基于抗裂性能的瀝青混合料設(shè)計方法淺析

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室 陜西 西安 710064)

基于抗裂性能的瀝青混合料設(shè)計方法淺析

焦麗亞

(長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室 陜西 西安 710064)

我國現(xiàn)行瀝青混合料配合比設(shè)計方法以馬歇爾法最為廣泛，本文在馬歇爾方法的基礎(chǔ)上，在設(shè)計時加入表征抗裂性能的指標(biāo)。而我國規(guī)范并沒有表征抗反射裂縫性能的指標(biāo)，研究人員提出了多個表征抗裂性能的指標(biāo)，如沖擊韌性、應(yīng)力衰減率等，各有其優(yōu)缺，為避免一個指標(biāo)難以很好地表征抗裂性能，選擇兩個指標(biāo)同時表征抗裂性能，相互比較以到達更好的效果。

瀝青混合料；配合比設(shè)計；抗反射裂縫

一、瀝青混合料設(shè)計方法概述

目前國內(nèi)外瀝青混合料的設(shè)計方法有兩大類：體積設(shè)計法和GTM法^([1])。體積設(shè)計法根據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)的不同分為兩種：一是用油量標(biāo)準(zhǔn)，求得與所選礦料剛好相適應(yīng)的瀝青用量即為最佳瀝青用量，以現(xiàn)行的馬歇爾法為代表。二是空隙率標(biāo)準(zhǔn)，以美國的Superpave設(shè)計方法為代表，求得滿足空隙率要求和礦料間隙率要求的用油量為最佳瀝青含量，該法更注重混合料整體上的結(jié)構(gòu)特性。

馬歇爾設(shè)計法的基本原理是體積設(shè)計法，即在分析研究瀝青混合料性能時，以瀝青結(jié)合料與集料成分的體積比例作為計算依據(jù)，最終要達到的主要指標(biāo)也是體積指標(biāo)。由于馬歇爾法所采用的設(shè)備價格低廉、便于攜帶，在我國應(yīng)用廣泛。但這個帶有經(jīng)驗性的方法有一定的局限性^([2])，如沒有加入路用性能的指標(biāo)，或考慮體積指標(biāo)與路用性能之間的關(guān)系。

Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計成果在某種程度上預(yù)測了瀝青路面的使用性能，因此同傳統(tǒng)的馬歇爾法相比有了很大的進步。但該法由于需要昂貴的設(shè)備和大量的氣象資料，而且試驗工作量又很大，試驗比較復(fù)雜，一定程度上限制了該技術(shù)的推廣，目前只使用于研究單位。而且，它所考慮的路用性能也僅限于常規(guī)的路用性能，沒有考慮抗反射裂縫性能。

GTM是指美國工程兵團旋轉(zhuǎn)壓實機，GTM法通過混合料達被旋轉(zhuǎn)壓實到平衡狀態(tài)時的各項參數(shù)來確定路面混合料的設(shè)計密度和最佳瀝青用量。因此，GTM法具有較高的抗車轍能力，適用于對抗高溫變形要求較高的重載道路。 但由于設(shè)備昂貴，試驗復(fù)雜，目前在中國也僅限于研究。

目前國內(nèi)在設(shè)計防治裂縫的瀝青混合料方面還沒有系統(tǒng)的研究，也沒有相關(guān)的規(guī)范和試驗規(guī)程，現(xiàn)行的級配設(shè)計方法即使有考慮路用性能，但均沒有涉及通過調(diào)整級配及油石比等來提高抗裂性能，提高抗反射裂縫的性能還主要是通過設(shè)置應(yīng)力吸收層。

二、抗裂性能評價指標(biāo)

(一)斷裂韌性

Rice于1968年提出了J積分理論，Mull等^([3])采用預(yù)切縫的半圓彎拉試驗對瀝青混合料的抗裂性能進行了研究。J積分理論可以避開分析裂紋尖端附近復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變場，物理意義明確，可以有效的評價瀝青混合料的抗裂性能，斷裂韌度J_c可以很方便的預(yù)切縫的半圓彎拉試驗直接獲得。研究人員采用基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的有限元方法進行數(shù)值模擬^([4])，能較為真實的反映瀝青混合料本身的不均勻性，在細(xì)觀尺度上反映材料組成特性對斷裂韌度J_c的影響，就可以從細(xì)觀的角度考慮如何改善瀝青混合料的抗裂能力。

采用斷裂韌性J_c作為評價瀝青混合料抗裂性能的有效指標(biāo)，試驗裝置簡單，成本低廉，試件的制作方便，既可以旋轉(zhuǎn)壓實或者馬歇爾制件，也可以直接從現(xiàn)場鉆芯獲得半圓彎拉試件。而且以斷裂韌性J_c作為指標(biāo)，符合瀝青混合料流體力學(xué)特性，能很好地表征抗反射裂縫性能。

(二)沖擊韌性

有人提出用沖擊韌性作為抗裂性能的評價指標(biāo)。車輪荷載作用在混凝土路面裂縫相應(yīng)位置的時間非常短，作用力比較大，具有明顯的沖擊荷載的特征。因此，如果能夠測定出瀝青混凝土試件在高速荷載作用下發(fā)生斷裂的荷載變形曲線，則該曲線下的面積就代表材料發(fā)生斷裂所需要的能量，并可以形式地將其稱為沖擊韌性^([5])。顯然，沖擊韌性值越大，材料抵抗反射裂縫的能力越強，通過室內(nèi)試驗驗證，沖擊韌性與疲勞壽命的相關(guān)性很好，而且沖擊韌性的試驗裝置十分簡單，采用靜力壓力機即可。

(三)OT試驗應(yīng)力損失率或循環(huán)次數(shù)

美國提出Overlay test試驗檢測瀝青混合料抗裂性能。Overlay Tester (OT)是由Ly lion等^[6]在20世紀(jì)70年代設(shè)計的，用來模擬裂縫的張開與閉合的試驗方法，而這兩個行為正是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生和擴展的動力。后來，F(xiàn)ujie Zhou 等^([7])將其改進，用來作為預(yù)測和評價瀝青面混合料的抗裂性能的簡便的試驗方法。該方法目前主要應(yīng)用在美國，由美國德克薩斯州交通委員會制定了試驗標(biāo)準(zhǔn)，近年來在全世界范圍內(nèi)逐步推廣。OT試驗以達到93%應(yīng)力損失率時的循環(huán)次數(shù)或1200循環(huán)后的應(yīng)力損失率作為指標(biāo)，試驗方便，但是若以達到93%應(yīng)力損失率時的循環(huán)次數(shù)為指標(biāo)，同組的測試結(jié)果變異性較大，而以1200循環(huán)后的應(yīng)力損失率為指標(biāo)測定不同級配的抗裂性能，不同組的測試結(jié)果變化很小，而且試驗耗時太長。

三、基于抗裂性能的瀝青混合料設(shè)計方法簡述

瀝青混合料馬歇爾方法由于其設(shè)備廉價、試驗簡單，在我國應(yīng)用廣泛，而且我國現(xiàn)行規(guī)范瀝青混合料設(shè)計方法也是馬歇爾法。綜合上述情況，應(yīng)考慮在馬歇爾法的基礎(chǔ)上加以改進，以突出其抗裂性能。馬歇爾設(shè)計法的指標(biāo)是基于體積法的，和路用性能相關(guān)性較差，和抗反射裂縫性能更是相關(guān)甚少。所以為了設(shè)計出抗裂性能好的瀝青混合料，需要選出抗裂性能的級配和最佳瀝青用量。基于上述思路，提出改進的設(shè)計方法的基本思路：(1)控制控制篩孔的通過率及空隙率，以彈性模量及其他體積參數(shù)篩選出抗裂性能最好的一個或兩個級配；(2)在馬歇爾試驗中加入應(yīng)力衰減率(循環(huán)次數(shù))和沖擊韌性或應(yīng)力衰減率(循環(huán)次數(shù))和斷裂韌性作為評價抗裂性能的指標(biāo)，從而確定最佳油石比。

[1]薛小剛. 瀝青混合料級配優(yōu)化及配合比設(shè)計方法研究[M]. 西安:長安大學(xué)，2005.

[2]吳超凡,童光明.對馬歇爾設(shè)計方法與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的幾點看法[J].湖南交通科技，2003,29(3):1-3.

[3]Mull M,K Stuart,A Yehia.Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement[J].Journal of Materials Science, 2002,37:557-566.

[4]劉宇，張肖寧，王端宜.瀝青混合料裂紋擴展階段的疲勞壽命預(yù)測[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008,36(2):41-47.

[5]張肖寧，鄒桂蓮，賀志勇. 瀝青混合料抵抗反射裂縫能力的評價方法研究[J]華南理工大學(xué)學(xué)報，2001, 29 (7)

[6]Germann F P, Lytton R L. Methodology for predicting the reflective cracking life of asphalt concrete overlays[R].Texas:Texas A&M University, 1979.

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焦麗亞(1992-)，女，長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，研究生。