瀝青穩(wěn)定碎石（ATB）柔性基層低溫抗裂性能研究

王建華

（山西路橋集團(tuán)國際交通建設(shè)工程有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青路面基層開裂是瀝青路面早期病害形式之一，在低溫條件溫度應(yīng)力的作用下基層產(chǎn)生裂縫，經(jīng)過凍融循環(huán)作用基層承載力大幅降低，裂縫反射到瀝青面層，在重載作用下導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生坑槽、塌陷等破壞現(xiàn)象。半剛性基層由于水泥、石灰的劑量、溫縮及干縮作用極易產(chǎn)生裂縫，而ATB柔性基層可彌補(bǔ)半剛性基層易產(chǎn)生早期病害的不足，且在道路改建工程中原破損路面的面層及基層材料可被全部利用[1-2]，ATB柔性基層與瀝青路面面層形成全厚式路面結(jié)構(gòu)，同半剛性基層相比養(yǎng)護(hù)周期大幅縮短，可提早開放交通[3-4]。

本文結(jié)合合肥某公路改建工程，其路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為：20 cm水泥穩(wěn)定砂礫+16 cm水泥穩(wěn)定碎石+16 cm水泥穩(wěn)定碎石+10 cm瀝青穩(wěn)定碎石（ATB-30/ATB-25）+6 cm AC-20+4 cm AC-13，交通等級為重交通，中型以上貨車及大客車交通量為4 000～10 000輛/日，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究ATB柔性基層在不同設(shè)計(jì)方法、成型方法下的低溫抗裂性能。

1 原材料試驗(yàn)和級配選擇

1.1 原材料試驗(yàn)

本研究采用合肥寶盈石化廠生產(chǎn)的70號A級道路石油瀝青，瀝青各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1；碎石采用廬江某石料廠石灰?guī)r，壓碎值為20.5%，最大粒徑為37.5 mm；砂采用機(jī)制砂，由5～10 mm碎石再次粉碎而得到；礦粉為強(qiáng)基性巖石經(jīng)過磨細(xì)處理所得，礦粉的表觀密度為2.68 g/cm3，其加熱安定性、含水量等指標(biāo)均符合規(guī)范要求，集料及礦粉密度見表2、表3所示。

表1 合肥寶盈70號瀝青試驗(yàn)結(jié)果

表2 粗集料密度表

表3 細(xì)集料及礦粉密度表

1.2 礦料級配

本試驗(yàn)選用兩種典型級配類型ATB-30、ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石進(jìn)行對比，其級配范圍及實(shí)際級配見表4，ATB-30、ATB-25級配曲線如圖1所示。由圖可知，ATB-30屬于特粗粒式混合料類型，ATB-25屬于粗粒式混合料類型，級配中含有較多的粗集料，應(yīng)用于基層可以起到骨架承重作用。其中ATB-30 的礦料級 配組成為：20～40 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶礦粉 =34∶19∶14∶30∶3；ATB-25 的礦料級配組成為：10～30 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶礦粉 =30∶22∶20∶25∶3。

表4 ATB-30、ATB-25級配范圍及實(shí)際級配

圖1 ATB-30、ATB-25級配曲線圖

1.3 油石比

本試驗(yàn)采用不同的設(shè)計(jì)方法及成型方式對瀝青穩(wěn)定碎石低溫彎曲性能進(jìn)行對比分析研究，即常規(guī)馬歇爾法及力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)方法與瀝青穩(wěn)定碎石試件不同的成型方式進(jìn)行正交組合設(shè)計(jì)，組合方案如表5所示。比較4種方案，力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)法比馬歇爾設(shè)計(jì)法得到的最佳油石比偏低，力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)方法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件得到的最佳油石比最低，比方案一降低了0.3%，降低了瀝青用量；方案一與方案二、方案三與方案四相對比，采用同一種設(shè)計(jì)方法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件比擊實(shí)成型試件得到的最佳油石比低；采用相同的試件成型方式，力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)方法比馬歇爾設(shè)計(jì)方法得到的油石比偏低。ATB-30與ATB-25相比較，同一組合方案中級配對油石比的影響較小。采用力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)法并選用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件更具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

2 低溫抗裂性能研究

2.1 低溫彎曲破壞試驗(yàn)

低溫彎曲試驗(yàn)可以評價(jià)瀝青混合料的低溫拉伸性能，對上述4種不同組合方案的ATB-30、ATB-25試件進(jìn)行低溫彎曲破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為0℃和-10℃，加載速率為 50 mm/min，試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁，破壞時(shí)抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變及彎曲勁度模量計(jì)算如式（1）～式（3）所示。

表5 ATB配合比設(shè)計(jì)及試件成型組合方案

式中：RB為抗彎拉強(qiáng)度，MPa；PB為破壞荷載，N；εB為最大彎拉應(yīng)變，%；SB為彎曲勁度模量。由式（3）εB與SB為反比例關(guān)系，εB越小，SB越大，則瀝青穩(wěn)定碎石的低溫拉伸性能越差，低溫抗裂性能越差，低溫天氣狀況下產(chǎn)生的裂縫越多[5-6]。

表6 低溫彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果分析可知：

a）對于ATB-30，4種方案的彎拉勁度模量SB排序?yàn)榉桨杆拇笥诜桨敢淮笥诜桨溉笥诜桨付?，采用方案二馬歇爾設(shè)計(jì)法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件的條件下，彎拉勁度模量SB在0℃、15℃最小，低溫抗裂性能最優(yōu)；力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件低溫抗裂性能最差。即對于ATB-30馬歇爾設(shè)計(jì)法優(yōu)于力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)法，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件優(yōu)于馬歇爾擊實(shí)成型。

b）對于ATB-30，在0℃、-10℃及最佳油石比相同的情況下，方案二馬歇爾設(shè)計(jì)法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件低溫抗裂性能優(yōu)于方案一馬歇爾設(shè)計(jì)法擊實(shí)成型的試件；對于ATB-25，在0℃、-10℃及最佳油石比相同的情況下，方案二馬歇爾設(shè)計(jì)法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件低溫抗裂性能優(yōu)于方案三力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)法擊實(shí)成型的試件。

c）對于ATB-30，在0℃時(shí)，油石比變化對各方案ATB-30試件低溫抗裂性能影響不大；但在-10℃時(shí)，隨著油石比的降低，ATB-30試件低溫抗裂性能逐漸降低。由此可知：在0℃時(shí)，影響ATB-30低溫抗裂性能的主要因素是礦料的級配；在-10℃時(shí)，影響ATB-30低溫抗裂性能的主要因素是瀝青用量，低溫狀態(tài)下結(jié)構(gòu)瀝青的黏結(jié)性和延性對ATB-30低溫抗裂性能影響較大。

d）在-10℃時(shí)，ATB-30的彎拉勁度模量范圍在3 100～4 100 MPa之間，ATB-25的彎拉勁度模量范圍在4 500～6 500 MPa；ATB-25彎拉勁度模量變化幅度較大，而ATB-30彎拉勁度模量變化則較穩(wěn)定，可知ATB-30的低溫抗裂性能優(yōu)于ATB-25的低溫抗裂性能。同樣在0℃時(shí)，ATB-30低溫抗裂性能也優(yōu)于ATB-25低溫抗裂性能?？芍?，ATB混合料中礦料公稱最大粒徑對ATB混合料低溫性能有較大的影響，選用公稱最大粒徑較大的石料可提高ATB的低溫性能。

e）ATB-30在0℃及-10℃的彎拉勁度模量相差不大，但ATB-25在0℃及-10℃的彎拉勁度模量相差較大，ATB-25在溫度變化較大時(shí)，低溫性能較差，ATB-30低溫抗裂性能更穩(wěn)定。

2.2 低溫彎曲蠕變試驗(yàn)

對采用方案二馬歇爾設(shè)計(jì)法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的ATB-30、ATB-25試件進(jìn)行0℃低溫彎曲蠕變試驗(yàn)，試件尺寸為：250 mm×30 mm×35 mm，支點(diǎn)間距為200 mm，加載速率與低溫彎曲試驗(yàn)速率相同，P0為10%×PB，對ATB-30、ATB-25試件進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。

對瀝青穩(wěn)定碎石采用方案二的設(shè)計(jì)與成型方法，ATB-30彎曲蠕變速率εs在40×10-6（1/s/MPa）左右，ATB-25彎曲蠕變速率εs在17×10-6（1/s/MPa）左右，ATB-30的彎曲蠕變速率是ATB-25的彎曲蠕變速率的一倍以上，而εs越大，則瀝青混合料低溫性能越穩(wěn)定，即ATB-30的低溫抗裂性能優(yōu)于ATB-25的低溫抗裂性能，與前述ATB-30、ATB-25低溫彎曲試驗(yàn)所得的結(jié)論相一致。

表7 低溫彎曲蠕變試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 結(jié)語

a）采用同一種設(shè)計(jì)方法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件比擊實(shí)成型試件得到的最佳油石比低；采用相同的試件成型方式，力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)方法比馬歇爾設(shè)計(jì)方法得到的油石比偏低。力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)法并選用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

b）馬歇爾設(shè)計(jì)法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件ATB低溫抗裂性能最優(yōu)，力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的試件低溫性能最差。在0℃時(shí)，影響ATB-30低溫抗裂性能的主要因素是礦料的級配；在-10℃時(shí)，影響ATB-30低溫抗裂性能的主要因素是瀝青用量，低溫狀態(tài)下結(jié)構(gòu)瀝青的黏結(jié)性和延性對ATB-30低溫抗裂性能影響較大。

c）ATB-30的低溫性能優(yōu)于ATB-25的低溫性能，在工程中宜選用公稱最大粒徑較大的石料并采用馬歇爾設(shè)計(jì)法旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方式，可顯著提高瀝青穩(wěn)定碎石（ATB）混合料的低溫抗裂性能。