防水抗裂功能層瀝青混合料的配合比設(shè)計優(yōu)化研究

于 露，魏 強(qiáng)，符 佳

（同濟(jì)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，上海200092）

我國西南地處溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，許多省市潮濕多雨且日溫差變化顯著。出于經(jīng)濟(jì)以及因地制宜等因素，當(dāng)?shù)卮蠖喙肥褂冒雱傂曰鶎訛r青路面結(jié)構(gòu)。自上世紀(jì)70年代末半剛性基層瀝青路面在我國應(yīng)用以來，據(jù)不完全統(tǒng)計，現(xiàn)90%以上高等級公路都是采用這種結(jié)構(gòu)［1－2］。它憑借較好的板體性能和較高的強(qiáng)度，有效增加了路面的承載能力，為面層提供支撐作用，但同時也具有實際使用壽命短、路表開裂嚴(yán)重等問題［3］。

常用的半剛性基層材料包括水泥穩(wěn)定粒料類、石灰穩(wěn)定粒料類和石灰、粉煤灰穩(wěn)定粒料類等。由于其材料本身的特性，對于溫度及濕度均非常敏感，因而在運營期間基層會產(chǎn)生無法避免的干縮和溫縮裂縫，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中并由下向上發(fā)展使瀝青面層開裂［4－5］。在行車荷載作用下，加之雨水充沛和日溫差顯著等不利氣候因素，西南高原地區(qū)瀝青路面的反射裂縫擴(kuò)展尤為迅速，如何控制反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展仍是道路工程界所面臨的一大難題。

工程實踐表明，僅僅依靠增加瀝青面層厚度來減小荷載應(yīng)力集中程度和層間剪應(yīng)力的方法將大幅度增加路面成本造價，并有可能加重車轍等其他病害［6］。為防止和延緩反射裂縫的發(fā)生和擴(kuò)展，針對西南地區(qū)的氣候特點，可以在面層和基層之間設(shè)置瀝青混凝土防水抗裂功能層，增加油石比，嚴(yán)格控制瀝青混合料的空隙率，使其具有防水防滲和吸收應(yīng)力的雙重作用。目前這一結(jié)構(gòu)層的概念還比較寬泛，常采用的材料包括 AC－10，SAMI，SMA－5，Strata以及大粒徑瀝青碎石（ATPB）等，雖然設(shè)計理念不同，但最核心的共同問題依然集中在如何確定礦料級配和油石比上。

1 體積設(shè)計法（CAVF）級配設(shè)計

體積設(shè)計法的程序是實際測量主骨架礦料間的空隙率，計算空隙的體積，然后列出方程，根據(jù)混合料設(shè)計空隙體積、瀝青體積和細(xì)集料體積的總和等于主骨架礦料間的空隙體積，可以計算出集料各組分用量與瀝青油石比。為了避免各檔不同集料之間的干涉，細(xì)集料顆粒不允許太大，這種級配和相似粒徑的連續(xù)密級配類型混合料相比，細(xì)集料用量會少一些［7－8］。使用此方法優(yōu)化設(shè)計的瀝青混合料級配，既能夠使骨料嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)，提高了穩(wěn)定性和強(qiáng)度，又在礦料間隙中充分填入了瀝青膠結(jié)料，從而使得瀝青混合料性能得到整體提高。

1.1 原材料的選擇

選擇SBS改性瀝青作為膠結(jié)料，瀝青性能如表1所示。

表1 SBS改性瀝青性能

選擇石灰?guī)r作為集料，篩分結(jié)果如表2所示。采用FAC－10富瀝青混合料級配。

表2 集料的篩分結(jié)果

1.2 材料體積參數(shù)測定

使用馬歇爾試件的模具作為緊裝密度測試桶，將馬歇爾模具和套筒安裝在一起，使用馬歇爾擊實儀正反面各擊實100次，得到粗集料的緊裝密度式中：m為2集料和模具、套筒的總質(zhì)量；m1為模具、套筒的質(zhì)量；V為模具的容量。經(jīng)測定

通過密度試驗得到，粗集料的表觀密度為2.64g／cm3，毛體積密度為2.60g／cm3，細(xì)集料的表觀密度為2.63g／cm3，礦粉的表觀密度為2.69g／cm3。

主骨架空隙率（%）為

式中，ρτc為粗集料的表觀密度。根據(jù)公式（1）計算可得，VCA＝36.7%。

考慮到防水抗裂功能層承擔(dān)著抗疲勞破壞、抗反射裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展、以及防水防滲等多重作用，又必須保持基本的路面強(qiáng)度，目標(biāo)空隙率定為2.0%。

1.3 各組分集料及級配確定

表3 體積設(shè)計法合成級配FAC－10

2 油石比下限確定方法

隨著油石比的不斷提高，瀝青混合料會出現(xiàn)一個最為密實的狀態(tài)，這時候瀝青混合料不但有足夠數(shù)量的粗集料形成骨架，還具有合理比例的細(xì)集料在骨架的空隙間填充，整個瀝青混合料密實度非常大，而且其力學(xué)性能及路用性能也表現(xiàn)較好。如果進(jìn)一步提高油石比，混合料中自由瀝青愈來愈多，粗骨料逐漸被瀝青撐開，礦料間隙率逐漸增大，從而緊密狀態(tài)也就被破壞了。最為緊密狀態(tài)下的骨架結(jié)構(gòu)，有利于分析混合料內(nèi)部空隙率大小及內(nèi)部顆粒狀態(tài)。將瀝青混合料最緊密狀態(tài)時油石比設(shè)為防水抗裂功能層的油石比下限值，使得混合料空隙率很小，對防水防滲和緩解應(yīng)力集中都起到良好的防治效果。

通過馬歇爾試驗，測得試件的礦料間隙率（VMA）或粗集料礦料間隙率（VCAMIX）或混合料的毛體積密度密度Gm等指標(biāo)，評價在不同油石比狀態(tài)下混合料緊密狀態(tài)的變化規(guī)律，確定瀝青混合料的最緊密狀態(tài)，并得到最佳油石比下限值ωmin。試驗結(jié)果如表4和圖1所示。

表4 馬歇爾試驗測試結(jié)果

式中，ω0為瀝青混合料油石比；Gb·ca為粗集料的毛體積密度；Pca為集料中粗集料的質(zhì)量百分比；m干，m表干，m水中為混合料馬歇爾試件的干重、表干重和水中重；ma，mf，mw為粗集料的干重、表干重和水中重；m粗，m細(xì)，m礦粉為粗集料、細(xì)集料和礦粉的質(zhì)量；ω1，ω2，ω3為毛體積密度最大值、混合料礦料間隙率和粗集料礦料間隙率的最小值。

由此可得，最佳油石比的下限ωmin＝（ω1＋ω2＋ω3）／3＝5.4%。

3 油石比上限確定方法

為了確定瀝青混合料有無多余的瀝青或瀝青瑪蹄脂，德國設(shè)計了謝倫堡瀝青析漏試驗，主要用于檢驗瀝青瑪蹄脂碎石混合料配合比。由于防水抗裂功能層采用了和SMA瀝青混合料相似的富瀝青間斷級配結(jié)構(gòu)，因而同樣可以使用此方法來避免瀝青混合料因瀝青含量過多而導(dǎo)致的運輸及施工困難。針對不同的油石比制作多組試件，進(jìn)行析漏試驗，可繪制出瀝青析漏情況與油石比的變化關(guān)系曲線，曲線拐點處所對應(yīng)的油石比可以作為瀝青混合料最佳油石比上限值ωmax。

采用JTGE 20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定的試驗方法，對不同油石比狀態(tài)下瀝青的析漏率進(jìn)行檢測。析漏試驗結(jié)果及其變化規(guī)律見表5和圖2。

表5 瀝青混合料析漏試驗結(jié)果 %

擬合析漏率隨油石比的變化趨勢，在擬合曲線的兩端作切線，兩條切線的交點即為曲線拐點，此時所對應(yīng)的油石比即可作為拐點油石比，也就是防水抗裂功能層瀝青混合料最佳油石比設(shè)計的上限。由圖2可知，析漏試驗確定的析漏拐點油石比為6.7%。

4 高溫車轍試驗及小梁彎拉試驗

高溫車轍試驗采用300mm×300mm的車轍試模，輪壓為0.7MPa的車轍試驗機(jī)，主要是防止防水抗裂功能層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性過差，以致路面整體強(qiáng)度不能承受行車荷載，從而導(dǎo)致較嚴(yán)重的永久變形破壞。尤其對于西南地區(qū)高速公路超載較為嚴(yán)重的情況，更應(yīng)該謹(jǐn)慎評估道路面層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。另一方面，由于防水抗裂功能層的層頂接觸應(yīng)力相較路表材料要小得多，而功能層較薄的結(jié)構(gòu)厚度也決定了其相對變形比起其他面層瀝青混合料對路面的整體變形影響要小得多，因而動穩(wěn)定度的技術(shù)要求也會相應(yīng)地降低一些。

試驗溫度一般為60℃，加載輪運行速度為42次／min。車轍試驗主要以以動穩(wěn)定度為技術(shù)指標(biāo)。為充分起到防水抗裂功能層的作用，應(yīng)適當(dāng)提高瀝青含量，但不應(yīng)超出高溫穩(wěn)定性的基本技術(shù)要求。針對防水抗裂功能層，針對不同油石比狀態(tài)下高溫穩(wěn)定性變化趨勢來確定瀝青混合料油石比的適用范圍。隨著油石比增加以及抗車轍性能的衰減，試件終會達(dá)到難以滿足性能要求的狀態(tài)。試驗結(jié)果如表6所示。

表6 高溫車轍試驗結(jié)果

根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，防水抗裂功能層瀝青混合料至少要滿足2 000次／mm以上的動穩(wěn)定度，整體路面的抗車轍表現(xiàn)才能控制得比較好。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合曲線插值，F(xiàn)AC－10的油石比最好控制在6.55%之內(nèi)。

瀝青混合料在小梁彎拉試驗中的性能表現(xiàn)，很大程度上決定了其抗裂性能和預(yù)防反射裂縫產(chǎn)生的效果。采用JTG E20－2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定的試驗方法成型標(biāo)準(zhǔn)小梁試件，對不同油石比狀態(tài)下的瀝青混合料進(jìn)行變形抗拉試驗。根據(jù)貴州等西南地區(qū)的氣候特點，即使冬天氣溫也較少降到0℃以下，因而選擇0℃作為試驗溫度，以便評價防水抗裂功能層材料在較低溫環(huán)境下的抗拉伸性能。試驗結(jié)果如表7所示。

表7 小梁彎拉試驗結(jié)果

根據(jù)西南地區(qū)工程設(shè)計材料參數(shù)特征和結(jié)構(gòu)類型，使用BISAR 3.0軟件，確定該防水抗裂功能層瀝青混合料的彎拉應(yīng)變以10 000為設(shè)計要求。根據(jù)數(shù)據(jù)擬合曲線插值，滿足設(shè)計要求時瀝青混合料對應(yīng)的油石比為6.24%，因而FAC－10的油石比應(yīng)控制在6.24%以上較好。

5 防水抗裂功能層油石比的確定

由上述設(shè)計方法可得出根據(jù)體積法設(shè)計的骨架嵌擠級配FAC－10，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)而得到最密實狀態(tài)時的油石比下限5.4%，依據(jù)析漏試驗結(jié)果得到油石比的上限6.7%，根據(jù)高溫車轍穩(wěn)定性試驗得到最大油石比為6.55%，根據(jù)小梁彎拉試驗得到最小油石比為6.24%。共同范圍如圖3所示。

由圖3可知，OAC1＝6.24%，OAC2＝6.55%，最佳油石比OAC＝（OAC1＋OAC2）／2＝6.4%。

6 結(jié)論

采用CAVF方法設(shè)計的集料級配可以更加合理有效的形成嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，有利于提高瀝青混合料的整體性能，提升礦料間瀝青的利用率，并且可以設(shè)定目標(biāo)空隙率來進(jìn)行各組礦料的分配，在一定程度上擺脫了經(jīng)驗設(shè)計法的限制。

通過試驗研究表明，瀝青混合料的毛體積密度、礦料間隙率、粗集料礦料間隙率都與油石比具有良好的相關(guān)性。當(dāng)混合料的毛體積密度達(dá)到最大值、礦料間隙率和粗集料礦料間隙率達(dá)到最小值時，集料處于最為緊密嵌擠狀態(tài)，此時防水抗裂功能層的油石比可以作為瀝青混合料油石比下限。

為了使防水抗裂功能層更好地起到防水防滲、預(yù)防反射裂縫的作用，需要適當(dāng)提高油石比以降低混合料模量，提升抗裂、抗疲勞性能。但如果瀝青含量過高，會給運輸、攤鋪、碾壓以及工程造價控制帶來較大困難，并且無法保證路面整體足夠的強(qiáng)度。采用析漏試驗確定的曲線拐點作為油石比上限值，能夠在保證施工和易性的前提下最大限度發(fā)揮防水抗裂功能層的作用。

使用此方法設(shè)計的防水抗裂功能層瀝青混合料兼具較好的高溫穩(wěn)定性能及低溫抗彎拉性能，確保了混合料的路用性能和施工條件可以達(dá)到技術(shù)要求，對防治反射裂縫和防止水損害起到良好的效果。為防治潮濕多雨、日溫差顯著地區(qū)高等級公路瀝青路面的反射裂縫病害提供了新的途徑，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

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