàn)出相對(duì)較高的應(yīng)力吸收性能參數(shù)。

2.3.2 SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)

按照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行各混合料SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)，各混合料進(jìn)行4個(gè)平行試驗(yàn)，測(cè)得斷裂能、柔性指數(shù)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果Tab.10 SCB crack propagation test result

分析可知：

(1)斷裂能與柔性指數(shù)在不同空隙率下的變化規(guī)律一致(圖11)，表明可采用斷裂能和柔性指數(shù)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂縫擴(kuò)展性能。斷裂能反映瀝青混合料裂縫擴(kuò)展直至完全展開(kāi)所需的能量，柔性指數(shù)是材料的固有屬性，表征抗裂縫擴(kuò)展的速率特性。柔性指數(shù)越大，裂縫完全擴(kuò)展所需的斷裂能越大。

圖11 SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)結(jié)果Fig.11 SCB crack propagation test result

(2)降低空隙率有利于提高混合料應(yīng)力吸收性能，且對(duì)級(jí)配較細(xì)混合料改善效果更加顯著。隨著空隙率的減小，斷裂能與柔性指數(shù)均增大。3種級(jí)配混合料斷裂能增長(zhǎng)幅度分別為：17.8%，11.0%和13.6%，柔性指數(shù)增長(zhǎng)幅度分別為：40.0%，4.4%和23.2%。其中10B-1級(jí)配混合料兩項(xiàng)指標(biāo)增長(zhǎng)幅度顯著高于其他組，表明提高級(jí)配較細(xì)型混合料密實(shí)度可顯著改善混合料應(yīng)力吸收性能。這是由于當(dāng)空隙率較大時(shí)，較細(xì)級(jí)配混合料顆粒隨荷載變形自由度較大。降低空隙率后，混合料更加密實(shí)，顆粒間空隙的減小有效抑制了裂縫的快速發(fā)展，表現(xiàn)為需要更高斷裂能達(dá)到裂縫完全擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。

2.3.3 相關(guān)性分析

作為應(yīng)力吸收性能的兩種評(píng)級(jí)方法，為探究?jī)煞N試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)參數(shù)對(duì)應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)的相關(guān)性，將SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)與小梁彎曲試驗(yàn)推薦參數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)不同級(jí)配在各參數(shù)下評(píng)價(jià)結(jié)果按大小順序進(jìn)行排序并匯總見(jiàn)表11(1最大，3最小)。

表11 小梁彎曲試驗(yàn)與SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Tab.11 Comparison of evaluation results between trabecular bending test and SCB crack propagation test

分析可知，同一試驗(yàn)不同評(píng)價(jià)參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，但不同評(píng)價(jià)試驗(yàn)之間評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大，部分甚至呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。表明小梁彎曲試驗(yàn)與SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)由于對(duì)應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)側(cè)重點(diǎn)不同，各評(píng)價(jià)參數(shù)間并不具有簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，進(jìn)行應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮應(yīng)力吸收性能在不同試驗(yàn)下的評(píng)價(jià)結(jié)果，應(yīng)對(duì)應(yīng)力吸收性能進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)。另外，評(píng)價(jià)結(jié)果的不一致，也進(jìn)一步表明了采用不同試驗(yàn)方法綜合評(píng)價(jià)應(yīng)力吸收性能在不同方面性能要求的必要性。

3 結(jié)論

選取2.5%，4.0%兩種典型設(shè)計(jì)空隙率，分別采用高溫車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)測(cè)試瀝青混合料高溫性能、水穩(wěn)定性；采用小梁彎曲試驗(yàn)與SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)綜合評(píng)價(jià)應(yīng)力吸收性能，得到如下結(jié)論：

(1)設(shè)計(jì)空隙率減小，混合料動(dòng)穩(wěn)定度變異性減小、混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降，但由于高溫穩(wěn)定性受級(jí)配影響較大，動(dòng)穩(wěn)定度降低幅度均在10%以內(nèi)。

(2)隨著設(shè)計(jì)空隙率的減小，浸水殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度比呈現(xiàn)不同程度的提高，混合料水穩(wěn)定性有所改善，但單一提高瀝青用量并不能顯著改善瀝青混合料水穩(wěn)定性。

(3)兩種應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)方法顯示，不同試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)結(jié)果并不具有一致性?？刹捎眯×簭澢囼?yàn)的彎拉應(yīng)變、應(yīng)變能密度與SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)的斷裂能、柔性指數(shù)綜合評(píng)價(jià)瀝青混合料應(yīng)力吸收性能。同時(shí)，建議對(duì)不同評(píng)價(jià)指標(biāo)的工程適用性作更深入的分析。

(4)小梁彎曲試驗(yàn)表明，隨著空隙率減小，混合料應(yīng)力吸收性能得到改善，但隨溫度升高改善幅度顯著降低。SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)表明，降低空隙率有利于提高混合料應(yīng)力吸收性能，且對(duì)級(jí)配較細(xì)混合料改善效果更加顯著。

(5)采用橡膠瀝青進(jìn)行攤鋪式應(yīng)力吸收層設(shè)計(jì)具有良好的應(yīng)用潛力，且當(dāng)設(shè)計(jì)空隙率控制在2.0%～3.0%水平時(shí)對(duì)應(yīng)力吸收層整體功能發(fā)揮最為有利。