成型方法對柔性基層抗裂性能的影響研究

袁盛杰，廖亞雄，魏 威

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

半剛性基層瀝青路面在低溫條件下，經重載反復作用會形成疲勞裂縫[1]，并且是當下重載車載增多的趨勢下表現出的主要破壞形式之一，不利于當下長壽命道路的發展理念。而開裂的起始點往往在基層，應用柔性基層解決半剛性基層瀝青路面是有效的解決方法之一，因此必須保證柔性基層具有良好的低溫抗裂性能，以發揮其優勢[2]。而不同的成型方法對柔性基層路用性能的影響也不同，對此研究者在不同成型方法之下均做過一些體積參數與路用性能的比較。劉海龍[3]研究了旋轉壓實法下柔性基層的路用性能，發現基于力學原理的方法優于馬歇爾方法。賈立萍等[4]在北楊公路大中修過程中采用旋轉壓實法進行柔性基層的設計，發現試件的體積參數雖然與現有規范有出入，但室內試驗與實踐均表現出了良好的使用效果。王建華[5]研究了常用柔性基層的低溫抗裂性，發現ATB-30要優于ATB-25，并以馬歇爾設計配合比，再用旋轉壓實法成型性能最佳。鑒于此，依托G215線馬鬃山至橋灣公路工程MQCKS-1標段對ATB-30柔性基層基于抗裂性能研究成型方法的適用性。

1 原材料

(1)瀝青

試驗用瀝青為A級70號瀝青，產自新疆克拉瑪，其技術性質見表1。

表1 A級70#瀝青技術性質

(2)粗集料

試驗用粗集料為石灰巖碎石，機制砂為試驗用細集料，礦粉為石灰巖礦粉，技術符合規范要求。

(3)級配

表2 ATB-30瀝青混合料級配各檔篩孔通過率

2 試驗方案

2.1 成型方法

為了能評價成型方法的適用性，所有成型的試件尺寸均為φ150 mm×h100 mm，分別采用馬歇爾擊實法、振動壓實法與GTM法成型試件。

(1)馬歇爾擊實法

馬歇爾擊實法是世界上使用時間最長、范圍最廣的方法，20世紀40年代發明，可根據擊實次數的調整適應不同的交通軸載水平。但是在使用中會存在試驗結果變異系數大、不穩定的情況，會與實際情況有差距。對此，鄭求才等[6]研究了柔性基層的標準馬歇爾與大馬歇爾試件的影響，并根據不同試件尺寸提出了在設計與應用方面的指導意見。馬歇爾擊實法采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E-20—2011)中的大型馬歇爾試件制作方法進行，錘重為10.21 kg，擊實次數為112次。

(2)振動擊實法

振動擊實法最早在歐洲使用，國內外對此有著較多的研究。解曉光等[7]研究指出當混合料中4.75 mm篩孔的通過率若大于40%～50%，馬歇爾擊實法成型試件的體積參數與振動擊實成型基本一致；隨著4.75 mm篩孔通過率的減少，馬歇爾擊實法會呈現出顆粒破碎量增大，而振動擊實法不會；當4.75 mm篩孔通過率低于35%時，振動擊實法可以使顆粒排列更加密集，馬歇爾穩定度和抗裂性能顯著提高。沙愛民[8-9]研究指出，對于大粒徑碎石瀝青混合料不宜采用馬歇爾擊實法成型試件，易造成集料破碎，尤其是在公稱最大粒徑附近的集料破碎情況嚴重，以致改變原有的級配組成影響混合料性質。王天林[10]采用振動擊實法對ATB-30的力學性能進行研究，發現該方法下室內試驗與現場芯樣跟接近。在規范振動成型方法的基礎上已有研究采用了與實際跟相符的垂直振動成型方法[11]，根據已有研究成果，垂直振動成型方法的參數采用上車系統重量108 kg，下車系統質量167 kg，使用質量更符合ATB-30瀝青混合料的成型。振動頻率為38 Hz，名義振幅調為1.2。

(3)旋轉壓實法

旋轉壓實儀(Gyratory Testing Machine，簡稱GTM)在1960年左右由美國Army Corps of Engineers最先發明，用于道路材料試驗。隨后美國空軍發現重型飛行設備對機場道路的損害尤為嚴重，為了解決這個問題，組織道路相關學者對GTM進一步深入開發研究，研究成果經整理成為現路面材料的旋轉壓實設計法。GTM較為真實地還原了輪載對路面的作用效果，它將壓實與剪切兩種作用方式用一臺機器來模擬且結合良好，能再現柔性路面在荷載作用下的應力狀態，將輪載碾壓路面時輪胎與道路的作用效果最大程度地還原，室內試驗與現場實際施工、壓實都比較接近，經旋轉壓實后，瀝青混合料的試件密度與車輛輪胎作用于路面后的密實度有著高度的一致性。由GTM法的設計理念可以知道，它的目標是防治瀝青混合料產生較大的累計變形，先分析混合料的力學特性再設計混合料的配比，與傳統經驗法相比更加合理[12]。旋轉壓實法試驗壓強采用我國標準軸載0.7 MPa，試驗參數參考已有研究[13]，應變比取1.05，抗剪安全系數大于1.0。

不同成型方法下馬歇爾試驗結果見表3。

表3 不同成型方法下馬歇爾試驗結果

2.2 SCB試驗方法

瀝青路面的開裂多數是由于疲勞開裂引起，隨著軸載作用次數的增加與損傷的加劇，超過一定界限會導致裂縫的出現，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，尤其以斷裂學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，重復性好，是近年來評價瀝青混合料開裂性能的主要方法[14]。根據斷裂力學理論進行SCB試驗后進行抗裂性能研究，試驗在-10 ℃進行，試件底部支撐點間距取120 mm，加載速率為5 mm/min，采用具有伺服機制的UTM試驗機開展試驗。SCB抗拉強度計算公式如下

(1)

式中：P為極限荷載，N；t為試件厚度，mm，一般選為50。

2.3 抗裂性能評價

對于抗裂性能的評價方法有很多，尤其以斷裂學評價方法最符合實際[15]，以線彈性斷裂力學的方法，采用應力強度因子與能量釋放率來評價柔性基層的抗裂性能。

(1)應力強度因子

應力強度因子是反映裂縫尖端應力場強弱的物理量，它與應力、裂縫位置和尺寸等因素有關。隨著裂縫寬度不斷增大或者應力逐漸增加，應力強度因子也逐漸增大。研究表明，當K增大到某一臨界值KIC時，裂縫就會發生失穩擴展，KIC稱為斷裂韌度。對于瀝青混合料而言，計算見公式(2)

(2)

式中：R、t分別為試件的半徑與厚度，厚度取50 mm；a為試件的破壞時的有效裂縫長度；P為試件的破壞荷載；Y是形狀參數。

(2)能量釋放率

能量釋放率按照美國AASHTO TP105-2015中的計算方法進行，由公式(3)計算

(3)

式中：W為試件破壞過程中釋放的能量，J；A為試件破壞時的裂縫擴展面積，mm2。

3 試驗結果與分析

3.1 SCB試驗結果

不同成型方法下的SCB試驗結果見表4，歸一化數值分析見表5。

表4 不同成型方法-10 ℃下SCB試驗結果

表5 不同成型方法-10 ℃下 SCB試驗結果歸一化分析

瀝青混合料試件在-10 ℃下表現為線彈性材料，破壞形式為脆性斷裂；由表4、5可知，振動擊實法與旋轉壓實法的試件破壞荷載、強度更高，位移更大，破壞荷載分別比馬歇爾擊實法提高9%、5%，強度提高38%、50%，位移提高6%，31%，說明后兩種成型方法比馬歇爾擊實法更符合實際，集料在成型過程中的排列與結構更加穩定。

3.2 抗裂性能

不同成型方法下的SCB試驗結果見表6，歸一化數值分析見表7。

表6 不同成型方法下-10 ℃瀝青混合料抗裂性能

表7 不同成型方法下-10 ℃瀝青混合料抗裂性能歸一化分析

由表6、7可知，振動擊實法與旋轉壓實法成型的試件抗裂性能均優于馬歇爾擊實法，印證了瀝青混合料的抗裂性能會隨著孔隙率的增大而降低[16]。而旋轉壓實法的斷裂韌度與能量釋放率分別高于振動擊實法13%、12%，這是因為改良振動法的擊實原理是基于低振幅的持續作用來改變集料的排列方式，無法模擬壓實過程中的碾壓行為，而旋轉壓實法的搓揉作用與實際路面成型更相符。

3.3 路用性能

因低溫抗裂性在前文已進行評價，對ATB-30瀝青混合料在3種成型方法下路用性能評價只考察高溫性能與水穩定性能，高溫性能采用車轍試驗，成型10 cm厚車轍板；水穩定性采用浸水殘留穩定度，抗滲性采用滲水試驗，試驗結果見表8，歸一化數值分析見表9。

表8 不同成型方法下的路用性能

由表8、9可知，路用性能方面，振動擊實法與旋轉壓實法均優于馬歇爾擊實法，相比于馬歇爾法高溫性能、低溫性能、水穩定性與抗滲性分別提升了31%、24%、1.4%、51.6%，說明旋轉壓實法用于柔性基層有著優良的路用性能，并且比另2種方法有著更好的抗裂性能。

表9 不同成型方法下的路用性能歸一化分析

4 結 語

(1)采用馬歇爾擊實法、振動擊實法、旋轉壓實法研究ATB-30柔性基層的抗裂性，以線彈性斷裂力學的方法，采用應力強度因子與能量釋放率來評價柔性基層的抗裂性能。

(2)SCB試驗結果發現，振動擊實法與旋轉壓實法成型的試件抗裂性能均優于馬歇爾擊實法，而旋轉壓實法的抗裂性能可比振動擊實法提高至少12%，原因在于旋轉壓實法的搓揉作用與實際路面成型更相符。

(3)根據其他路用性能檢驗，旋轉壓實法用于柔性基層有著優良的路用性能，并且比馬歇爾擊實法、振動擊實法有著更好的抗裂性能。與馬歇爾擊實法相比，高溫性能、低溫性能、水穩定性與抗滲性分別提升了31%、24%、1.4%、51.6%。