抗裂性大粒徑再生柔性基層的路用性能研究

陳 璐，梁 巧

（1.杭州安通公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江交工高等級公路養(yǎng)護(hù)有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

強(qiáng)基薄面的路面結(jié)構(gòu)因良好的特性在我國廣泛使用，但隨著交通軸載的增加，反射裂縫始終是無法回避的問題。隨著使用年限的增加，半剛性基層本身不強(qiáng)的抗疲勞性能會制約整體路面結(jié)構(gòu)達(dá)到長壽命的使用要求[1]。因此隨之而來的“開膛破肚”式的大修會降低公路工程設(shè)計壽命的經(jīng)濟(jì)效益。

而相比于半剛性基層，柔性基層本身優(yōu)良的特性可以從源頭消除反射裂縫[2]。從柔性基層的機(jī)理可知，車轍與開裂通常產(chǎn)生于瀝青面層，不同于半剛性基層的結(jié)構(gòu)性破壞。采用柔性基層可避免“開膛破肚”式的大修，而且運(yùn)維成本較低，對通行的影響較小。在此基礎(chǔ)上采用銑刨料可以緩解天然石料的緊缺，進(jìn)一步提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，符合道路長壽命的理念[3]，并且已有研究者在室內(nèi)試驗與試驗段的基礎(chǔ)上提出了再生柔性基層[4]。銑刨料的再生利用源自于20世紀(jì)70年代的石油危機(jī)，美國、西歐發(fā)達(dá)國家與日本自80年代至今都保持著較高的銑刨料利用率[5-8]。周志堅等發(fā)現(xiàn)，采用銑刨料不僅能節(jié)約新瀝青的摻量，而且可提高高溫穩(wěn)定性和間接拉伸強(qiáng)度[9]。王松根等在研究與實踐中驗證了大粒徑柔性基層可用過舊路改造，并且可以有效防止反射裂縫的產(chǎn)生[10]。對于銑刨料的再生使用，研究者用過路用性能、設(shè)計方法以及使用后的性能預(yù)估等，均有豐富的成果，推動了銑刨料的再生應(yīng)用。鑒于此，本文采用緩裂型級配的設(shè)計思想，借助瀝青路面面層銑刨料與大粒徑粗骨料混合提出大粒徑瀝青混合料柔性基層的設(shè)計方法，通過數(shù)值試驗設(shè)計級配，再確定新瀝青與再生劑的摻量，驗證大粒徑抗裂再生柔性基層的適用性。

1 試驗方案

1.1 抗裂性能評價

瀝青路面的開裂多數(shù)是由于疲勞開裂引起，隨著軸載作用次數(shù)的增加與損傷的加劇，超過一定界限會導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)，因此抗裂性能在一定程度上決定道路的使用壽命。對于抗裂性能的評價方法有很多，其中以斷裂學(xué)評價方法最符合實際。半圓彎曲試驗（SCB試驗）操作簡單，試件來源廣泛，重復(fù)性好，是近年來評價瀝青混合料開裂性能的主要方法[11]。因此本文基于SCB試驗以線彈性斷裂力學(xué)的方法，采用斷裂能來評價柔性基層的抗裂性能。斷裂能計算如式（1）：

式中：ufinal為試件破壞時對應(yīng)的加載點位移；t為試件厚度，mm；r為試件半徑，mm；a為SCB切口深度，mm；P為破壞荷載，kN。

1.2 試驗方法

在級配設(shè)計中，擬定的不同級配對應(yīng)的最佳油石比必然存在差異，而瀝青用量會影響混合料的性能，因此為了減小油石比對試驗結(jié)果的影響，采用離散元軟件PFC 2D 5.0進(jìn)行數(shù)值試驗。

1.2.1 SCB試驗

試驗在-10℃進(jìn)行，加載速率為5 mm/min，采用具有伺服機(jī)制的UTM試驗機(jī)開展試驗。為了減小平行試件的誤差，采用150 mm的試件直徑[12]。為了防止切口過大造成應(yīng)力集中[13]，切口尺寸參照AASHTO TP124，長度和寬度分別為15 mm和1.5 mm，試件底部支撐點間距取120 mm。

1.2.2 單軸貫入試驗

單軸貫入試驗采用萬能材料試驗機(jī)，壓頭直徑為38 mm，試驗溫度采用60℃，試驗加載速率為1 mm/min，單軸強(qiáng)度按式（2）計算。

式中：τs為試件的單軸貫入剪切試驗強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞時的最大荷載，N；A為貫入桿的截面積，mm2。

1.3 數(shù)值試驗方法

先繪制試件輪廓與底座、加載板，再生成墻體，在試件輪廓中生成顆粒，再刪除試件輪廓的墻體，按照室內(nèi)試驗加載速率開始試驗。虛擬試驗本構(gòu)參數(shù)以室內(nèi)試驗誤差±10%進(jìn)行標(biāo)定，最終確定了一組較為理想的試驗參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值試驗本構(gòu)參數(shù)

2 大粒徑抗裂再生柔性基層級配設(shè)計

2.1 原材料

新?lián)饺氲臑r青采用鎮(zhèn)海重交通70號道路石油瀝青，大粒徑粗集料采用石灰?guī)r，指標(biāo)均符合規(guī)范要求。回收料為AC-13，設(shè)計級配與抽提后的級配見表2，抽提的油石比為4.4%.

表2 回收料抽提前后級配對比

由表2可知，相比于剛建成時期，各篩孔的通過率均有所提升，與建成后車輛反復(fù)作用相關(guān)。初期表現(xiàn)為混合料的進(jìn)一步壓密。而在重載車輛的作用之下，填充骨架的2.36 mm與1.18 mm破碎最為明顯，細(xì)集料逐漸從骨架結(jié)構(gòu)中剝落，而0.075 mm的通過率已超出規(guī)范上限，容易導(dǎo)致路面發(fā)生泛油、車轍等病害。

2.2 基于抗裂性能的柔性基層級配優(yōu)化

本文采用正交試驗進(jìn)行級配設(shè)計提高試驗效率，為了防止正交試驗設(shè)計過程中出現(xiàn)小粒徑篩孔的通過率高于次高級粒徑篩孔的通過率，根據(jù)ATB-30的規(guī)范級配作出一定調(diào)整，結(jié)果見表3。

表3 初步調(diào)整的ATB-30級配

大粒徑的顆粒通常對高溫性能與力學(xué)性能影響較大，而細(xì)集料中4.75 mm、2.36 mm與0.075 mm通過率會對低溫性能產(chǎn)生影響[14]，因此選定26.5 mm、19 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm 的通過率作為影響因素，影響水平取4個。在級配初步調(diào)整后，根據(jù)選擇的試驗因素和水平進(jìn)行正交試驗設(shè)計，試驗水平與因素見表4。

表4 正交試驗水平和因素

根據(jù)表4的試驗水平和因素，采用SPSS軟件設(shè)計正交試驗計劃，進(jìn)行數(shù)值試驗，正交試驗設(shè)計與試驗結(jié)果見表5，試驗結(jié)果分析見表6。

表5 關(guān)鍵篩孔通過率正交試驗設(shè)計與試驗結(jié)果

表6 因素極差分析

通過正交試驗的極差分析可知，粒徑越大，對高溫性能的影響程度越大；對于SCB的破壞荷載，0.075 mm通過率影響最大，26.5 mm次之；而抗裂性，0.075 mm通過率影響最大。驗證了高溫性能由粗骨料的占比決定，而數(shù)值試驗參數(shù)是依據(jù)出廠瀝青的性質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定，適量增加0.075 mm的通過率可提高耐久性，延長道路使用壽命，對基層抗裂性能有明顯的影響。根據(jù)表3的抽提結(jié)果，說明可以充分利用破碎后的細(xì)料來提高基層的抗裂性能。根據(jù)正交試驗的模擬結(jié)果，關(guān)鍵篩孔取試驗值，其余篩孔取規(guī)范中值，ATB-30抗裂級配如表7所示。

表7 ATB-30抗裂級配

在已有級配的基礎(chǔ)上，首先測試馬歇爾試驗結(jié)果，采用大馬歇爾試驗方法，結(jié)果見表8，以此作為確定新?lián)郊訛r青與再生劑的依據(jù)。

表8 不同成型方法下馬歇爾試驗結(jié)果

3 再生緩裂ATB-30油石比

3.1 回收料瀝青的性質(zhì)

通?；厥樟系脑偕O(shè)計是在回收料中摻入再生劑，目前舊料瀝青的抽提通常采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法與阿布森法，但后者操作復(fù)雜且受主觀影響較大，并且易產(chǎn)生較大的試驗離散性[15]，因此采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器法提取回收料中的瀝青。新?lián)饺氲?0號道路石油瀝青與抽提后的瀝青關(guān)鍵性指標(biāo)測試結(jié)果見表9。

表9 重交通70號道路石油瀝青技術(shù)性質(zhì)

3.2 再生劑摻量的研究

再生劑摻量通常只研究了在舊料中的摻量，但與新料混合需要增加瀝青時，對混合而成的瀝青指標(biāo)的變化規(guī)律也有必要研究。抽提的油石比為4.4%，根據(jù)馬歇爾試驗結(jié)果，換算后油石比增量為0.14%，以此研究再生劑摻量對瀝青指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)果見表10，對比結(jié)果見表11。

表10 不同再生劑摻量下混合瀝青的指標(biāo)

表11 不同再生劑摻量下混合瀝青的指標(biāo)

由表10可知，隨著再生劑摻量的增加，不滿足70號瀝青的指標(biāo)逐漸恢復(fù)至規(guī)范要求。由表11可知，與抽提出的瀝青相比，各指標(biāo)在不同再生劑摻量下提升明顯，但增幅逐漸減緩，結(jié)合表3的結(jié)果，再生劑摻量為6%時即可滿足70號瀝青的規(guī)范要求，比未摻入新瀝青相比要少2%[16].

4 性能驗證

在數(shù)值試驗與再生瀝青的研究基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗與采用70號瀝青的ATB-30級配中級進(jìn)行性能對比，主要包括高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性與疲勞性能。其中疲勞試驗參考文獻(xiàn)[17]，綜合考慮了試驗結(jié)果的代表性與持續(xù)時間，采用文中的荷載水平2.5 kN、應(yīng)力比0.32進(jìn)行疲勞性能測試。試驗結(jié)果見表12。

表12 不同再生劑摻量下混合瀝青的指標(biāo)

由表12可知，與ATB-30級配中值相比，由于細(xì)料的占比增加，平均動穩(wěn)定度降低了9%，而SCB破壞荷載、TSR、疲勞壽命分別提升了43%、8%、72%，說明對比ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石，緩裂ATB-30瀝青穩(wěn)定碎石的高溫性能降低，低溫性能、水穩(wěn)定性和疲勞性能均顯著提升。

5 結(jié)語

a）本文采用SCB試驗與單軸貫入試驗評價ATB-30級配的性能，應(yīng)用PFC軟件構(gòu)建了數(shù)值試驗以減少油石比的影響，以控制誤差10%得出了一組模型參數(shù)。

b）以抗裂性與高溫性能的影響，確定了26.5 mm、19 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm 為關(guān)鍵篩孔，設(shè)計了正交試驗進(jìn)行驗證，結(jié)果表明26.5 mm通過率對高溫性能的影響程度大，0.075 mm通過率對抗裂性影響最大，應(yīng)合理選擇粗集料的占比，提高0.075 mm的通過率以提高抗裂性能，并可充分利用回收料中的細(xì)料，據(jù)此提出了ATB-30抗裂級配。

c）ATB-30抗裂級配中19 mm以下采用回收料，摻入粗顆粒與70號瀝青。在瀝青與再生劑的摻入下，各指標(biāo)提升明顯，增幅逐漸減緩，當(dāng)再生劑摻量為6%時即可滿足70號瀝青的規(guī)范要求。

d）經(jīng)室內(nèi)試驗與常規(guī)ATB-30級配中值相比，ATB-30抗裂級配由于細(xì)料的占比增加，高溫性能降低了9%，而低溫性能、水穩(wěn)定性、疲勞性能分別提升了43%、8%、72%，說明再生緩裂ATB-30級配在高溫性能衰減不超過10%，而低溫性能與疲勞性能有顯著提升。