瀝青穩定碎石基層厚度對其動態力學性能的影響研究＊

楊大田 楊錫武

（重慶交通大學土木建筑學院 重慶 400074）

0 引 言

瀝青穩定碎石柔性基層［1］與半剛性基層相比，不易產生收縮開裂和水損害；作應力消散層，可以有效地減少路面應力集中現象，延緩路面放射裂縫的產生；與面層材料結構相似，可以與瀝青混凝土面層粘結牢固，且模量接近，路面結構的受力、變形更為協調.瀝青穩定碎石基層具有修筑時間短、路面結構均勻、受水與冰凍影響較小、維修費用較低、路面材料能全部被重復利用和使用壽命延長等特點，具有良好的發展和應用前景.

《公路瀝青施工技術規劃》［2］（以下簡稱《規范》）規定瀝青混凝土單層壓實厚度不得大于100 mm，ATB－25單層攤鋪壓實最小厚度為70mm，ATB－30單層攤鋪壓實最小厚度為90mm，從國內外來看，瀝青穩定類基層典型設計厚度一般為150mm［3］.根據《規范》，若按單層進行施工，很難達到壓實度標準；若按雙層施工，則又受集料最大公稱粒徑的影響，易于壓碎集料，改變混合料級配，從而改變路用性能.

李麗民［4］等用標準車轍試驗儀測試了50 mm和70mm 2種厚度試件的動穩定度，發現70 mm試件的動穩定度比50mm試件的大.左劼［5］也采用標準車轍試驗儀測試了50mm厚度試件的動穩定度.對于瀝青穩定碎石基層，厚度50 mm車轍板試件不滿足《規范》規定的2～3倍公稱最大粒徑，因此，用厚度50mm的試件進行動穩定度試驗，其結果有待進一步論證.由于國內車轍試驗儀普遍采用杠桿加載，試件的標準厚度為50mm，所以只有在這種厚度情況下，測試輪與試件間的接觸壓強才不發生變化［6］，測得動穩定度才可靠.楊大田［7］等利用通用材料實驗機，對高度在80～100mm之間的瀝青穩定碎石試件進行單軸動態蠕變試驗，發現施加的軸向荷載不受試件高度影響，成功地評價瀝青穩定碎石高溫穩定性能.單軸動態蠕變試驗是在通用材料實驗機上對試件表面施加一個垂直壓力，這種實驗設備不受試件厚度影響.

基于以上原因，利用單軸動態貫入蠕變試驗方法研究瀝青穩定碎石基層厚度對其動態力學性能是可行的，它們之間相互關系對瀝青穩定碎石基層施工十分必要，可為瀝青穩定碎石基層施工提供技術參考，有利于瀝青穩定碎石基層推廣應用，同時，也采用間接拉伸疲勞試驗分析它們之間的關系.

1 原材料及性能

粗集料采用石灰巖碎石，公稱最大粒徑為31.5mm，平均密度為2.692g／cm3.細集料采用石灰巖碎石，公稱最大粒徑4.75mm，平均密度為2.714g／cm3.瀝青采用70＃道路石油瀝青，針入度75（0.1mm），軟化點55℃，15℃延度大于100cm［8］.

礦料級配見表1.

表1 礦料級配

2 大型馬歇爾試驗

根據大型馬歇爾試驗，得到最佳油石比及其對應的毛體積密度，見表2.

表2 大型馬歇爾試驗結果

3 瀝青穩定碎石動態力學性能試驗

3.1 試件成型

依據大馬歇爾試驗所得毛體積密度與最佳油石比，分別制作ATB25，ATB30公稱最大粒徑2.0，2.5和3.0倍高度的試件（以下簡稱n倍NMSA高度試件，n取2.0，2.5和3.0），并測試其毛體積密度，見表3和表4.

表3 瀝青穩定碎石基層試件高度

表4 瀝青穩定碎石基層試件毛體積密度

由表3可見，采用擊實法，成型各n倍NMSA高度的試件，最終實測試件高度與理論計算高度相差在3mm之內，符合誤差要求.由表4可見，ATB25試件的毛體積密度比表2中的稍高；ATB30試件的毛體積密度比表2中的稍小，這可能與公稱最大粒徑和試件成型高度等因素有關，但不影響其他試驗結果.

3.2 動態貫入蠕變試驗

1）試驗條件 試驗溫度：（40±0.5）℃；加載頻率：0.5Hz；試驗荷載：225kPa（考慮加載板重量等因素）.動態蠕變試驗加載示意圖，見圖1.加載板直徑100mm，因為試件直徑為150mm，所以相當于加載板是貫入到試樣中，故名為動態貫入蠕變試驗.

圖1 動態貫入蠕變試驗示意圖

2）試驗結果及討論 加載3 600次后試件的動態貫入蠕變模量為

式中：σ為施加的實際荷載，225kPa；ε3600為加載3 600次后試件的累積動態貫入形變，10－6.計算結果見表5.

表5 加載3 600次后試件的動態貫入蠕變模量

由表5可見，高度為2倍NMSA，ATB25的動態蠕變模量最大；2.5倍NMSA時，動態蠕變模量最小；3倍NMSA時，動態貫入蠕變模量靠中間.這充分說明試件在高度5～8cm之內不能獲得足夠的穩定強度.

級配 ATB30在高度為2.5倍 NMSA，即78.8mm時型模量最大.可見粗粒式密級配瀝青穩定碎石形成骨架密實結構，并顯著影響其穩定性的高度一般為80mm左右.

綜合表3、表4，推薦柔性基層施工時一次攤鋪壓實厚度為80mm左右.

對于ATB25，公稱最大粒徑為26.5mm，在2倍NMSA高度上最多可能有2顆26.5mm的碎石；在2.5倍NMSA高度上仍然最多可能有2顆26.5mm的碎石和1顆16mm的碎石；在3倍NMSA高度上最多可能有3顆26.5mm的碎石.在最佳瀝青用量條件下，3種高度試件的瀝青膜厚度是相同的，因而瀝青粘結集料的力是相同的，也就是來源于瀝青粘結力對集料的圍壓是相等的.因此，根據壓桿原理，試件厚度越大，試件變形越大；但從碎石嵌擠程度上來看，試件體積越大，在相同擊實功作用下（從毛體積密度來看，擊實程度幾乎相同），混合料就越多，試件越容易擊實，嵌擠程度越高，因而試件變形越小.這兩個過程彼此相互消長，最終高度集中在80mm左右的試件獲得較高的動態貫入蠕變模量.

同樣，對于ATB30，具有相似原因.

圖2 瀝青穩定碎石間接拉伸疲勞試驗

3.3 間接拉伸疲勞試驗

1）試驗條件［9］試驗溫度：（20±0.5）℃；加載時間：100ms；荷載大小：1／3應力比；荷載波形：半正弦波.

2）試驗結果及討論 試驗結果見圖2.由圖2可知，ATB25疲勞壽命最大的為NMAS組試件的3.0倍，所得結果也與動態蠕變實驗結論基本相同，試驗中試件的疲勞壽命隨厚度的增大而增加，在3.0倍NMAS厚度時顯著增加變化較大，說明影響因素不僅僅是試件厚度，混合料結構對瀝青穩定碎石的疲勞性能有較大影響.同樣地對于ATB30具有相似規律.

4 結束語

通過動態貫入蠕變試驗，根據動態貫入蠕變模量指標，分析了瀝青穩定碎石ATB25和ATB30兩種混合料試件成型高度和混合料結構對其動態性能的影響.試驗結果表明，試件在厚度80mm左右能獲得較高的動態貫入蠕變模量.通過間接拉伸疲勞試驗，再次證明該結論.因此，在瀝青穩定碎石基層單層攤鋪碾壓厚度在80mm左右比較合適，即可獲得較高高溫穩定性能，又可以防止集料被碾碎.

［1］黃開宇.瀝青穩定碎石基層結構的應用技術研究［J］.公路工程，2009，34（2）：48－52.

［2］交通部公路科學研究所.JTGF40－2004公路瀝青施工技術規范［S］.北京：人民交通出版，2004.

［3］JASON C W.Investigation of permeable asphalt treated base in Alabama［R］.Aubum，Alabama，2007.

［4］李麗民，劉 劍，曾 革.瀝青穩定柔性基層的抗車轍性能［J］.材料科學與工程學報，2008，26（4）：540－544.

［5］左 劼.兩種瀝青穩定碎石混合料關鍵路用性能分析［J］.華東公路，2008，8（20）：74－76.

［6］交通部公路科學研究所.JTJ025－2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程［S］.北京：人民交通出版社，2000.

［7］楊大田，夏文軍，楊錫武.蠕變試驗評價瀝青穩定碎石高溫流動變形性能［J］.重慶交通大學學報：自然科學版，2008，27（5）：748－752.

［8］交通部公路科學研究所.JTGE42－2005公路工程集料試驗規程［S］.北京：人民交通出版社，2005.

［9］李 斌.瀝青穩定碎石基層在高寒地區高速公路的應用［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007，29（9）：21－24.