瀝青穩(wěn)定碎石（ATB）柔性基層低溫抗裂性能研究

王建華

（山西路橋集團國際交通建設工程有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

瀝青路面基層開裂是瀝青路面早期病害形式之一，在低溫條件溫度應力的作用下基層產(chǎn)生裂縫，經(jīng)過凍融循環(huán)作用基層承載力大幅降低，裂縫反射到瀝青面層，在重載作用下導致瀝青路面產(chǎn)生坑槽、塌陷等破壞現(xiàn)象。半剛性基層由于水泥、石灰的劑量、溫縮及干縮作用極易產(chǎn)生裂縫，而ATB柔性基層可彌補半剛性基層易產(chǎn)生早期病害的不足，且在道路改建工程中原破損路面的面層及基層材料可被全部利用[1-2]，ATB柔性基層與瀝青路面面層形成全厚式路面結構，同半剛性基層相比養(yǎng)護周期大幅縮短，可提早開放交通[3-4]。

本文結合合肥某公路改建工程，其路面結構設計方案為：20 cm水泥穩(wěn)定砂礫+16 cm水泥穩(wěn)定碎石+16 cm水泥穩(wěn)定碎石+10 cm瀝青穩(wěn)定碎石（ATB-30/ATB-25）+6 cm AC-20+4 cm AC-13，交通等級為重交通，中型以上貨車及大客車交通量為4 000～10 000輛/日，通過室內試驗研究ATB柔性基層在不同設計方法、成型方法下的低溫抗裂性能。

1 原材料試驗和級配選擇

1.1 原材料試驗

本研究采用合肥寶盈石化廠生產(chǎn)的70號A級道路石油瀝青，瀝青各項技術指標見表1；碎石采用廬江某石料廠石灰?guī)r，壓碎值為20.5%，最大粒徑為37.5 mm；砂采用機制砂，由5～10 mm碎石再次粉碎而得到；礦粉為強基性巖石經(jīng)過磨細處理所得，礦粉的表觀密度為2.68 g/cm3，其加熱安定性、含水量等指標均符合規(guī)范要求，集料及礦粉密度見表2、表3所示。

表1 合肥寶盈70號瀝青試驗結果

表2 粗集料密度表

表3 細集料及礦粉密度表

1.2 礦料級配

本試驗選用兩種典型級配類型ATB-30、ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石進行對比，其級配范圍及實際級配見表4，ATB-30、ATB-25級配曲線如圖1所示。由圖可知，ATB-30屬于特粗粒式混合料類型，ATB-25屬于粗粒式混合料類型，級配中含有較多的粗集料，應用于基層可以起到骨架承重作用。其中ATB-30 的礦料級 配組成為：20～40 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶礦粉 =34∶19∶14∶30∶3；ATB-25 的礦料級配組成為：10～30 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶礦粉 =30∶22∶20∶25∶3。

表4 ATB-30、ATB-25級配范圍及實際級配

圖1 ATB-30、ATB-25級配曲線圖

1.3 油石比

本試驗采用不同的設計方法及成型方式對瀝青穩(wěn)定碎石低溫彎曲性能進行對比分析研究，即常規(guī)馬歇爾法及力學指標設計方法與瀝青穩(wěn)定碎石試件不同的成型方式進行正交組合設計，組合方案如表5所示。比較4種方案，力學指標設計法比馬歇爾設計法得到的最佳油石比偏低，力學指標設計方法旋轉壓實成型試件得到的最佳油石比最低，比方案一降低了0.3%，降低了瀝青用量；方案一與方案二、方案三與方案四相對比，采用同一種設計方法旋轉壓實成型試件比擊實成型試件得到的最佳油石比低；采用相同的試件成型方式，力學指標設計方法比馬歇爾設計方法得到的油石比偏低。ATB-30與ATB-25相比較，同一組合方案中級配對油石比的影響較小。采用力學指標設計法并選用旋轉壓實成型試件更具有一定的經(jīng)濟性。

2 低溫抗裂性能研究

2.1 低溫彎曲破壞試驗

低溫彎曲試驗可以評價瀝青混合料的低溫拉伸性能，對上述4種不同組合方案的ATB-30、ATB-25試件進行低溫彎曲破壞試驗，試驗溫度為0℃和-10℃，加載速率為 50 mm/min，試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm的棱柱體小梁，破壞時抗彎拉強度、最大彎拉應變及彎曲勁度模量計算如式（1）～式（3）所示。

表5 ATB配合比設計及試件成型組合方案

式中：RB為抗彎拉強度，MPa；PB為破壞荷載，N；εB為最大彎拉應變，%；SB為彎曲勁度模量。由式（3）εB與SB為反比例關系，εB越小，SB越大，則瀝青穩(wěn)定碎石的低溫拉伸性能越差，低溫抗裂性能越差，低溫天氣狀況下產(chǎn)生的裂縫越多[5-6]。

表6 低溫彎曲試驗數(shù)據(jù)表

根據(jù)以上試驗結果分析可知：

a）對于ATB-30，4種方案的彎拉勁度模量SB排序為方案四大于方案一大于方案三大于方案二，采用方案二馬歇爾設計法旋轉壓實成型試件的條件下，彎拉勁度模量SB在0℃、15℃最小，低溫抗裂性能最優(yōu)；力學指標設計法旋轉壓實成型的試件低溫抗裂性能最差。即對于ATB-30馬歇爾設計法優(yōu)于力學指標設計法，旋轉壓實成型試件優(yōu)于馬歇爾擊實成型。

b）對于ATB-30，在0℃、-10℃及最佳油石比相同的情況下，方案二馬歇爾設計法旋轉壓實成型的試件低溫抗裂性能優(yōu)于方案一馬歇爾設計法擊實成型的試件；對于ATB-25，在0℃、-10℃及最佳油石比相同的情況下，方案二馬歇爾設計法旋轉壓實成型的試件低溫抗裂性能優(yōu)于方案三力學指標設計法擊實成型的試件。

c）對于ATB-30，在0℃時，油石比變化對各方案ATB-30試件低溫抗裂性能影響不大；但在-10℃時，隨著油石比的降低，ATB-30試件低溫抗裂性能逐漸降低。由此可知：在0℃時，影響ATB-30低溫抗裂性能的主要因素是礦料的級配；在-10℃時，影響ATB-30低溫抗裂性能的主要因素是瀝青用量，低溫狀態(tài)下結構瀝青的黏結性和延性對ATB-30低溫抗裂性能影響較大。

d）在-10℃時，ATB-30的彎拉勁度模量范圍在3 100～4 100 MPa之間，ATB-25的彎拉勁度模量范圍在4 500～6 500 MPa；ATB-25彎拉勁度模量變化幅度較大，而ATB-30彎拉勁度模量變化則較穩(wěn)定，可知ATB-30的低溫抗裂性能優(yōu)于ATB-25的低溫抗裂性能。同樣在0℃時，ATB-30低溫抗裂性能也優(yōu)于ATB-25低溫抗裂性能。可知，ATB混合料中礦料公稱最大粒徑對ATB混合料低溫性能有較大的影響，選用公稱最大粒徑較大的石料可提高ATB的低溫性能。

e）ATB-30在0℃及-10℃的彎拉勁度模量相差不大，但ATB-25在0℃及-10℃的彎拉勁度模量相差較大，ATB-25在溫度變化較大時，低溫性能較差，ATB-30低溫抗裂性能更穩(wěn)定。

2.2 低溫彎曲蠕變試驗

對采用方案二馬歇爾設計法旋轉壓實成型的ATB-30、ATB-25試件進行0℃低溫彎曲蠕變試驗，試件尺寸為：250 mm×30 mm×35 mm，支點間距為200 mm，加載速率與低溫彎曲試驗速率相同，P0為10%×PB，對ATB-30、ATB-25試件進行3次平行試驗。

對瀝青穩(wěn)定碎石采用方案二的設計與成型方法，ATB-30彎曲蠕變速率εs在40×10-6（1/s/MPa）左右，ATB-25彎曲蠕變速率εs在17×10-6（1/s/MPa）左右，ATB-30的彎曲蠕變速率是ATB-25的彎曲蠕變速率的一倍以上，而εs越大，則瀝青混合料低溫性能越穩(wěn)定，即ATB-30的低溫抗裂性能優(yōu)于ATB-25的低溫抗裂性能，與前述ATB-30、ATB-25低溫彎曲試驗所得的結論相一致。

表7 低溫彎曲蠕變試驗數(shù)據(jù)表

3 結語

a）采用同一種設計方法旋轉壓實成型試件比擊實成型試件得到的最佳油石比低；采用相同的試件成型方式，力學指標設計方法比馬歇爾設計方法得到的油石比偏低。力學指標設計法并選用旋轉壓實成型方式具有一定的經(jīng)濟性。

b）馬歇爾設計法旋轉壓實成型試件ATB低溫抗裂性能最優(yōu)，力學指標設計法旋轉壓實成型的試件低溫性能最差。在0℃時，影響ATB-30低溫抗裂性能的主要因素是礦料的級配；在-10℃時，影響ATB-30低溫抗裂性能的主要因素是瀝青用量，低溫狀態(tài)下結構瀝青的黏結性和延性對ATB-30低溫抗裂性能影響較大。

c）ATB-30的低溫性能優(yōu)于ATB-25的低溫性能，在工程中宜選用公稱最大粒徑較大的石料并采用馬歇爾設計法旋轉壓實成型方式，可顯著提高瀝青穩(wěn)定碎石（ATB）混合料的低溫抗裂性能。