橡膠瀝青混合料抗反射裂縫性能研究

鄭南翔，李楨，焦麗亞

(長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064)

1 引言

目前，試驗(yàn)室內(nèi)能模擬瀝青混合料抗反射裂縫的試驗(yàn)方法主要有：① 采用自動式瀝青路面分析儀(AAPA)模擬荷載型反射裂縫，以疲勞壽命作為評價指標(biāo)，試驗(yàn)的主要缺點(diǎn)就是試件制作相對麻煩；② 在沒有自動式瀝青路面分析儀的情況下，有使用車轍儀完成上述試驗(yàn)的，以初裂、終裂時的荷載作用次數(shù)作為試驗(yàn)評價指標(biāo)，由于初裂、終裂都需要人眼觀察，需要試驗(yàn)人員長期不間斷監(jiān)測，誤差較大且耗時長；③ 采用疲勞試驗(yàn)機(jī)，試件為預(yù)切縫小梁，以彎曲勁度模量衰減至50%時的疲勞壽命作為抗反射裂縫性能指標(biāo)，模擬剪切型或復(fù)合型裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展；④ 20世紀(jì)70年代末，為了評價瀝青混合料的抗反射裂縫性能，Texas交通研究中心Uermann、Iytton等研制了Overlay Tester，以應(yīng)力損失率作為評價指標(biāo)，模擬張開型裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展。2015年，李興海等驗(yàn)證了Overlay Tester(以下簡稱OT)試驗(yàn)可以有效地評價瀝青混合料抵抗反射裂縫的能力。2015年，李艷博等根據(jù)OT試驗(yàn)儀器的測試環(huán)境修改了偽應(yīng)變能概念和疲勞裂紋發(fā)展規(guī)律Paris公式，測出達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)裂縫長度時的荷載循環(huán)次數(shù)。2017年，翟瑞鑫等通過OT試驗(yàn)對大粒徑透水瀝青混合料(LSPM)進(jìn)行抗裂性分析，認(rèn)為荷載周期數(shù)、最大荷載損失率可綜合反映瀝青混合料抗裂性，結(jié)果變異性較小。

該文依據(jù)新疆某項(xiàng)目，當(dāng)?shù)剀嚵髁枯^小，荷載型裂縫相對較少，而由于當(dāng)?shù)販夭詈艽螅瑴囟刃土芽p普遍較多，即張開型裂縫較多，故該文采用OT試驗(yàn)研究橡膠瀝青混合料的抗反射裂縫性能。

2 抗反射裂縫試驗(yàn)

2.1 原材料與技術(shù)特性

瀝青采用基質(zhì)瀝青90#，通過摻加SBS改性劑(摻量為5%)以及橡膠粉制作改性瀝青。根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程對基質(zhì)瀝青及改性瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果見表1、2，其技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表2 基質(zhì)瀝青(90#)性能指標(biāo)

該文瀝青混合料及同步碎石應(yīng)力吸收層均選用來自新疆的玄武巖。按照試驗(yàn)規(guī)程分別測定粗集料及細(xì)集料的各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果見表3、4、5，均滿足規(guī)范要求。

表3 粗集料性能指標(biāo)

表4 細(xì)集料性能指標(biāo)

表5 細(xì)集料級配

礦粉采用石灰?guī)r磨細(xì)，按照試驗(yàn)規(guī)程測定各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)果見表6，均滿足規(guī)范要求。

表6 礦粉性能指標(biāo)

試驗(yàn)用膠粉的性能指標(biāo)參數(shù)見表7。

表7 橡膠粉性能指標(biāo) %

2.2 試驗(yàn)方法

Overlay Tester試驗(yàn)含有兩塊鋼板，一塊固定,另一塊可以沿水平方向周期性地往返運(yùn)動，模擬原路面裂縫在溫度或行車荷載作用下的擴(kuò)展閉合，如圖1所示。試件制備過程如下：① 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型圓柱形試件，直徑D為150 mm，高度h為62 mm；② 將試件兩端各切除12 mm厚，僅留中間38 mm厚的試件；③ 將38 cm厚的圓柱形試件沿直徑前后各切除37.5 mm，即可得到最終試件，其尺寸為(長×寬×高)150 mm×75 mm×38 mm，如圖2所示。

圖1 OT試驗(yàn)示意圖

圖2 OT試件尺寸(單位:mm)

(1)加載模式

Overlay Tester試驗(yàn)的應(yīng)力加載是以水平位移作為控制量，在可移動底板上采用線性可變差動傳感器(LVDT)來測量試件的位移，以及電子測力傳感器來測量由位移產(chǎn)生的負(fù)載，加載模式主要有兩種，單階段與雙階段加載模式，見圖3。

圖3 OT試驗(yàn)荷載形式

由圖3可得：

① 單階段加載：類似一個循環(huán)的三角波形，具有恒定的最大位移，加載及卸載時間均為5 s。

② 雙階段加載：第1階段：5 s內(nèi)加載至恒定位移，5～35 s時間內(nèi)位移保持恒定，5 s內(nèi)完成卸載，這個階段可以得到松弛模量曲線；第2階段類似于單階段加載。

Texasz交通廳推薦單階段加載模式，目前應(yīng)用較廣泛的也是該模式。單階段加載模式中，加載速率為0.13 mm/s，位移變化很快，而實(shí)際路面裂縫其實(shí)變化很慢，該試驗(yàn)為了節(jié)省試驗(yàn)時間，加速試件發(fā)生破壞。

(2)試驗(yàn)參數(shù)

Overlay Tester試驗(yàn)參數(shù)包括：① 溫度：一般為25 ℃(0～25 ℃可調(diào))；② 初始裂縫寬度：固定試件底板的間距，表征基層或原路面的裂縫寬度，Texas交通廳推薦初始裂縫寬度為2 mm；③ 最大拉伸位移：0.5～2.0mm可控，Texas交通廳推薦最大拉伸位移為0.625 mm；④ 加載頻率：加載、卸載時間均為5 s，即10 s/周期。

2.3 評價指標(biāo)

常規(guī)疲勞試驗(yàn)的評價指標(biāo)為勁度模量降至初始值50%時的荷載作用周期，Overlay Tester試驗(yàn)的評價指標(biāo)有所不同，為應(yīng)力衰減到初始拉力7%時的荷載作用周期或1 200個荷載循環(huán)下的應(yīng)力損失率。Walubita等進(jìn)行OT試驗(yàn)時，荷載作用周期的典型變異系數(shù)約為30%，特別是對于密級配混合物。Garcia和Miramontes進(jìn)行了大量的OT試驗(yàn)，其結(jié)果顯示荷載循環(huán)次數(shù)變異性很多時候會高于30%，荷載作用周期不太適合作為評價指標(biāo)。

Garcia V M等通過試驗(yàn)提出，相較于荷載循環(huán)次數(shù)，初始最大荷載與裂縫擴(kuò)展速率更適合表征混合料的抗反射裂縫性能，因?yàn)槌跏甲畲蠛奢d與裂縫擴(kuò)展速率可以直觀地描述混合料初始裂縫的產(chǎn)生以及裂縫穩(wěn)定發(fā)展的過程，而且其變異系數(shù)相對荷載循環(huán)次數(shù)的變異系數(shù)要小很多，其中，初始斷裂能計算公式如下：

G=W/A

(1)

式中：W為荷載-位移曲線面積；A為試件的面積，即38 mm×76.5 mm；G為材料抵抗初始裂縫產(chǎn)生的能力。

裂縫擴(kuò)展速率為將荷載標(biāo)準(zhǔn)化后的荷載-周期擬合的乘冪函數(shù)曲線中的參數(shù)b，如圖4所示。計算公式如下：

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化荷載衰減曲線

y=ax-b

(2)

2.4 試驗(yàn)方案

瀝青為80目摻量20%的橡膠瀝青及SBS改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；集料為玄武巖，礦粉為磨細(xì)的石灰?guī)r，其技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求；選用級配為UTO-7、SMA-10、Novachip-B，具體各篩孔通過率見表8，最佳油石比見表9。

表8 UTO-7、SMA-10、Novachip-B級配

表9 UTO-7、SMA-10、Novachip-B混合料油石比

3 OT試驗(yàn)敏感性及穩(wěn)定性驗(yàn)證

3.1 OT試驗(yàn)敏感性

根據(jù)瀝青混合料的力學(xué)理論及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，瀝青混合料的抗反射裂縫性能與瀝青膠漿密切相關(guān)，其中瀝青含量與抗反射裂縫性能呈正相關(guān)關(guān)系。在進(jìn)行Overlay Tester試驗(yàn)之前，驗(yàn)證OT試驗(yàn)的有效性及靈敏性，試驗(yàn)選擇ARUTO-7級配，油石比分別為7.2%、7.7%和8.3%，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知：在油石比由7.2%增至8.3%的過程中，應(yīng)力損失率由最初的75.86%減至59.25%，應(yīng)力損失率變化趨勢與預(yù)估相同，且油石比對應(yīng)力損失率影響明顯，證明了Overlay Tester試驗(yàn)的敏感性。

圖5 不同油石比下的應(yīng)力損失率(ARUTO-7級配)

3.2 OT試驗(yàn)穩(wěn)定性

根據(jù)OT試驗(yàn)得到或計算得到3個指標(biāo)及其變異系數(shù)見表10。

從表10可以得到：

表10 OT試驗(yàn)結(jié)果及變異系數(shù)

(1)應(yīng)力損失率的變異系數(shù)均不超過20%，在可接受范圍內(nèi)。裂縫擴(kuò)展速率的變異系數(shù)是3個指標(biāo)中最小的，基本在10%以內(nèi)，Garcia V M等提出裂縫擴(kuò)展速率為0.5以內(nèi)表征抗裂縫擴(kuò)展性能良好，該試驗(yàn)結(jié)果均遠(yuǎn)小于0.5，若要應(yīng)用于中國需作相應(yīng)的修正。初始最大荷載的變異系數(shù)變化范圍很大，從3.067%變化至27.286%，變異系數(shù)相較于應(yīng)力損失率及裂縫擴(kuò)展速率要大，選用時需慎重。

(2)ARNovachip、Novachip、UTO-7(0.3%纖維)混合料的應(yīng)力損失率的變異系數(shù)相對較大，超過10%，其他均控制在10%以內(nèi)，說明瀝青混合料的粗糙性以及摻加纖維會導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)成型試件偏差性較大，其中，Novachip混合料瀝青含量較少，因?yàn)闉r青在壓實(shí)過程中充當(dāng)潤滑劑的作用，使混合料更難壓實(shí)，所以Novachip混合料的OT試驗(yàn)結(jié)果變異性較大。

(3)根據(jù)Jiusu Li的研究成果可知，基質(zhì)瀝青中加入膠粉，使瀝青黏度、勁度增大，使得室內(nèi)成型試件誤差變大，進(jìn)而導(dǎo)致OT試驗(yàn)變異性變大，由表10可以看出，橡膠瀝青混合料的應(yīng)力損失率變異系數(shù)相對于SBS改性瀝青混合料的要大，一方面是因?yàn)橄鹉z瀝青混合料室內(nèi)成型試件誤差偏大；另一方面是橡膠瀝青的性能衰減相對較快。

綜上所述，初始最大荷載變異系數(shù)變化很大，有時很小有時很大，如條件允許，建議以斷裂能代替最大荷載；裂縫擴(kuò)展速率代表裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展的過程，且裂縫擴(kuò)展速率的變異性很小，建議選擇其作為指標(biāo)之一。故該文以裂縫擴(kuò)展速率及應(yīng)力損失率作為主要的評價指標(biāo)，初始最大荷載為輔。

4 橡膠瀝青混合料抗反射裂縫性能分析

4.1 不同橡膠瀝青混合料抗反射裂縫性能

不同瀝青混合料的OT試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

圖6 不同瀝青混合料OT試驗(yàn)結(jié)果

從圖6可以得出：

(1)對于3種級配的瀝青混合料，橡膠瀝青均能明顯改善瀝青混合料的抗反射裂縫性能。

(2)應(yīng)力損失率與裂縫擴(kuò)展速率呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，從表10中可以看出，雖然初始最大荷載能一定程度上表征瀝青混合料抵抗初始裂縫產(chǎn)生的性能，但由于不同級配的初始最大荷載相差不大，其對于應(yīng)力損失率影響較小，應(yīng)力損失率主要與裂縫擴(kuò)展速率相關(guān)，如Novachip混合料的初始最大荷載雖大于SMA-10混合料，但其裂縫擴(kuò)展速率較大導(dǎo)致應(yīng)力損失率也大。

(3)對于UTO-7瀝青混合料，在SBS瀝青混合料中摻加纖維，可以減小應(yīng)力損失率，但沒有橡膠瀝青的效果明顯，橡膠瀝青混合料的應(yīng)力損失率較小。結(jié)合裂縫發(fā)展過程進(jìn)行解釋，ARUTO-7混合料的初始最大荷載雖小于UTO-7(0.3%纖維)混合料，摻加纖維可以有效地延遲初始裂縫的產(chǎn)生，但因?yàn)橄鹉z瀝青本身具有高黏性和高彈性，應(yīng)力恢復(fù)能力更強(qiáng)，橡膠瀝青混合料的裂縫擴(kuò)展速率小，抗疲勞性能更好，最終導(dǎo)致應(yīng)力損失率較小。

(4)對于橡膠瀝青混合料，ARUTO-7混合料的應(yīng)力損失率略小于ARSMA-10，說明ARUTO-7抗反射裂縫性能稍優(yōu)，相對較細(xì)級配的混合料抗反射裂縫性能更優(yōu)。ARNovachip的應(yīng)力損失率及裂縫擴(kuò)展速率均明顯大于其他兩個級配，主要是因?yàn)锳RNovachip瀝青混合料的空隙率較大，抗反射裂縫性能差，橡膠瀝青雖能降低Novachip瀝青混合料的應(yīng)力損失率，但幅度很小，黏結(jié)劑對于混合料的抗反射裂縫性能改善效果很弱。

4.2 抗反射裂縫性能灰色關(guān)聯(lián)分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是一種分析系統(tǒng)中各因素關(guān)聯(lián)程度的方法，其基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密，該文采用灰色關(guān)聯(lián)方法分析瀝青混合料抗反射裂縫性能各影響因素的影響程度，其結(jié)果見表11。

表11 瀝青混合料應(yīng)力損失率及影響因素

采用灰色分析法計算各因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)，并據(jù)此計算得到最終的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知：瀝青混合料抗反射裂縫能力與7種因素的關(guān)聯(lián)度大小依次為：彈性恢復(fù)>韌度比>2.36 mm通過率>4.75 mm通過率>粉膠比>軟化點(diǎn)>油石比>車轍因子。瀝青混合料的抗反射裂縫性能與瀝青本身的性質(zhì)關(guān)系最為密切，其次是2.36、4.75 mm篩孔通過率，在最佳油石比條件下，幾種因素中瀝青混合料油石比對抗反射裂縫能力影響最小。

圖7 各影響因素的灰色關(guān)聯(lián)度

因此，要獲得良好的抗反射裂縫性能，在進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計時，需格外注意瀝青及瀝青膠漿性能，優(yōu)先選擇彈性性能及低溫韌性好的瀝青，橡膠瀝青明顯優(yōu)于SBS改性瀝青，橡膠瀝青的粉膠比相對于SBS瀝青要低很多，不能以常規(guī)的粉膠比要求進(jìn)行評價。稍微偏細(xì)級配的混合料抗反射裂縫性能更好，級配設(shè)計時可通過控制2.36 mm及4.75 mm的篩孔通過率進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

5 結(jié)論

(1)為表征瀝青混合料的抗反射裂縫性能采用Overlay Tester試驗(yàn)以及應(yīng)力損失率指標(biāo)，驗(yàn)證了OT試驗(yàn)的敏感性，應(yīng)力損失率的變異系數(shù)在可接受的范圍以內(nèi)，具有良好的穩(wěn)定性及可重復(fù)性。

(2)為了更好地表征瀝青混合料在不同階段的抗反射裂縫性能，采用初始最大荷載及裂縫擴(kuò)展速率作為表征瀝青混合料抵抗初始裂縫產(chǎn)生及裂縫擴(kuò)展的指標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，最大荷載變異系數(shù)相對較大，如條件允許，可考慮采用初始斷裂能代替并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，裂縫擴(kuò)展速率的變異系數(shù)很小，且規(guī)律性明顯，適宜作為OT試驗(yàn)指標(biāo)。

(3)相較于SBS改性瀝青，橡膠瀝青能明顯提高瀝青混合料的抗反射裂縫性能，摻加纖維的SBS改性瀝青混合料雖可明顯增強(qiáng)抵抗初始裂縫產(chǎn)生的性能，但其裂縫擴(kuò)展速率要大于橡膠瀝青混合料，最終其應(yīng)力損失率也較大，抗反射裂縫性能稍差。

(4)ARNovachip抵抗初始裂縫性能最好，但其裂縫擴(kuò)展速率最大，ARUTO-7雖抵抗初始裂縫性能相較最差，但其裂縫擴(kuò)展速率最小。最終，ARUTO-7的抗反射裂縫性能略優(yōu)于ARSMA-10，ARNovachip的抗反射裂縫性能最差。

(5)彈性恢復(fù)、韌度比對于抗反射裂縫性能影響最明顯，其次是2.36 mm通過率、4.75 mm通過率，為獲得更好的抗反射裂縫性能的瀝青混合料，宜優(yōu)先選擇彈性性能及低溫韌性好的瀝青以及稍微偏細(xì)的級配。