袁盛杰，廖亞雄，魏 威

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

半剛性基層瀝青路面在低溫條件下，經(jīng)重載反復(fù)作用會形成疲勞裂縫[1]，并且是當(dāng)下重載車載增多的趨勢下表現(xiàn)出的主要破壞形式之一，不利于當(dāng)下長壽命道路的發(fā)展理念。而開裂的起始點往往在基層，應(yīng)用柔性基層解決半剛性基層瀝青路面是有效的解決方法之一，因此必須保證柔性基層具有良好的低溫抗裂性能，以發(fā)揮其優(yōu)勢[2]。而不同的成型方法對柔性基層路用性能的影響也不同，對此研究者在不同成型方法之下均做過一些體積參數(shù)與路用性能的比較。劉海龍[3]研究了旋轉(zhuǎn)壓實法下柔性基層的路用性能，發(fā)現(xiàn)基于力學(xué)原理的方法優(yōu)于馬歇爾方法。賈立萍等[4]在北楊公路大中修過程中采用旋轉(zhuǎn)壓實法進(jìn)行柔性基層的設(shè)計，發(fā)現(xiàn)試件的體積參數(shù)雖然與現(xiàn)有規(guī)范有出入，但室內(nèi)試驗與實踐均表現(xiàn)出了良好的使用效果。王建華[5]研究了常用柔性基層的低溫抗裂性，發(fā)現(xiàn)ATB-30要優(yōu)于ATB-25，并以馬歇爾設(shè)計配合比，再用旋轉(zhuǎn)壓實法成型性能最佳。鑒于此，依托G215線馬鬃山至橋灣公路工程MQCKS-1標(biāo)段對ATB-30柔性基層基于抗裂性能研究成型方法的適用性。

1 原材料

(1)瀝青

試驗用瀝青為A級70號瀝青，產(chǎn)自新疆克拉瑪，其技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 A級70#瀝青技術(shù)性質(zhì)

(2)粗集料

試驗用粗集料為石灰?guī)r碎石，機(jī)制砂為試驗用細(xì)集料，礦粉為石灰?guī)r礦粉，技術(shù)符合規(guī)范要求。

(3)級配

表2 ATB-30瀝青混合料級配各檔篩孔通過率

2 試驗方案

2.1 成型方法

為了能評價成型方法的適用性，所有成型的試件尺寸均為φ150 mm×h100 mm，分別采用馬歇爾擊實法、振動壓實法與GTM法成型試件。

(1)馬歇爾擊實法

馬歇爾擊實法是世界上使用時間最長、范圍最廣的方法，20世紀(jì)40年代發(fā)明，可根據(jù)擊實次數(shù)的調(diào)整適應(yīng)不同的交通軸載水平。但是在使用中會存在試驗結(jié)果變異系數(shù)大、不穩(wěn)定的情況，會與實際情況有差距。對此，鄭求才等[6]研究了柔性基層的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾與大馬歇爾試件的影響，并根據(jù)不同試件尺寸提出了在設(shè)計與應(yīng)用方面的指導(dǎo)意見。馬歇爾擊實法采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E-20—2011)中的大型馬歇爾試件制作方法進(jìn)行，錘重為10.21 kg，擊實次數(shù)為112次。

(2)振動擊實法

振動擊實法最早在歐洲使用，國內(nèi)外對此有著較多的研究。解曉光等[7]研究指出當(dāng)混合料中4.75 mm篩孔的通過率若大于40%～50%，馬歇爾擊實法成型試件的體積參數(shù)與振動擊實成型基本一致；隨著4.75 mm篩孔通過率的減少，馬歇爾擊實法會呈現(xiàn)出顆粒破碎量增大，而振動擊實法不會；當(dāng)4.75 mm篩孔通過率低于35%時，振動擊實法可以使顆粒排列更加密集，馬歇爾穩(wěn)定度和抗裂性能顯著提高。沙愛民[8-9]研究指出，對于大粒徑碎石瀝青混合料不宜采用馬歇爾擊實法成型試件，易造成集料破碎，尤其是在公稱最大粒徑附近的集料破碎情況嚴(yán)重，以致改變原有的級配組成影響混合料性質(zhì)。王天林[10]采用振動擊實法對ATB-30的力學(xué)性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)該方法下室內(nèi)試驗與現(xiàn)場芯樣跟接近。在規(guī)范振動成型方法的基礎(chǔ)上已有研究采用了與實際跟相符的垂直振動成型方法[11]，根據(jù)已有研究成果，垂直振動成型方法的參數(shù)采用上車系統(tǒng)重量108 kg，下車系統(tǒng)質(zhì)量167 kg，使用質(zhì)量更符合ATB-30瀝青混合料的成型。振動頻率為38 Hz，名義振幅調(diào)為1.2。

(3)旋轉(zhuǎn)壓實法

旋轉(zhuǎn)壓實儀(Gyratory Testing Machine，簡稱GTM)在1960年左右由美國Army Corps of Engineers最先發(fā)明，用于道路材料試驗。隨后美國空軍發(fā)現(xiàn)重型飛行設(shè)備對機(jī)場道路的損害尤為嚴(yán)重，為了解決這個問題，組織道路相關(guān)學(xué)者對GTM進(jìn)一步深入開發(fā)研究，研究成果經(jīng)整理成為現(xiàn)路面材料的旋轉(zhuǎn)壓實設(shè)計法。GTM較為真實地還原了輪載對路面的作用效果，它將壓實與剪切兩種作用方式用一臺機(jī)器來模擬且結(jié)合良好，能再現(xiàn)柔性路面在荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)，將輪載碾壓路面時輪胎與道路的作用效果最大程度地還原，室內(nèi)試驗與現(xiàn)場實際施工、壓實都比較接近，經(jīng)旋轉(zhuǎn)壓實后，瀝青混合料的試件密度與車輛輪胎作用于路面后的密實度有著高度的一致性。由GTM法的設(shè)計理念可以知道，它的目標(biāo)是防治瀝青混合料產(chǎn)生較大的累計變形，先分析混合料的力學(xué)特性再設(shè)計混合料的配比，與傳統(tǒng)經(jīng)驗法相比更加合理[12]。旋轉(zhuǎn)壓實法試驗壓強(qiáng)采用我國標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7 MPa，試驗參數(shù)參考已有研究[13]，應(yīng)變比取1.05，抗剪安全系數(shù)大于1.0。

不同成型方法下馬歇爾試驗結(jié)果見表3。

表3 不同成型方法下馬歇爾試驗結(jié)果

2.2 SCB試驗方法

瀝青路面的開裂多數(shù)是由于疲勞開裂引起，隨著軸載作用次數(shù)的增加與損傷的加劇，超過一定界限會導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，因此抗裂性能在一定程度上決定道路的使用壽命。對于抗裂性能的評價方法有很多，尤其以斷裂學(xué)評價方法最符合實際。半圓彎曲試驗(SCB試驗)操作簡單，試件來源廣泛，重復(fù)性好，是近年來評價瀝青混合料開裂性能的主要方法[14]。根據(jù)斷裂力學(xué)理論進(jìn)行SCB試驗后進(jìn)行抗裂性能研究，試驗在-10 ℃進(jìn)行，試件底部支撐點間距取120 mm，加載速率為5 mm/min，采用具有伺服機(jī)制的UTM試驗機(jī)開展試驗。SCB抗拉強(qiáng)度計算公式如下

(1)

式中：P為極限荷載，N；t為試件厚度，mm，一般選為50。

2.3 抗裂性能評價

對于抗裂性能的評價方法有很多，尤其以斷裂學(xué)評價方法最符合實際[15]，以線彈性斷裂力學(xué)的方法，采用應(yīng)力強(qiáng)度因子與能量釋放率來評價柔性基層的抗裂性能。

(1)應(yīng)力強(qiáng)度因子

應(yīng)力強(qiáng)度因子是反映裂縫尖端應(yīng)力場強(qiáng)弱的物理量，它與應(yīng)力、裂縫位置和尺寸等因素有關(guān)。隨著裂縫寬度不斷增大或者應(yīng)力逐漸增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子也逐漸增大。研究表明，當(dāng)K增大到某一臨界值KIC時，裂縫就會發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，KIC稱為斷裂韌度。對于瀝青混合料而言，計算見公式(2)

(2)

式中：R、t分別為試件的半徑與厚度，厚度取50 mm；a為試件的破壞時的有效裂縫長度；P為試件的破壞荷載；Y是形狀參數(shù)。

(2)能量釋放率

能量釋放率按照美國AASHTO TP105-2015中的計算方法進(jìn)行，由公式(3)計算

(3)

式中：W為試件破壞過程中釋放的能量，J；A為試件破壞時的裂縫擴(kuò)展面積，mm2。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 SCB試驗結(jié)果

不同成型方法下的SCB試驗結(jié)果見表4，歸一化數(shù)值分析見表5。

表4 不同成型方法-10 ℃下SCB試驗結(jié)果

表5 不同成型方法-10 ℃下 SCB試驗結(jié)果歸一化分析

瀝青混合料試件在-10 ℃下表現(xiàn)為線彈性材料，破壞形式為脆性斷裂；由表4、5可知，振動擊實法與旋轉(zhuǎn)壓實法的試件破壞荷載、強(qiáng)度更高，位移更大，破壞荷載分別比馬歇爾擊實法提高9%、5%，強(qiáng)度提高38%、50%，位移提高6%，31%，說明后兩種成型方法比馬歇爾擊實法更符合實際，集料在成型過程中的排列與結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

3.2 抗裂性能

不同成型方法下的SCB試驗結(jié)果見表6，歸一化數(shù)值分析見表7。

表6 不同成型方法下-10 ℃瀝青混合料抗裂性能

表7 不同成型方法下-10 ℃瀝青混合料抗裂性能歸一化分析

由表6、7可知，振動擊實法與旋轉(zhuǎn)壓實法成型的試件抗裂性能均優(yōu)于馬歇爾擊實法，印證了瀝青混合料的抗裂性能會隨著孔隙率的增大而降低[16]。而旋轉(zhuǎn)壓實法的斷裂韌度與能量釋放率分別高于振動擊實法13%、12%，這是因為改良振動法的擊實原理是基于低振幅的持續(xù)作用來改變集料的排列方式，無法模擬壓實過程中的碾壓行為，而旋轉(zhuǎn)壓實法的搓揉作用與實際路面成型更相符。

3.3 路用性能

因低溫抗裂性在前文已進(jìn)行評價，對ATB-30瀝青混合料在3種成型方法下路用性能評價只考察高溫性能與水穩(wěn)定性能，高溫性能采用車轍試驗，成型10 cm厚車轍板；水穩(wěn)定性采用浸水殘留穩(wěn)定度，抗?jié)B性采用滲水試驗，試驗結(jié)果見表8，歸一化數(shù)值分析見表9。

表8 不同成型方法下的路用性能

由表8、9可知，路用性能方面，振動擊實法與旋轉(zhuǎn)壓實法均優(yōu)于馬歇爾擊實法，相比于馬歇爾法高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性與抗?jié)B性分別提升了31%、24%、1.4%、51.6%，說明旋轉(zhuǎn)壓實法用于柔性基層有著優(yōu)良的路用性能，并且比另2種方法有著更好的抗裂性能。

表9 不同成型方法下的路用性能歸一化分析

4 結(jié) 語

(1)采用馬歇爾擊實法、振動擊實法、旋轉(zhuǎn)壓實法研究ATB-30柔性基層的抗裂性，以線彈性斷裂力學(xué)的方法，采用應(yīng)力強(qiáng)度因子與能量釋放率來評價柔性基層的抗裂性能。

(2)SCB試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動擊實法與旋轉(zhuǎn)壓實法成型的試件抗裂性能均優(yōu)于馬歇爾擊實法，而旋轉(zhuǎn)壓實法的抗裂性能可比振動擊實法提高至少12%，原因在于旋轉(zhuǎn)壓實法的搓揉作用與實際路面成型更相符。

(3)根據(jù)其他路用性能檢驗，旋轉(zhuǎn)壓實法用于柔性基層有著優(yōu)良的路用性能，并且比馬歇爾擊實法、振動擊實法有著更好的抗裂性能。與馬歇爾擊實法相比，高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性與抗?jié)B性分別提升了31%、24%、1.4%、51.6%。