基于礦料級配的瀝青路面低溫抗裂性優(yōu)化

韓 彰， 何沛祥

(1.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009;2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系，安徽合肥 230051)

0 引 言

瀝青路面的主要性質(zhì)包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性等。在不同地區(qū)，對各性質(zhì)的要求程度不一。在溫度較高的區(qū)域，車轍現(xiàn)象發(fā)生比較頻繁，所以高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料設(shè)計的首要考慮因素;而在溫度較低的地區(qū)，低溫抗裂性能需要予以關(guān)注[1]，以避免裂縫的大量產(chǎn)生。

位于面層的瀝青混合料結(jié)構(gòu)層，直接受到氣溫變化的影響。當(dāng)溫度下降時，瀝青混合料會產(chǎn)生收縮變形，由于瀝青路面無收縮縫，這種變形會受到基層對路面的摩阻力和路面無限連續(xù)板塊體對收縮變形的約束作用，使瀝青面層內(nèi)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

另一方面，瀝青混合料具有應(yīng)力松弛性能，當(dāng)給瀝青混凝土一定的應(yīng)變時，由此產(chǎn)生的應(yīng)力會隨著時間的延長而松弛，在一般溫度范圍內(nèi)，由溫度降低而產(chǎn)生的拉應(yīng)力，會由于應(yīng)力松弛特性而減小，不會達(dá)到開裂應(yīng)力強度。

瀝青混合料路面的低溫開裂就是溫度應(yīng)力和應(yīng)力松弛性能之間關(guān)系的問題[2]。

當(dāng)瀝青混合料的應(yīng)力松弛能力下降幅度較大，材料的抗拉強度小于溫度應(yīng)力，就會導(dǎo)致開裂;當(dāng)瀝青混合料的應(yīng)力松弛性能下降幅度較小，能夠保證材料的抗拉強度大于溫度應(yīng)力，就不會發(fā)生開裂。

瀝青混合料的低溫開裂主要有2種形式:

(1)由于氣溫驟降造成材料低溫收縮。當(dāng)溫度驟降時，混合料的應(yīng)力松弛性能滯后，溫度下降產(chǎn)生的應(yīng)力超過了材料的極限抗拉強度從而產(chǎn)生裂縫。

(2)低溫收縮疲勞裂縫。瀝青混合料經(jīng)受長期多次溫度循環(huán)后，其極限拉伸應(yīng)變減小，而瀝青的老化使勁度提高，應(yīng)變松弛性能降低，所以即使當(dāng)溫度應(yīng)力小于其相應(yīng)溫度原始抗拉強度時也會產(chǎn)生開裂，即溫度疲勞裂縫可能會在比一次性降溫開裂溫度高的溫度下開裂。

瀝青混合料的低溫變形能力在很大程度上取決于瀝青材料的性質(zhì)、瀝青與礦料的黏結(jié)強度、級配類型以及瀝青混合料的均勻性。在上述諸多因素中，本文重點闡述礦料級配對瀝青混合料低溫抗裂性的影響。

1 試驗設(shè)計方案及級配組成

目前，我國的瀝青混合料設(shè)計方法以Marshell法[3，4]為主導(dǎo)，Superpave法[3，4]和GTM法[3，4]由于設(shè)備昂貴等原因，暫未得到推廣。

Marshell法是一種體積設(shè)計方法，通過對瀝青混合料的密度、空隙率、穩(wěn)定性和流值等指標(biāo)的綜合分析，來確定最佳瀝青用量[5]。該設(shè)計方法主要適用于連續(xù)型密級配瀝青混合料設(shè)計，礦料級配區(qū)間由經(jīng)驗值確定。

該經(jīng)驗值給定了一個由級配上限和下限構(gòu)成的區(qū)間。一般隨著道路等級、氣候條件等外界因素的不同，礦料級配會出現(xiàn)靠近級配上限、中值以及下限3種情況。

本文試驗部分的礦料級配采用M arshell法配制，試驗擬采用AC-5、AC-10、AC-13 3種礦料級配[6]，以及各自的級配設(shè)計曲線靠近級配上限、級配中值以及級配下限進(jìn)行研究。其中，級配曲線靠近上限采用S表示，靠近中值采用Z表示，靠近下限采用X表示。

通過調(diào)整每種混合料級配曲線的位置，形成了9種級配組成，AC-5、AC-10、AC-13設(shè)計級配曲線如圖1所示。

圖1 AC-5、AC-10、AC-13設(shè)計級配曲線

2 瀝青混合料低溫抗裂性的測定方法

瀝青混合料的低溫開裂主要是由于外部荷載以及環(huán)境溫度的改變，導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于混合料自身抗拉強度造成的。環(huán)境溫度變化的幅度和頻率不同，會導(dǎo)致混合料不同的裂縫形式，如低溫收縮裂縫、低溫荷載裂縫等[6]。相應(yīng)的評價低溫抗裂性的試驗方法包括低溫線收縮系數(shù)、低溫彎曲蠕變以及約束試件的溫度應(yīng)力試驗等[7]，每種試驗方法都有其針對性。

瀝青路面溫度下降時的收縮受到基層及周圍的約束，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力以及拉應(yīng)變，由此導(dǎo)致路面開裂，所以收縮性能是瀝青混合料最基本的性能之一[8]。本次試驗采用低溫線收縮系數(shù)試驗方法正是基于收縮性能而制定的。試驗研究重點是溫度下降時，瀝青面層內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力的大小，對于外部荷載的影響因素沒有過多考慮。試驗測定的數(shù)據(jù)為平均線收縮系數(shù)。

瀝青混合料面層溫度應(yīng)力的計算公式為:

其中，σ1為溫度應(yīng)力;E為松弛模量;θ為溫度差; μ為泊松比;α為瀝青混合料的線收縮系數(shù)。

由(1)式[9]可以發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料溫度應(yīng)力與線收縮系數(shù)成正比，線收縮系數(shù)越大，溫度應(yīng)力也越大，瀝青混合料產(chǎn)生裂縫的可能性也就越大。

3 級配對瀝青混合料低溫抗裂的影響

3.1 礦料級配對低溫抗裂性能的影響

AC-5、AC-10及AC-13瀝青混合料級配與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 AC-5、AC-10、AC-13型瀝青混合料3種級配與線收縮系數(shù)之間的關(guān)系

從圖2a可知，AC-5型瀝青混合料3種設(shè)計級配曲線的線收縮系數(shù)均隨著φ瀝青的增加而增大;AC-5X型瀝青混合料與AC-5S型和AC-5Z型相比，在各種φ瀝青情況下，均能夠保持較小的線收縮系數(shù)，因此，對于AC-5型瀝青混合料，AC-5X型瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

從圖2b可知，AC-10型瀝青混合料3種設(shè)計級配曲線的線收縮系數(shù)均隨著φ瀝青的增加而增大;在φ瀝青＜6.7%時，AC-10S型瀝青混合料具有最小的線收縮系數(shù)。正常情況下，為保證工程的經(jīng)濟(jì)性，φ瀝青一般控制在6.7%以下，因此，對于AC-10型瀝青混合料，AC-10S型瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

從圖2c可知，AC-13型瀝青混合料3種設(shè)計級配曲線的線收縮系數(shù)隨著φ瀝青的增加均出現(xiàn)峰值;AC-13Z型瀝青混合料在φ瀝青＜5%階段，其線收縮系數(shù)明顯低于AC-13S型和AC-13X型;在φ瀝青＞5%階段，其線收縮系數(shù)與AC-13X接近，均遠(yuǎn)小于AC-13S型;AC-13Z型瀝青混合料線收縮系數(shù)變化較均衡，無較大突變。因此，對于AC-13型瀝青混合料，AC-13Z型瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

3.2 基于低溫抗裂性的礦料級配優(yōu)選

由上述討論可知，AC-5X、AC-10S及AC-13Z型瀝青混合料具有較好的低溫抗裂性能。將這3種級配類型進(jìn)行縱向比較，選出低溫抗裂性最優(yōu)良的瀝青混合料，縱向優(yōu)化圖如圖3所示。

由圖3可知:

圖3 礦料級配對低溫抗裂性影響的縱向優(yōu)化圖

(1)3種級配類型的瀝青混合料線收縮系數(shù)均隨著φ瀝青的增加而增大。

(2)在φ瀝青＜6.7%時，AC-10S相對于其它2種瀝青混合料具有較小的線收縮系數(shù)，從而保證其具有良好的低溫抗裂性能。

(3)AC-5型瀝青混合料瀝青用量是3種混合料中最大的，這就使其溫縮系數(shù)較大，加大了開裂出現(xiàn)的可能性。此外，由于AC-5型瀝青混合料結(jié)構(gòu)比較密實，內(nèi)部空隙偏少，應(yīng)力松弛極限溫度上升，增大了溫度應(yīng)力，提高了開裂的可能性。而AC-13型瀝青混合料與AC-10型相比，粒徑差距較大，離析現(xiàn)象更明顯，使結(jié)構(gòu)均勻性下降，導(dǎo)致混合料抗裂性較差。

通過對AC-5、AC-10與AC-13 3種類型9種級配曲線的的綜合比較，可以判定AC-10S型瀝青混合料具有最好的低溫抗裂性能。

3.3 原因分析

影響瀝青混合料低溫抗裂性能的2個主要因素是收縮特性和溫度應(yīng)力松弛能力。

AC-10型相對于AC-5型而言，公稱粒徑較大，礦料在瀝青混合料中所占體積分?jǐn)?shù)較大，瀝青體積分?jǐn)?shù)相對偏小。由于礦料的線收縮系數(shù)大約比瀝青低2個數(shù)量級，在溫度變化時，礦料變形率遠(yuǎn)小于瀝青。從該角度分析，較大的公稱粒徑有助于降低混合料收縮性、提高抗裂性。但瀝青體積分?jǐn)?shù)的降低會減弱混合料的應(yīng)力松弛能力，降低混合料抗拉應(yīng)力，增加開裂幾率。試驗數(shù)據(jù)也證明AC-10抗裂能力優(yōu)于AC-13。

而AC-10S的低溫抗裂性優(yōu)于AC-10Z、AC-10X，表明在礦料級配大致相等的條件下，略微提高瀝青體積分?jǐn)?shù)，有助于提高混合料的抗裂性。

4 結(jié)束語

瀝青混合料是一種復(fù)合材料，單方面提高某一種特性，比如提高瀝青體積分?jǐn)?shù)或者增大公稱粒徑，對材料的低溫抗裂性均不利。本次試驗結(jié)果表明，在礦料級配居中的條件下，適當(dāng)提高瀝青體積分?jǐn)?shù)，有助于混合料低溫抗裂性的提升。

[1] 郝培文，張登良.瀝青混合料低溫抗裂性能評價指標(biāo)[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報，2000，20(3):1-5.

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