級(jí)配對(duì)攤鋪式橡膠瀝青應(yīng)力吸收層性能的影響

譚繼宗，彭文舉，劉俊斌,4，李 平，劉深德

(1.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007； 2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007;3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；4. 葛洲壩集團(tuán)交通投資有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》的實(shí)施，我國(guó)公路工程建設(shè)由傳統(tǒng)新建為主逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻B(yǎng)并重。但新建或養(yǎng)護(hù)瀝青面層均可能由于半剛性材料的收縮、原有路面的潛在病害、復(fù)合式路面中水泥路面的接縫及裂縫等造成反射裂縫的產(chǎn)生，進(jìn)而嚴(yán)重降低瀝青路面使用壽命。因此，如何有效減緩和防治反射裂縫的發(fā)生，提高公路工程質(zhì)量，已成為我國(guó)公路建養(yǎng)亟需解決的技術(shù)難題。

應(yīng)力吸收層可吸收或消減已有接縫或裂縫處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，是一種可有效減緩反射裂縫發(fā)生與擴(kuò)展的功能層。根據(jù)施工方式不同，目前應(yīng)力吸收層主要有2種類型：灑布式、攤鋪式。灑布式材料組成及施工工藝與同步碎石封層類似，但該工藝瀝青與集料灑布均勻性不易控制，且其完整性在上層瀝青層施工時(shí)易被攤鋪機(jī)履帶與運(yùn)料車碾壓破壞，不僅難實(shí)現(xiàn)應(yīng)力吸收功能，而且造成質(zhì)量隱患。攤鋪式應(yīng)力吸收層則采用攤鋪碾壓工藝，保證了結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定及應(yīng)力吸收效果的有效實(shí)現(xiàn)，具有良好的應(yīng)用前景[1]。

對(duì)于攤鋪式應(yīng)力吸收層目前已進(jìn)行一定研究與應(yīng)用，由于其特殊的功能需求，要求瀝青具有良好的彈性與抗拉伸性能，如SBS等高聚物類改性瀝青、橡膠瀝青及復(fù)合改性瀝青等。其中橡膠瀝青由于其優(yōu)良使用性能、經(jīng)濟(jì)性能及特有的環(huán)境友好特性，具有較高的潛在利用價(jià)值[2]。區(qū)別于灑布式應(yīng)力吸收層，攤鋪式要求瀝青混合料具有合適的級(jí)配。目前相關(guān)研究分析了級(jí)配對(duì)應(yīng)力吸收層性能的影響，但主要存在如下問(wèn)題：選取的級(jí)配僅有定性的級(jí)配類型分類，未對(duì)級(jí)配進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，無(wú)法研究級(jí)配參數(shù)對(duì)應(yīng)力吸收性能的更深層次影響[3]；選取的級(jí)配類型偏少、代表性不強(qiáng)，與國(guó)內(nèi)外及國(guó)內(nèi)不同地區(qū)指南推薦級(jí)配范圍差異較大[4]。因此，有必要對(duì)級(jí)配對(duì)應(yīng)力吸收層性能的影響進(jìn)行深入研究。

另外，不同于普通瀝青混合料，應(yīng)力吸收層除應(yīng)具備良好的高溫、低溫及水穩(wěn)定性等傳統(tǒng)路用性能外，還應(yīng)具有良好的應(yīng)力吸收效果。但目前對(duì)于應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)方法并無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了較為廣泛的研究，提出了多種試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。如剪切試驗(yàn)法[5]、拉伸試驗(yàn)法[6]、D型壓縮拉伸試驗(yàn)[7]、半圓彎曲(SCB)裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)[8]、Overlay Test(OT)試驗(yàn)[9]、復(fù)合梁彎拉試驗(yàn)[10]、輪載疲勞試驗(yàn)[11]等。上述研究中，相關(guān)評(píng)價(jià)方法與參數(shù)繁雜，大部分均存在試件制備困難、可操作性差、試驗(yàn)結(jié)果變異性大、無(wú)有效評(píng)價(jià)指標(biāo)等弊端。因此，有必要建立評(píng)價(jià)有效的、可操作性強(qiáng)的應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)。

基于此，針對(duì)攤鋪式橡膠瀝青應(yīng)力吸收層級(jí)配設(shè)計(jì)無(wú)指導(dǎo)性優(yōu)化方案，應(yīng)力吸收性能無(wú)明確評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)的現(xiàn)狀，本研究遴選國(guó)內(nèi)外規(guī)程中7種典型級(jí)配及工程實(shí)踐典型級(jí)配，基于多種評(píng)價(jià)方法對(duì)級(jí)配進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，然后綜合分析級(jí)配評(píng)價(jià)參數(shù)與高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及應(yīng)力吸收性能等使用性能的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 橡膠瀝青

采用70#A級(jí)基質(zhì)瀝青、20%摻量30～80目橡膠粉、0.5%摻量SBS瀝青進(jìn)行橡膠瀝青制備，制備的橡膠瀝青性能指標(biāo)如表1所示。

表1 橡膠瀝青試驗(yàn)指標(biāo)Tab.1 Test indicators of rubber asphalt

1.2 瀝青混合料

1.2.1 級(jí)配選取

為優(yōu)選合適的應(yīng)力吸收層級(jí)配，有必要對(duì)典型級(jí)配進(jìn)行深入分析。查閱國(guó)內(nèi)外規(guī)程，按最大公稱粒徑劃分，應(yīng)力吸收層礦料級(jí)配類型主要有5型、10型2類，且就級(jí)配類型數(shù)量及應(yīng)用現(xiàn)狀而言，仍以10型為主。對(duì)10型級(jí)配曲線線型特點(diǎn)作進(jìn)一步分析，可將典型級(jí)配劃分為如下3種類型(圖1)。

(1)A型：CAM級(jí)配[12]。

(2)B型：施工規(guī)范2004[13]、福建地標(biāo)[14]。

(3)C型：廣西[15]、江西[16]、上海[17]、北京[18]、河北[19]、山西[20]地標(biāo)。

圖1 10型礦料級(jí)配分類Fig.1 Classification of gradations of 10-type aggregate

其中，CAM級(jí)配范圍呈“弓背型”曲線，與其他級(jí)配曲線具有明顯區(qū)別。廣西、江西、上海、北京、河北與山西地標(biāo)級(jí)配曲線呈現(xiàn)典型的S型特征。

分析發(fā)現(xiàn)，C型級(jí)配為我國(guó)10型混合料主流級(jí)配，這與施工技術(shù)規(guī)范的調(diào)整導(dǎo)向相一致。為此，通過(guò)試驗(yàn)室單檔集料級(jí)配合成，選取A，B型級(jí)配各1項(xiàng)，C型級(jí)配3項(xiàng)，并結(jié)合廣西具體級(jí)配2項(xiàng)(分別為C-MZ，C-GG)，得到如下合成級(jí)配(表2)。

表2 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層試驗(yàn)級(jí)配Tab.2 Test gradation of rubber asphalt stress absorbing layer

為消除空隙率等變化等對(duì)混合料性能影響，采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，以2.5%設(shè)計(jì)空隙率對(duì)應(yīng)瀝青用量為最佳油石比，得到各級(jí)配瀝青混合料主要技術(shù)指標(biāo)，如表3所示。

表3 最佳油石比下馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Marshall test result under optimal asphalt-aggregate ratio

1.2.2 級(jí)配評(píng)價(jià)

級(jí)配影響著瀝青混合料的使用性能，采用合適的量化評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)研究級(jí)配對(duì)混合料性能的影響具有重要意義。常用級(jí)配評(píng)價(jià)方法主要有：關(guān)鍵篩孔法、級(jí)配分形法2類。關(guān)鍵篩孔法指對(duì)遴選級(jí)配中某一或某些關(guān)鍵篩孔尺寸及對(duì)應(yīng)通過(guò)率進(jìn)行評(píng)價(jià)，級(jí)配分形法指基于分形理論對(duì)得到相關(guān)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本研究采用如下級(jí)配參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)關(guān)鍵篩孔通過(guò)率：我國(guó)《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》規(guī)定10型級(jí)配以2.36 mm 為關(guān)鍵篩孔進(jìn)行粗型、細(xì)型級(jí)配類型劃分。對(duì)比選定級(jí)配類型，發(fā)現(xiàn)4.75 mm通過(guò)率差異較大，通過(guò)率分布在38%～80%，而4.75 mm通過(guò)率直接影響10型級(jí)配骨架結(jié)構(gòu)。綜合分析，選取P4.75 mm和P2.36 mm進(jìn)行級(jí)配評(píng)價(jià)。

(2)關(guān)鍵粒徑集料含量：基于上述關(guān)鍵篩孔，選取4.75～9.5 mm，2.36～4.75 mm著檔作為關(guān)鍵粒徑。

(3)第1控制篩指數(shù)PCSI[21]：以給定級(jí)配與最大密度曲線在第1控制篩(PCS)上的通過(guò)質(zhì)量百分率之差評(píng)價(jià)級(jí)配的相對(duì)粗細(xì)，計(jì)算公式為：

PCSI=PPCS-PPCS,MDL，

(1)

式中，PPCS為第1控制篩孔通過(guò)率；PPCS,MDL為最大密度曲線在第1控制篩的通過(guò)率，取47%。

(5)分形維數(shù)[23]

D=3-k，

(2)

式中，D為級(jí)配的整體分形維數(shù)；k為在篩孔尺寸與通過(guò)率的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中進(jìn)行線性回歸得到的擬合直線斜率，當(dāng)只取2.36 mm以上部分時(shí)得到粗集料分形維數(shù)Dc，只取2.36 mm以下部分時(shí)得到細(xì)集料分形維數(shù)Df。按上述評(píng)價(jià)方法，得到相關(guān)參數(shù)匯總,見(jiàn)表4。

表4 各級(jí)配評(píng)價(jià)參數(shù)Tab.4 Evaluation parameters of each gradation

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 高溫性能

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》)的瀝青混合料車轍試驗(yàn)，進(jìn)行瀝青混合料60 ℃高溫車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)得到動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)。

1.3.2 水穩(wěn)定性

參照《規(guī)程》的瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)，進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)，得到殘留穩(wěn)定度MS0、凍融劈裂強(qiáng)度比TSR。

1.3.3 應(yīng)力吸收性能

相較普通瀝青混合料結(jié)構(gòu)層，攤鋪式應(yīng)力吸收層作為專用功能層，除應(yīng)具備上述路用性能要求外，還應(yīng)具有良好的應(yīng)力吸收性能，但目前對(duì)應(yīng)力吸收性能并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法。而作為延緩反射裂縫產(chǎn)生與發(fā)展的功能層，應(yīng)具有良好的應(yīng)力吸收效果，宏觀表現(xiàn)為該結(jié)構(gòu)層應(yīng)具有良好的抗裂性能?？紤]-10 ℃ 小梁彎曲試驗(yàn)為我國(guó)瀝青混合料低溫性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，可有效評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能。同時(shí)利用不同試驗(yàn)溫度條件的σ-ε(應(yīng)力-應(yīng)變)曲線，也可得到更廣泛的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，如彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量及應(yīng)變能密度等絕對(duì)指標(biāo)或相對(duì)指標(biāo)。綜合分析，鑒于小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的全面性，相較前述SCB裂縫擴(kuò)展試驗(yàn)和OT試驗(yàn)等試驗(yàn)方法具有簡(jiǎn)便性與可推廣性等特點(diǎn)，推薦采用小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)應(yīng)力吸收性能進(jìn)行評(píng)價(jià)?，F(xiàn)將小梁彎曲試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)介紹如下。

參照《規(guī)程》的瀝青混合料彎曲試驗(yàn)，進(jìn)行-10 ℃ 和15 ℃小梁彎曲試驗(yàn)，計(jì)算得到彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量及應(yīng)變能密度等指標(biāo)。其中，前3個(gè)參數(shù)按照規(guī)程方法進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)變能密度按如下方法進(jìn)行計(jì)算。

繪制出瀝青混合料彎曲破壞試驗(yàn)σ-ε曲線，應(yīng)變能密度的幾何意義為當(dāng)混合料應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，σ-ε曲線與X軸圍成的面積。

(3)

2 高溫性能評(píng)價(jià)

按照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行各級(jí)配瀝青混合料高溫車轍試驗(yàn)，每組進(jìn)行4項(xiàng)平行試驗(yàn)，計(jì)算得到動(dòng)穩(wěn)定度DS均值,如圖2所示。

圖2 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果Fig. 2 Rutting test result of asphalt mixture

分析可知，不同級(jí)配混合料之間動(dòng)穩(wěn)定度差異明顯，最大差值達(dá)到1 679次/mm，差值超過(guò)30%。其中，級(jí)配A混合料動(dòng)穩(wěn)定最小，C-MZ級(jí)配混合料最大。整體而言，級(jí)配B和C混合料動(dòng)穩(wěn)定度較高。這是由于級(jí)配A細(xì)集料含量過(guò)大(2.36，4.75 mm 通過(guò)率分別達(dá)到52%，80%)，粗集料的缺乏使得級(jí)配難以形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，進(jìn)而降低了混合料高溫抗變形性能。

為進(jìn)一步研究級(jí)配與高溫性能關(guān)系，將各級(jí)配級(jí)配評(píng)價(jià)參數(shù)與動(dòng)穩(wěn)定度進(jìn)行線性相關(guān)性分析，結(jié)果如表5所示。

表5 級(jí)配參數(shù)與動(dòng)穩(wěn)定度擬合關(guān)系Tab.5 Fitting relationship between gradation parameters and DS

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，各級(jí)配參數(shù)同動(dòng)穩(wěn)定度的相關(guān)性差異明顯。其中，2.36 mm篩孔通過(guò)率、PCSI和粗集料分形維數(shù)Dc同動(dòng)穩(wěn)定度相關(guān)性較好(擬合系數(shù)R2≥0.6時(shí)可視為相關(guān)性較好，見(jiàn)表5中加粗部分)。將上述3個(gè)參數(shù)與動(dòng)穩(wěn)定度擬合關(guān)系繪制于圖3。

圖3 動(dòng)穩(wěn)定度同各級(jí)配參數(shù)相關(guān)性Fig.3 Correlation between DS and gradation parameters 注：擬合關(guān)系中y為動(dòng)穩(wěn)定度，x為級(jí)配參數(shù)。

(1)根據(jù)擬合關(guān)系式，動(dòng)穩(wěn)定度與2.36 mm篩孔通過(guò)率、PCSI擬合方程斜率及相關(guān)系數(shù)完全一致。這是由于根據(jù)PCSI計(jì)算原理，10型級(jí)配最大公稱粒徑為9.5 mm，PCS尺寸=0.22D=2.09 mm，實(shí)際計(jì)算時(shí)取與其接近的2.36 mm篩孔通過(guò)率。而另一參數(shù)PPCS,MDL為一常數(shù)，使得PCSI實(shí)際為2.36 mm篩孔通過(guò)率值減去固定常數(shù)，因此2.36篩孔通過(guò)率、PCSI與動(dòng)穩(wěn)定度的擬合方程斜率及相關(guān)系數(shù)完全一致。

(2)動(dòng)穩(wěn)定度隨2.36 mm篩孔通過(guò)率、PCSI的增加而下降，表明混合料隨粗集料含量的減少，級(jí)配變細(xì)，動(dòng)穩(wěn)定度下降。瀝青作為溫度敏感性材料，高溫條件下瀝青、瀝青膠漿及瀝青裹覆的細(xì)集料流動(dòng)性增強(qiáng)，抵抗變形性能減弱，使其對(duì)高溫抗變形能力貢獻(xiàn)降低，相應(yīng)骨架結(jié)構(gòu)對(duì)混合料高溫變形貢獻(xiàn)率增大。而隨著2.36 mm篩孔通過(guò)率的下降，2.36 mm 以下細(xì)集料含量增加，相應(yīng)混合料骨架結(jié)構(gòu)減弱，進(jìn)而導(dǎo)致混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降。

(3)隨著Dc值的增加，動(dòng)穩(wěn)定度下降。這是由于隨著Dc的增大，粗集料各篩孔通過(guò)率-篩孔尺寸雙對(duì)數(shù)線性擬合斜率k減小，而擬合終點(diǎn)(9.5 mm，100%)為固定值，因此有如下2種形式會(huì)導(dǎo)致k減小：①擬合起點(diǎn)2.36 mm通過(guò)率增大；②2.36 mm通過(guò)率基本不變時(shí)，粗集料較細(xì)部分集料含量增加。其中2.36 mm通過(guò)率增大對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度影響如前所述，而粗集料較細(xì)部分含量增加時(shí)，也會(huì)在一定程度上減弱粗集料的骨架結(jié)構(gòu)，進(jìn)而引起混合料動(dòng)穩(wěn)定度下降。

(4)綜上分析，級(jí)配范圍B和C混合料的高溫性能較好。為保證應(yīng)力吸收層瀝青混合料具有較好的高溫性能，可適當(dāng)減小2.36 mm篩孔通過(guò)率與PCSI以及分形維數(shù)Dc，以獲得相對(duì)較好的粗集料骨架結(jié)構(gòu)，從而具有較好的高溫穩(wěn)定性能。

3 應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)參數(shù)選取

按前述試驗(yàn)方法進(jìn)行-10 ℃和15 ℃小梁彎曲試驗(yàn)，每個(gè)級(jí)配進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Beam bending test result

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量與應(yīng)變能密度隨級(jí)配的變化規(guī)律并不一致。為選取評(píng)價(jià)一致性較好的指標(biāo)作為應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，有必要對(duì)各參數(shù)之間相關(guān)性作進(jìn)一步分析。鑒于我國(guó)規(guī)范采用小梁彎曲試驗(yàn)中低溫彎曲應(yīng)變作為瀝青混合料低溫開(kāi)裂性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，而低溫開(kāi)裂性能也可視為抗斷裂性能的體現(xiàn)。因此，以各溫度下彎拉應(yīng)變?yōu)榛鶞?zhǔn)，將其余3參數(shù)與彎拉應(yīng)變進(jìn)行相關(guān)性分析，將相關(guān)性較好的擬合關(guān)系繪制于圖5。

圖5 小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性Fig.5 Correlation of evaluation indicators of trabecular bending test

結(jié)果顯示，彎拉應(yīng)變同應(yīng)變能密度呈正相關(guān)關(guān)系，同彎曲勁度模量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中彎拉應(yīng)變是表征瀝青混合料抗變形能力的指標(biāo)，應(yīng)變能密度是材料在破壞過(guò)程中吸收能量的指標(biāo)，材料的抗變形能力提高，破壞時(shí)變形量增大，需要的能量就增加，所以二者表現(xiàn)為正相關(guān)性。同時(shí)，應(yīng)變能密度可綜合表征彎拉應(yīng)變和彎拉強(qiáng)度[4]。而彎曲勁度模量用于評(píng)價(jià)剛性破壞時(shí)效果較好，而瀝青混合料的破壞是黏彈性破壞，用其評(píng)價(jià)時(shí)結(jié)果往往會(huì)出相反的結(jié)論。如級(jí)配B混合料彎拉應(yīng)變大于級(jí)配C-2混合料，但彎曲勁度模量同樣大于級(jí)配C-2。綜合分析，選用彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度作為混合料應(yīng)力吸收性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，不同級(jí)配混合料之間彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度表現(xiàn)出明顯的差異性，涉及的7組級(jí)配中，級(jí)配范圍B混合料彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度較高。彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度越大，表明瀝青混合料在荷載作用下破壞過(guò)程中的變形量與需要的能量越大。

3.2 級(jí)配影響分析

為研究級(jí)配參數(shù)對(duì)應(yīng)力吸收性能的影響，將各級(jí)配參數(shù)與彎拉應(yīng)變、應(yīng)變能密度進(jìn)行相關(guān)性分析，將相關(guān)性較好的擬合結(jié)果列于表6。

表6 級(jí)配參數(shù)同彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度相關(guān)性Tab.6 Correlation of gradation parameters with flexural tensile strain and strain energy density

-10 ℃下，4.75 mm和2.36 mm篩孔通過(guò)率、PCSI、粗集料分形維數(shù)Dc同彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度相關(guān)性較好。15 ℃下，4.75 mm篩孔通過(guò)率同彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度相關(guān)性較好，而2.36 mm篩孔通過(guò)率、PCSI、分形維數(shù)Dc參數(shù)，僅同彎拉應(yīng)變相關(guān)性較好，擬合結(jié)果R2均大于0.6，但是與應(yīng)變能密度的相關(guān)性較差，擬合結(jié)果R2處于0.4～0.6之間。

對(duì)上述相關(guān)性較好擬合結(jié)果繪圖作進(jìn)一步分析如下(圖6中填充數(shù)據(jù)點(diǎn)為A級(jí)配混合料試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于相關(guān)性能指標(biāo)顯著小于其他級(jí)配，不在擬合分析范圍內(nèi))。

圖6 彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度同關(guān)鍵篩孔通過(guò)率的相關(guān)性Fig.6 Correlation of key sieve pass ratio with flexural tensile strain and strain energy density

隨著4.75，2.36 mm篩孔通過(guò)率及PCSI值的增大，彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度增大(圖6、圖7)，表明混合料抗斷裂性能提高。如前分析，在10型級(jí)配中，PCSI與2.36 mm篩孔通過(guò)率之差為一常數(shù)，因此PCSI增加即為2.36 mm通過(guò)率增大，二者具有相同的擬合方程、擬合相關(guān)性及相同的對(duì)混合料抗斷裂性能影響效果。在相同空隙率下，混合料中細(xì)集料含量增加，瀝青膠漿及細(xì)集料在粗集料中的填充效應(yīng)更好，混合料達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的變形量更大。在彎拉強(qiáng)度相差較小的情況下，應(yīng)變?cè)酱?，相?yīng)應(yīng)變能密度越大。

圖7 彎拉應(yīng)變及應(yīng)變能密度同PCSI的相關(guān)性Fig.7 Correlation of PCSI with flexural tensile strain and strain energy density

隨著粗集料分形維數(shù)Dc的增加，彎拉應(yīng)變與應(yīng)變能密度增大。如前分析，當(dāng)Dc增大時(shí)，粗集料變細(xì)，瀝青混合料各顆粒填充作用增強(qiáng)，形成穩(wěn)定密實(shí)的嵌擠結(jié)構(gòu)，在小梁彎曲試驗(yàn)時(shí)，嵌擠力有效抑制了試件的彎曲破壞。

分析圖8中標(biāo)記數(shù)據(jù)點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)，上述線性關(guān)系應(yīng)有一定限定范圍，即當(dāng)相關(guān)級(jí)配參數(shù)過(guò)大時(shí)，抗斷裂性能將顯著降低。這是由于當(dāng)2.36，4.75 mm通過(guò)率、PCSI、粗集料分形維數(shù)Dc過(guò)大時(shí)，級(jí)配整體性能已發(fā)生本質(zhì)改變，過(guò)量的細(xì)集料對(duì)級(jí)配形成干涉，破壞了混合料結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致了抗斷裂性能效果降低。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為增強(qiáng)應(yīng)力吸收性能，可適當(dāng)增加混合料中細(xì)集料或粗集料中細(xì)集料含量。但由前述高溫穩(wěn)定性分析可知，細(xì)集料增量應(yīng)適度。

圖8 彎拉應(yīng)變及應(yīng)變能密度同分形維數(shù)相關(guān)性Fig.8 Correlation of fractal dimension with flexural tensile strain and strain energy density

4 水穩(wěn)定性能評(píng)價(jià)

按照前述試驗(yàn)方法進(jìn)行各級(jí)配瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)試驗(yàn)，每組進(jìn)行3項(xiàng)平行試驗(yàn)，計(jì)算得到均值如圖9所示。

圖9 不同級(jí)配混合料水穩(wěn)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Water stability test result of different graded asphalt mixture

不同級(jí)配殘留穩(wěn)定度MS0、凍融劈裂強(qiáng)度比TSR隨級(jí)配的變化規(guī)律基本一致，表明2個(gè)指標(biāo)可較為統(tǒng)一地評(píng)價(jià)級(jí)配對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)性能的影響。但不同級(jí)配水穩(wěn)定性指標(biāo)差異明顯，各級(jí)配之間MS0差值可達(dá)7.70%，TSR差值最大為6.11%。其中，級(jí)配A和B混合料水穩(wěn)定性較好，級(jí)配C混合料水穩(wěn)定波動(dòng)明顯。

由于級(jí)配變化，導(dǎo)致了混合料最佳油石比及其他體積指標(biāo)等發(fā)生改變。而瀝青混合料水穩(wěn)定性一般受空隙率、瀝青膜厚度等指標(biāo)影響較大[24]，為深層次分析級(jí)配變化對(duì)混合料水穩(wěn)定性能的影響，計(jì)算出各級(jí)配混合料瀝青膜厚度(表3)，將其與水穩(wěn)定性指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如圖10所示。

圖10 水穩(wěn)性能同瀝青膜厚度相關(guān)性Fig.10 Correlation between water stability and asphalt film thickness

分析發(fā)現(xiàn)，二者擬合相關(guān)系數(shù)R2分別為0.86與0.69，可認(rèn)為具有較好相關(guān)性，MS0，TSR與瀝青膜厚度呈現(xiàn)二次相關(guān)關(guān)系。這是由于瀝青膜厚度增大，瀝青抵抗水侵蝕性能增強(qiáng)，但瀝青膜過(guò)大時(shí)，混合料體系中自由瀝青增加，導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)瀝青比例減小，混合料力學(xué)性能下降，雖然水浸入難度增加，但整體力學(xué)性能下降。為保證橡膠瀝青混合料據(jù)有較好的水穩(wěn)性，應(yīng)控制瀝青膜厚度在18.0 μm以內(nèi)。

綜合分析，雖然級(jí)配變化對(duì)混合料水穩(wěn)定并無(wú)規(guī)律性影響，但由于級(jí)配變化也會(huì)影響最佳油石比、瀝青膜厚度等參數(shù)變化，進(jìn)而在一定程度上間接影響水穩(wěn)定性。因此進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮級(jí)配變化對(duì)最佳油石比、瀝青膜厚度等參數(shù)的影響，保證混合料具有良好的水穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

基于車轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)，結(jié)合關(guān)鍵篩孔通過(guò)率、PCSI、貝雷法參數(shù)與分形維數(shù)等級(jí)配評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究了級(jí)配對(duì)攤鋪式應(yīng)力吸收層高溫性能、應(yīng)力吸收性能影響，并對(duì)水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出如下結(jié)論。

(1)級(jí)配A高溫性能、應(yīng)力吸收性能較差，不推薦作為應(yīng)力吸收層級(jí)配。級(jí)配B和C瀝青混合料的高溫性能較好，在進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，為獲得良好的高溫性能，應(yīng)盡量減小2.36 mm篩孔通過(guò)率與PCSI，降低分形維數(shù)Dc。

(2)小梁彎曲試驗(yàn)顯示，應(yīng)力吸收性能與4.75 mm 通過(guò)率、2.36 mm通過(guò)率、PCSI及Dc相關(guān)性較好。增大4.7 mm和2.36 mm篩孔通過(guò)率、PCSI及粗集料分形維數(shù)Dc可提高瀝青混合料應(yīng)力吸收性能。

(3)推薦采用小梁彎曲試驗(yàn)的彎拉應(yīng)變、應(yīng)變能密度綜合評(píng)價(jià)瀝青混合料應(yīng)力吸收性能。

(4)級(jí)配對(duì)水穩(wěn)定性變化并無(wú)顯著規(guī)律性影響，但瀝青膜厚度同瀝青混合料的水穩(wěn)定性相關(guān)性較好，MS0和TSR隨瀝青膜厚度呈二次方程關(guān)系，建議瀝青膜厚度不宜超過(guò)18.0 μm。