組成設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)ATB抗反射裂縫性能的影響

蔣世貴 周良放 付其林

（長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

0 引言

水穩(wěn)類半剛性基層瀝青路面及舊水泥路面加鋪瀝青面層易出現(xiàn)反射裂縫，導(dǎo)致其早期損壞嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了其使用壽命。為了解決瀝青路面反射裂縫這一難題，道路工作者相繼對(duì)瀝青穩(wěn)定碎石混合料（ATB）、土工布和瀝青砂等材料的抗裂性能進(jìn)行了研究。由于ATB具有抗反射裂縫的作用，還具有良好的路用性能，因此得到了較為廣泛的應(yīng)用。曹青青等人采用擴(kuò)展有限元模擬了荷載作用下反射裂縫的擴(kuò)展過程，研究表明骨架結(jié)構(gòu)的ATB有效限制了裂縫的自由發(fā)展；Li等人采用有限元模擬了偏荷載作用下基層帶有裂縫的瀝青面層受力特征，研究表明ATB有效降低了裂縫尖端最大應(yīng)力。為了驗(yàn)證理論分析與實(shí)際工程的統(tǒng)一性，PALIT等采用剪切試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料抵抗荷載的作用，研究表明ATB具有較高的抗剪強(qiáng)度；秦祿生等人研究表明ATB具有較高的抗沖擊次數(shù)；馮新軍等人研究表明ATB具有較高的彎拉疲勞次數(shù)?？梢?，目前我國對(duì)彎拉與剪切作用下ATB抗反射裂縫性能進(jìn)行了一定的研究。組成設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)系著瀝青混合料組成結(jié)構(gòu)，決定著其技術(shù)特性。然而，目前對(duì)組成設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)ATB抗反射裂縫性能影響的研究不足。集料粒徑、分形維數(shù)、膠漿膜厚度和粉膠比等是ATB組成設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，因此，該文通過側(cè)拉與直剪試驗(yàn)，研究側(cè)拉與直剪共同作用下組成設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)ATB抗反射裂縫性能的影響，為ATB組成設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 原材料技術(shù)特性

1.1 瀝青

瀝青為70#道路石油基質(zhì)瀝青，其主要技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 70#基質(zhì)瀝青的技術(shù)性質(zhì)

1.2 集料

粗集料和細(xì)集料均為石灰?guī)r碎石，礦粉為石灰?guī)r磨制的石粉，其主要物理性能指標(biāo)見表2。

表2 集料的物理性能指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.3 集料級(jí)配

參考ATB集料級(jí)配范圍，設(shè)計(jì)了不同公稱最大粒徑的7種集料級(jí)配，見表3。

2 試驗(yàn)方法

基于瀝青路面反射裂縫成因，通常將反射裂縫分為張開型裂縫與剪切型裂縫，這就要求ATB同時(shí)具有抗張開型裂縫與剪切型裂縫的能力。因此，該文采用側(cè)拉試驗(yàn)與直剪試驗(yàn)分別測(cè)試ATB抗張開型裂縫與剪切型裂縫的性能，以綜合評(píng)價(jià)ATB抗反射裂縫能力。

2.1 側(cè)拉試驗(yàn)

在溫度作用下基層裂縫處收縮引起瀝青面層底部受拉，面層底部開裂并向路表傳遞形成張開型裂縫；基于張開型裂縫形成原理，該文設(shè)計(jì)了側(cè)拉試驗(yàn)，示意圖如圖1所示。碾壓成型上層5 cm厚AC-13、下層5 cm厚抗裂材料（ATB）的復(fù)合車轍板，并切制成長30 cm、寬10 cm的復(fù)合試件。將復(fù)合試件膠結(jié)在側(cè)拉試驗(yàn)裝置上，在兩剛性板接縫寬度7 mm、試驗(yàn)溫度0 ℃及試驗(yàn)速率1 mm/min條件下，基于SANS材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行側(cè)拉試驗(yàn)。記錄試件斷裂時(shí)拉伸位移，以張開抗裂度（抗裂材料拉伸位移與AC-25拉伸位移比值）為指標(biāo)，評(píng)價(jià)瀝青混合料抗張開型裂縫性能。

圖1 側(cè)拉試驗(yàn)示意圖

2.2 直剪試驗(yàn)

在車輛荷載作用下引起基層裂縫處瀝青面層受剪，剪切作用導(dǎo)致反射裂縫形成?；诩羟行土芽p形成原理，該文設(shè)計(jì)了直剪試驗(yàn)，示意圖如圖2所示。碾壓成型上層5 cm厚AC-13、下層5 cm厚抗裂材料（ATB）的復(fù)合車轍板，并切制成長30 cm、寬10 cm的復(fù)合試件。將復(fù)合試件放置在直剪試驗(yàn)裝置上，在兩剛性板接縫寬度7 mm、試驗(yàn)溫度0 ℃及試驗(yàn)速率1 mm/min條件下，基于SANS材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行直剪試驗(yàn)。記錄試件斷裂時(shí)剪切荷載，以剪切抗裂度（抗裂材料剪切荷載與AC-25剪切荷載比值）為指標(biāo)，評(píng)價(jià)瀝青混合料抗剪切型裂縫性能。

圖2 直剪試驗(yàn)示意圖（單位：mm）

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 集料粒徑的影響

為了分析集料公稱最大粒徑對(duì)ATB抗反射裂縫性能的影響，對(duì)表3中1#、4#和7#級(jí)配3種集料粒徑的ATB進(jìn)行側(cè)拉試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，隨著集料粒徑的增大，ATB張開抗裂度與剪切抗裂度均增大；從數(shù)值上看，集料公稱粒徑從25 m增大到40 mm，張開抗裂度提高了14.4%，剪切抗裂度提高了21.3%。結(jié)果表明，增大集料粒徑可以同時(shí)提高ATB抗張開型與剪切型裂縫的性能，且對(duì)抗剪切型裂縫性能提高的更顯著。這是因?yàn)?，較大的集料起到橋聯(lián)作用，提高了抗剪切型裂縫性能，且改變了裂縫擴(kuò)展路徑，提高了抗張開型裂縫性能。這說明，集料粒徑對(duì)ATB抗反射裂縫性能影響顯著，采用較大集料粒徑的ATB可有效提高其抗反射裂縫性能。

圖3 集料粒徑對(duì)抗反射裂縫性能的影響

3.2 集料級(jí)配的影響

為了分析集料級(jí)配對(duì)ATB抗反射裂縫性能的影響，采用分形維數(shù)表征表3中2#~6#級(jí)配，對(duì)不同分形維數(shù)的ATB-30進(jìn)行側(cè)拉試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 分型維數(shù)對(duì)抗反射裂縫性能的影響

表3 設(shè)計(jì)集料級(jí)配

根據(jù)圖4可知，隨著分形維數(shù)的減小，ATB張開抗裂度逐漸提高。但是，剪切抗裂度先提高再降低，且分形維數(shù)在2.45時(shí)，其剪切抗裂度達(dá)到最大值。結(jié)果表明，適當(dāng)減小分形維數(shù)可以同時(shí)提高ATB抗張開型裂縫與抗剪切型裂縫的性能。但當(dāng)分形維數(shù)過小時(shí)，其抗剪切型裂縫的性能下降。這是因?yàn)?，隨著分形維數(shù)的減小，ATB粗集料逐漸增多，有利于混合料形成骨架結(jié)構(gòu)，且傳遞到上面層底部的應(yīng)力越小。當(dāng)粗集料過多時(shí)，反而破壞了混合料的骨架結(jié)構(gòu)。這說明，分形維數(shù)對(duì)ATB抗反射裂縫性能影響顯著，分形維數(shù)為2.45~2.48時(shí)其抗反射裂縫性能較好。

3.3 膠漿膜厚度的影響

為了分析膠漿膜厚度對(duì)ATB抗反射裂縫性能的影響，基于表3中4#級(jí)配和粉膠比1.0，對(duì)不同膠漿膜厚度的ATB-30進(jìn)行側(cè)拉試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5可知，隨著膠漿膜厚度的增大，ATB張開抗裂度逐漸提高。但是剪切抗裂度先提高再降低，且膠漿膜厚度在40μm時(shí)，其剪切抗裂度達(dá)到最大值。結(jié)果表明，適當(dāng)增大膠漿膜厚度可以同時(shí)提高ATB抗張開與剪切型裂縫的性能，但當(dāng)膠漿膜厚度過大時(shí)，其抗剪切型裂縫的性能下降。這是因?yàn)?，增多瀝青膠漿提高了ATB變形能力和抗剪強(qiáng)度，當(dāng)瀝青膠漿過量后對(duì)混合料起潤滑作用，降低了其抗剪強(qiáng)度。這說明，膠漿膜厚度對(duì)ATB抗反射裂縫性能影響顯著，膠漿膜厚度為40μm~44μm時(shí)其抗反射裂縫性能較好。

圖5 膠漿膜厚度抗反射裂縫性能的影響

3.4 粉膠比的影響

為了分析粉膠比對(duì)ATB抗反射裂縫性能的影響，基于表3中4#級(jí)配和膠漿膜厚40μm，對(duì)不同粉膠比的ATB-30進(jìn)行側(cè)拉試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，隨著粉膠比的增大，ATB張開抗裂度逐漸降低。但是，剪切抗裂度先提高再降低，且粉膠比在1.2時(shí)，ATB剪切抗裂度達(dá)到最大值。結(jié)果表明，適當(dāng)增大粉膠比對(duì)ATB抗張開型裂縫性能不利，但可以提高其抗剪切型裂縫性能。當(dāng)粉膠比過大時(shí)，對(duì)ATB抗張開型裂縫與抗剪切型裂縫的性能均不利。這是因?yàn)?，隨著粉膠比的增大，起潤滑作用的自由瀝青減小，降低了其變形能力，提高了其黏結(jié)強(qiáng)度；當(dāng)瀝青膠漿黏度過大時(shí)，反而降低了其黏結(jié)強(qiáng)度。這說明，粉膠比對(duì)ATB抗反射裂縫性能影響顯著，粉膠比為0.7~0.9時(shí)其抗反射裂縫性能較好。

圖6 粉膠比抗反射裂縫性能的影響

4 結(jié)語

集料粒徑對(duì)ATB抗反射裂縫性能影響顯著，隨著集料粒徑的增大，ATB張開抗裂度與剪切抗裂度均增大，采用較大集料粒徑的ATB可有效提高其抗反射裂縫性能。分形維數(shù)對(duì)ATB抗反射裂縫性能影響顯著，隨著分形維數(shù)的減小，ATB張開抗裂度逐漸提高，剪切抗裂度先提高再降低，分形維數(shù)為2.45~2.48時(shí)其抗反射裂縫性能較好。膠漿膜厚度對(duì)ATB抗反射裂縫性能影響顯著，隨著膠漿膜厚度的增大，ATB張開抗裂度逐漸提高，其剪切抗裂度先提高再降低，膠漿膜厚度為40μm~44μm時(shí)其抗反射裂縫性能較好。粉膠比對(duì)ATB抗反射裂縫性能影響顯著，隨著粉膠比的增大，ATB張開抗裂度逐漸降低，其剪切抗裂度先提高再降低，粉膠比為0.7~0.9時(shí)其抗反射裂縫性能較好。