基于抗裂性能的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法淺析

(長(zhǎng)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)

基于抗裂性能的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法淺析

焦麗亞

(長(zhǎng)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)

我國(guó)現(xiàn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法以馬歇爾法最為廣泛，本文在馬歇爾方法的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)時(shí)加入表征抗裂性能的指標(biāo)。而我國(guó)規(guī)范并沒(méi)有表征抗反射裂縫性能的指標(biāo)，研究人員提出了多個(gè)表征抗裂性能的指標(biāo)，如沖擊韌性、應(yīng)力衰減率等，各有其優(yōu)缺，為避免一個(gè)指標(biāo)難以很好地表征抗裂性能，選擇兩個(gè)指標(biāo)同時(shí)表征抗裂性能，相互比較以到達(dá)更好的效果。

瀝青混合料；配合比設(shè)計(jì)；抗反射裂縫

一、瀝青混合料設(shè)計(jì)方法概述

目前國(guó)內(nèi)外瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法有兩大類(lèi)：體積設(shè)計(jì)法和GTM法^([1])。體積設(shè)計(jì)法根據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)的不同分為兩種：一是用油量標(biāo)準(zhǔn)，求得與所選礦料剛好相適應(yīng)的瀝青用量即為最佳瀝青用量，以現(xiàn)行的馬歇爾法為代表。二是空隙率標(biāo)準(zhǔn)，以美國(guó)的Superpave設(shè)計(jì)方法為代表，求得滿足空隙率要求和礦料間隙率要求的用油量為最佳瀝青含量，該法更注重混合料整體上的結(jié)構(gòu)特性。

馬歇爾設(shè)計(jì)法的基本原理是體積設(shè)計(jì)法，即在分析研究瀝青混合料性能時(shí)，以瀝青結(jié)合料與集料成分的體積比例作為計(jì)算依據(jù)，最終要達(dá)到的主要指標(biāo)也是體積指標(biāo)。由于馬歇爾法所采用的設(shè)備價(jià)格低廉、便于攜帶，在我國(guó)應(yīng)用廣泛。但這個(gè)帶有經(jīng)驗(yàn)性的方法有一定的局限性^([2])，如沒(méi)有加入路用性能的指標(biāo)，或考慮體積指標(biāo)與路用性能之間的關(guān)系。

Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)成果在某種程度上預(yù)測(cè)了瀝青路面的使用性能，因此同傳統(tǒng)的馬歇爾法相比有了很大的進(jìn)步。但該法由于需要昂貴的設(shè)備和大量的氣象資料，而且試驗(yàn)工作量又很大，試驗(yàn)比較復(fù)雜，一定程度上限制了該技術(shù)的推廣，目前只使用于研究單位。而且，它所考慮的路用性能也僅限于常規(guī)的路用性能，沒(méi)有考慮抗反射裂縫性能。

GTM是指美國(guó)工程兵團(tuán)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)機(jī)，GTM法通過(guò)混合料達(dá)被旋轉(zhuǎn)壓實(shí)到平衡狀態(tài)時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)來(lái)確定路面混合料的設(shè)計(jì)密度和最佳瀝青用量。因此，GTM法具有較高的抗車(chē)轍能力，適用于對(duì)抗高溫變形要求較高的重載道路。 但由于設(shè)備昂貴，試驗(yàn)復(fù)雜，目前在中國(guó)也僅限于研究。

目前國(guó)內(nèi)在設(shè)計(jì)防治裂縫的瀝青混合料方面還沒(méi)有系統(tǒng)的研究，也沒(méi)有相關(guān)的規(guī)范和試驗(yàn)規(guī)程，現(xiàn)行的級(jí)配設(shè)計(jì)方法即使有考慮路用性能，但均沒(méi)有涉及通過(guò)調(diào)整級(jí)配及油石比等來(lái)提高抗裂性能，提高抗反射裂縫的性能還主要是通過(guò)設(shè)置應(yīng)力吸收層。

二、抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

(一)斷裂韌性

Rice于1968年提出了J積分理論，Mull等^([3])采用預(yù)切縫的半圓彎拉試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的抗裂性能進(jìn)行了研究。J積分理論可以避開(kāi)分析裂紋尖端附近復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，物理意義明確，可以有效的評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，斷裂韌度J_c可以很方便的預(yù)切縫的半圓彎拉試驗(yàn)直接獲得。研究人員采用基于數(shù)字圖像處理技術(shù)的有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬^([4])，能較為真實(shí)的反映瀝青混合料本身的不均勻性，在細(xì)觀尺度上反映材料組成特性對(duì)斷裂韌度J_c的影響，就可以從細(xì)觀的角度考慮如何改善瀝青混合料的抗裂能力。

采用斷裂韌性J_c作為評(píng)價(jià)瀝青混合料抗裂性能的有效指標(biāo)，試驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，成本低廉，試件的制作方便，既可以旋轉(zhuǎn)壓實(shí)或者馬歇爾制件，也可以直接從現(xiàn)場(chǎng)鉆芯獲得半圓彎拉試件。而且以斷裂韌性J_c作為指標(biāo)，符合瀝青混合料流體力學(xué)特性，能很好地表征抗反射裂縫性能。

(二)沖擊韌性

有人提出用沖擊韌性作為抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)。車(chē)輪荷載作用在混凝土路面裂縫相應(yīng)位置的時(shí)間非常短，作用力比較大，具有明顯的沖擊荷載的特征。因此，如果能夠測(cè)定出瀝青混凝土試件在高速荷載作用下發(fā)生斷裂的荷載變形曲線，則該曲線下的面積就代表材料發(fā)生斷裂所需要的能量，并可以形式地將其稱為沖擊韌性^([5])。顯然，沖擊韌性值越大，材料抵抗反射裂縫的能力越強(qiáng)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，沖擊韌性與疲勞壽命的相關(guān)性很好，而且沖擊韌性的試驗(yàn)裝置十分簡(jiǎn)單，采用靜力壓力機(jī)即可。

(三)OT試驗(yàn)應(yīng)力損失率或循環(huán)次數(shù)

美國(guó)提出Overlay test試驗(yàn)檢測(cè)瀝青混合料抗裂性能。Overlay Tester (OT)是由Ly lion等^[6]在20世紀(jì)70年代設(shè)計(jì)的，用來(lái)模擬裂縫的張開(kāi)與閉合的試驗(yàn)方法，而這兩個(gè)行為正是導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展的動(dòng)力。后來(lái)，F(xiàn)ujie Zhou 等^([7])將其改進(jìn)，用來(lái)作為預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)瀝青面混合料的抗裂性能的簡(jiǎn)便的試驗(yàn)方法。該方法目前主要應(yīng)用在美國(guó)，由美國(guó)德克薩斯州交通委員會(huì)制定了試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，近年來(lái)在全世界范圍內(nèi)逐步推廣。OT試驗(yàn)以達(dá)到93%應(yīng)力損失率時(shí)的循環(huán)次數(shù)或1200循環(huán)后的應(yīng)力損失率作為指標(biāo)，試驗(yàn)方便，但是若以達(dá)到93%應(yīng)力損失率時(shí)的循環(huán)次數(shù)為指標(biāo)，同組的測(cè)試結(jié)果變異性較大，而以1200循環(huán)后的應(yīng)力損失率為指標(biāo)測(cè)定不同級(jí)配的抗裂性能，不同組的測(cè)試結(jié)果變化很小，而且試驗(yàn)耗時(shí)太長(zhǎng)。

三、基于抗裂性能的瀝青混合料設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)述

瀝青混合料馬歇爾方法由于其設(shè)備廉價(jià)、試驗(yàn)簡(jiǎn)單，在我國(guó)應(yīng)用廣泛，而且我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范瀝青混合料設(shè)計(jì)方法也是馬歇爾法。綜合上述情況，應(yīng)考慮在馬歇爾法的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，以突出其抗裂性能。馬歇爾設(shè)計(jì)法的指標(biāo)是基于體積法的，和路用性能相關(guān)性較差，和抗反射裂縫性能更是相關(guān)甚少。所以為了設(shè)計(jì)出抗裂性能好的瀝青混合料，需要選出抗裂性能的級(jí)配和最佳瀝青用量。基于上述思路，提出改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法的基本思路：(1)控制控制篩孔的通過(guò)率及空隙率，以彈性模量及其他體積參數(shù)篩選出抗裂性能最好的一個(gè)或兩個(gè)級(jí)配；(2)在馬歇爾試驗(yàn)中加入應(yīng)力衰減率(循環(huán)次數(shù))和沖擊韌性或應(yīng)力衰減率(循環(huán)次數(shù))和斷裂韌性作為評(píng)價(jià)抗裂性能的指標(biāo)，從而確定最佳油石比。

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焦麗亞(1992-)，女，長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究生。