瀝青混合料抗反射裂縫試驗參數的優化

胡小弟，袁成，白桃

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074

瀝青混合料抗反射裂縫試驗參數的優化

胡小弟，袁成，白桃*

武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430074

Overlay Tester（OT）是美國德州交通研究所（TTI）新開發的、用來評價瀝青混合料抗反射裂縫性能的試驗方法.它有效地模擬了瀝青路面反射裂縫的基本特性，通過施加周期荷載并以荷載循環次數來評價瀝青混合料的抗反射裂縫性能；其試驗參數包括試件厚度38 mm、初始裂縫寬度2 mm、加載頻率0．1 Hz、最大拉伸位移0．625 mm等.目前的試驗方法中，這些試驗參數并沒有經過有效的對比分析和評估，而是根據經驗武斷地選取.結合我國瀝青路面實際情況，通過對OT的各個試驗參數進行對比試驗，分析了各個試驗參數的不同取值對試驗結果所產生的影響，最終對該試驗方法的基本試驗參數做出了優化.試驗結果表明：試件的厚度可以采用40 mm，加載頻率采用0．2 Hz，初始裂縫寬度參考德州交通部規定值為2 mm；對于最大拉伸位移，應當結合當地的溫度情況、路面結構和材料類型，進行分析計算選取.

Overlay Tester；瀝青路面；試驗參數

0 引言

我國公路建設發展迅猛，半剛性基層被廣泛的使用.而在半剛性瀝青路面結構中，反射裂縫是最常見的病害之一［1］.盡管目前對反射裂縫擴展的理論研究比較深入，研究成果也比較豐富，但是相關的試驗評價手段和評價方法還比較滯后，導致對反射裂縫的有效防治方法仍處于探索階段.

Overlay Tester［2］是一種新開發的、能較好的模擬瀝青路面抗反射裂縫的特性，并可以用來評價瀝青混合料的抗反射裂縫性能的試驗方法.這種實驗方法最初由Germann和Lytton等設計，其目的是評價土工合成材料對于瀝青混合料抗反射裂縫性能的影響.2006年，由Zhou和Scullion對該設備進行改進，用來評價瀝青混合料的抗反射裂縫性能，并獲得了良好的效果［3］.該試驗方法主要是通過特定尺寸的試件上施加循環拉／壓力來模擬路面產生裂縫并擴展的情況，并用荷載周期數來評價瀝青混合料的抗裂性能.相對來說，這種實驗方法更接近瀝青路面反射裂縫的擴展特性，而且試驗簡單，耗時短，具有一定的推廣價值.

盡管該試驗方法已經在美國德克薩斯州得到了實際應用并有相應的試驗規程［4］，但它還沒有得到美國ASTM規范的正式認可，處于評估階段；另一方面，該試驗部分試驗參數，如試件尺寸、初始裂縫寬度、最大拉伸位移、加載頻率和試件失穩評定依據等等，還有待進一步的探討與確定［5－7］.本文針這種情況，在大量實驗并結合我國高等級瀝青路面實際情況的基礎上，評價各個參數的取值標準，并對此進行系列優化.

1 原材料試驗

1.1 基質瀝青

本試驗所用到的瀝青膠結料為70＃道路石油瀝青，通過在實驗室對其進行最基本的性能檢測試驗，最終得到其性能檢測指標，如表1所示.

表1 瀝青基本性能Table 1 Asphalt basic performance

1.2 集料

本試驗研究所用的粗、細集料均取自于湖北省孝感市大悟縣某采石場，通過檢測，其性能檢測指標結果見表2，可知粗細集料的各項性能均符合規范［8］要求.

表2 粗集料技術性能指標Table 2 Coarse aggergate technical performance indicators

表3 細集料技術性能指標Table 3 Fine aggergate technical performance indicators

2 瀝青混合料的配合比設計

2.1 礦料的級配組成設計

本試驗研究選定AC－13和AC－20兩種瀝青混合料，其組成設計方法參考規范［8］，所采用級配為各級配顆粒組成范圍的中值，如圖1、圖2所示.

圖1 AC－13級配設計曲線Fig.1 AC－13 gradation design curve

圖2 AC－20級配設計曲線Fig.2 AC－20 gradation design curve

2.2 瀝青混合料最佳油石比的確定

通過在實驗室進行瀝青混合料的Superpave配合比設計，試驗過程參考文獻［9］，最終確定AC－13和AC－20的最佳油石比，見表4.

表4 瀝青混合料油石比Table 4 Asphalt whetstone ratio

3 試驗結果與分析

前面提到過，目前已有的裂縫性能測試方法，其試驗結果的可重復性均有待提高；而且，這些測試方法的測試結果與實驗設備的工作狀態也有很大的關系.為了避免由于設備不穩定造成的測試誤差，在進行大批量的OT試驗之前，需要對OT試驗設備本身進行檢驗.美國德克薩斯州交通部目前規定的OT試驗規程中，試驗參數試件厚度、初始裂縫寬度、加載頻率和拉伸位移分別取值為38mm、2 mm、0．1 Hz和0．625 mm.在本節內容當中，需要直接按照該試驗規程中所定的試驗參數，對兩種瀝青混合料的OT試件進行抗反射裂縫試驗，分析比較測試結果，檢驗試驗設備的穩定性.

在實驗室分別制備瀝青混合料AC－13和AC－20的試件各3個.將準備好的試件分別進行OT試驗，試驗結果如表5所示.可以看出，兩組試驗數據的COV值（變異系數）均小于25%，試驗結果相對穩定.說明本文使用的Overlay Tester試驗設備是穩定可靠的.

表5 設備穩定性Table 5 Equipment stability

3.1 試件尺寸的評價與優化

試件尺寸包括長度、寬度和厚度.其中試件的長度和寬度對試驗結果的影響并不大，且長度和寬帶取決于旋轉壓實儀成型尺寸.但試件的厚度會從很大程度上影響著試件的抗反射裂縫性能試驗結果，一般來說，試件厚度越大，其抗反射裂縫擴展的性能越好.美國德州交通部推薦的試件尺寸為150 mm（長）×75 mm（寬）×38 mm（高）.而高度38 mm即0．15 inch，僅僅是根據經驗并易記來決定，并沒有經過科學的論證或對比試驗.本節內容中，將保持其他試驗參數不變，探討不同的試件厚度（38 mm、40 mm、45 mm）對測試結果的影響.

在實驗室分別制作瀝青混合料AC－13和AC－20的試件各9個.將制備好的OT試件分別進行抗反射裂縫性能試驗，試驗結果如表6所示.圖3反映出了不同試件厚度的情況下，每個荷載周期的最大拉力值與荷載周期數的關系.

表6 試件厚度的優化Table 6 Optimizing the specimen thickness

圖3 不同厚度情況下的試驗曲線Fig.3 Testing curve in different thicknesses

從表6中可以看出，厚度為45 mm的試件，其抗反射裂縫性能明顯優于另外兩種厚度試件的性能；38 mm和40 mm厚度的試件，它們的測試結果較接近，且試驗結果穩定，變異系數都在可接受的范圍之內.另一方面，圖3顯示出，在不同試件厚度的條件下，荷載周期最大拉應力值與周期數的關系趨勢十分相近，說明各組試驗的數據結果具有可靠性.考慮到我國實際路面結構中，40 mm是一般熱拌瀝青混合料的最小厚度，本文推薦40 mm作為OT試驗的試件厚度.試件尺寸的寬度和長度，由于它們對試驗結果的影響不明顯，考慮到試件成型的便利性，維持不變.

3.2 初始裂縫寬度的評價與優化

初始裂縫寬度是指兩塊粘貼板最初的間距，模擬的是半剛性基層瀝青路面基層的接（裂）縫.目前美國德州規范規定的初始裂縫寬度是人為的選取為2 mm，并沒有合理的依據和解釋.實際上，初始裂縫寬度，模擬的是舊路或者基層上，已經出現的裂縫的寬度.就我國而言，反射裂縫是瀝青路面的一大病害，而且反射裂縫主要是由于舊的水泥板或者半剛性基層的接（裂）縫引起的.因此，可以先對0 mm、2 mm、4 mm、6 mm等假定的裂縫初始寬度試驗結果進行對比分析，并探討初始裂縫寬度的不同選取，對試驗結果穩定性的影響.如果初始裂縫寬度的不同選取，對試驗結果影響并不大，就參考德州交通部規范規定值為2 mm；反之，則根據現有路面最常見裂縫寬度來合理地選擇初始裂縫寬度.

在實驗室分別制作混合料AC－13和AC－20的試件各12個，將制備好的OT試件分別進行抗反射裂縫性能試驗，試驗結果表7所示.圖4反映出了載不同初始裂縫寬度的情況下，每個荷載周期的最大拉力值與荷載周期數的關系.

表7 初始裂縫寬度的優化Table 7 Optimizing of the gap opening

圖4 不同初始裂縫寬度情況下的試驗曲線Fig.4 Testing curve in different gap openings

從表7可以看出，不同的裂縫初始寬度條件下，試驗結果并沒有很明顯的差別，并且兩組混合料試件的試驗結果的穩定性都比較好.另一方面，圖4顯示出，在不同初始裂縫寬度的條件下，荷載周期最大拉應力值與周期數的關系趨勢十分相近，說明各組試驗的數據結果具有可靠性.因此，初始裂縫寬度的選取可以參考德州交通部的推薦值為2 mm.

3.3 加載頻率的評價與優化

加載頻率是指試驗過程中對試件加載的快慢速度.頻率越大，加載的速度越快，每個循環周期的時間越短.OT試驗本身是采用加速試件破壞的方式，來快速測定瀝青混合料的抗反射裂縫性能.美國德州交通部采用的是10秒1個周期，是通過不同頻率的試驗結合其穩定性，并考慮每個試驗持續時間決定的.本節內容中，將研究3種不同加載頻率對試驗結果穩定性的影響，選取的3種加載頻率分別為0．2 Hz、0．1 Hz和0．05 Hz.

在實驗室分別制備瀝青混合料AC－13和AC－20的試件各9個.將這些試件分別進行抗反射裂縫性能試驗，試驗結果如表8所示.圖5反映出了在不同加載頻率的情況下，每個荷載周期的最大拉力值與荷載周期數的關系.

表8 加載頻率的優化Table 8 Optimizing of the loading frequency

圖5 不同加載頻率情況下的試驗曲線Fig 5 Testing curve in different loading frequencies

從表8中可以看出，試驗過程中加載頻率的不同，對試件的測試結果影響并不大，并且試驗結果都相對比較穩定；另一方面，圖5顯示出，在不同加載頻率的條件下，荷載周期？最大拉應力值與周期數的關系趨勢十分相近，說明各組試驗的數據結果具有可靠性.考慮到試驗過程的合理性、省時性，本文推薦將試驗的加載頻率定為0．2 Hz，也就是5 s／周期.

3.4 最大拉伸位移的評價與優化

最大拉伸位移是指試驗過程中每個循環周期里，拉伸試件的最大距離，它的大小將會直接影響試件的測試結果.一般來說，拉伸位移越大，在試件底部所產生的應力就越大，試件被破壞的也就越快.美國德州規范規定的最大拉伸位移為0．025 inch，即0．625 mm.在相關的報告中，研究人員對最大拉伸位移的選取，并沒有給出合理的理論依據.考慮到在實際半剛性基層瀝青路面結構中，基層和面層兩者之間因為溫縮現象而產生位移差，本節將對OT試驗基本參數中最大拉伸位移開展進一步的探討和優化.

研究表明，用于基層的水泥混凝土和用于瀝青面層的瀝青混合料都是感溫性材料，溫度的變化會導致其進行熱脹冷縮.合理的選取OT試驗中最大拉伸位移，需要了解瀝青路面材料的溫縮特性，并計算出水泥穩定碎石基層和瀝青面層的產生收縮差.

瀝青路面因溫差所產生的水平線性收縮量△L與其本身的收縮系數、溫差和研究對象的線性長度有關.康海貴、鄭元勛等［10］通過在瀝青路面各個層次埋設NZWD型溫度傳感器對瀝青路面溫度進行實測，根據大量的數據研究了瀝青路面溫度場在整個晝夜的分布規律，并得出了依據氣溫預估路面任意深度處溫度的預估公式：T＝1．1181 Ta－0．2258 h＋4．1076，該式中的T、Ta、h距路表某深度的瀝青溫度、空氣溫度和路面結構層距路表的深度；張艷聰等在其研究中指出，不同集料類型的水泥混凝土的線膨脹系數（CTE）分布在4．76×10－6／℃和12．1×10－6／℃之間，其中石灰巖型混凝土的膨脹系數為9．01×10－6／℃，且水泥混凝土在不同的溫度區間其膨脹量基本相同；而瀝青混凝土的溫度收縮系數隨瀝青的種類、稠度、老化稠度及礦料級配而變化，其收縮系數大約是常見半剛性基層收縮系數的2．5倍.

不同的地區，其氣溫差也有很大的區別.以武漢地區為例，全年范圍內，晝夜溫差大部分處于10℃左右.另外，我國大部分的路用水泥混凝土都屬于石灰巖型混凝土，且水泥混凝土面板沿行車方向的長度一般是5 m.通過計算，得出水泥面板的收縮量ΔL1為0．504 mm，瀝青面層的收縮量ΔL2為1．26mm，兩者的收縮差ΔL為0．756mm，約0．8mm.

通過計算水泥穩定碎石基層和瀝青面層的收縮差，得出符合我國武漢地區道路與環境情況的，具有代表性的拉伸位移約為0．8 mm.另外，在本節內容中，將比較在3種不同的最大拉伸位移（0．3mm、0．625 mm、0．8 mm）的條件下，試驗結果的穩定性情況.

在實驗室分別制備混合料AC－13和AC－20的試件各9個.將準備好的試件分別進行抗反射裂縫性能試驗，試驗結果如表9所示.圖6反映出了在不同最大拉伸位移的情況下，每個荷載周期的最大拉力值與荷載周期數的關系.

表9 最大拉伸位移的優化Table 9 Optimizing of the maximum tensile displacement

圖6 不同最大拉伸位移情況下的試驗曲線Fig 6 Testing curve in different maximum tensile displacements

從表9中可以看出，最大拉伸位移的不同，試驗結果也有很大的變化，但試驗結果的穩定性都在能接受的范圍之內（COV≤25%）.另一方面，圖6顯示出，在不同最大拉伸位移的條件下，荷載周期最大拉應力值與周期數的關系趨勢十分相近，說明各組試驗的數據結果具有可靠性.因此，本文建議，對于OT試驗的最大拉伸位移，可以結合當地的溫差情況以及路面結構中基層、面層的材料類型，進行分析計算選取，比如武漢地區的最大拉伸位移可以確定為0．8 mm.

4 結語

本文采用了我國常用的兩種瀝青混合料AC－13和AC－20，用來評估Overlay Tester的試驗參數.在充分考慮試件成型、試驗耗時以及實際路面收縮量值特性的基礎上，結合我國瀝青路面特點，本文分析比較了各試驗參數的變化對試驗結果的影響，得出的主要結論如下：

a．本文使用的Overlay Tester試驗設備是穩定可靠的.

b．厚度為45 mm的試件，其抗反射裂縫性能明顯優于另外兩種厚度試件的性能；38 mm和40 mm厚度的試件，它們的測試結果比較接近，且試驗結果穩定.考慮到我國實際路面結構中，40 mm是一般熱拌瀝青混合料的最小厚度，本文推薦40 mm作為OT試驗的試件厚度，試件尺寸的寬度和長度，由于它們對試驗結果的影響不明顯，考慮到試件成型的便利性，維持不變.

c．初始裂縫寬度的不同選取（0 mm、2 mm、4 mm和6 mm）對兩組混合料試件的抗反射裂縫性能影響并不大，且試驗結果的穩定性都比較好.本文建議參考美國德州規范所規定的初始裂縫寬度為2 mm.

d．試驗過程中加載頻率不同選取（0．2 Hz、0．1 Hz、0．05 Hz），對試驗結果的穩定性影響并不大.考慮到試驗過程的合理性、省時性，本文推薦采用0．2 Hz的加載頻率，即5 s／周期.

e．最大拉伸位移的不同，試驗結果會有很大的變化，但試驗結果的穩定性都在可接受的范圍之內.本文建議，對于OT試驗的最大拉伸位移的選取，應該結合當地的溫差情況以及路面結構中基層、面層的材料類型，計算出基層和面層之間的溫縮差.以武漢地區為例，最大拉伸位移可以確定為0．8 mm.

致謝

本研究得到國家自然科學基金委員會、湖北省交通廳的資助，在此表示衷心感謝！

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［3］CLEVELAND G S，LYTTON R L，BUTTON J W．Reinforcing benefits of geosynthetics materials in asphalt concrete overlays using pseudo strain damage theory［C］．TRB CD，2003．

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［5］ZHOU Fu－jie，HU Sheng，TOM Scullion．Development and verification of the overlay tester based fatigue cracking prediction approach［R］.Report No．Report 9－1502－01－8，Texas Transporta tion Institute，The Texas A＆M University System College Station，Texas，September 2006．

［6］HU Xiao－di，ZHOU Fu－jie，TOM Scullion．Pilot implementation of the overlay testerand double－blade saw［R］．Texas Transportation Institute：The Texas A＆M University System College Station，Texas，December 2007．

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JIA Yu，CAO Rong－ji，LI Ben－jing．Superpave fundamentals reference manual［M］．Beijing：China Communications Press，2005（5）：78－100．（in Chinese）

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KANG Hai－gui，ZHENG Yuan－xun，CAI Yingchun，et al．Regression analysis of actual measurement of temperature field distribution rules of asphalt pavement［J］．China Journal of Highway and Transport，2007，20（6）：13－18．（in Chinese）

Optimizing basic test parameters for reflective crack evaluation in asphalt mixtures

HU Xiao－di，YUAN Cheng,Bai Tao
School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

The Overlay Tester（OT）is a recently developed test method at the Texas Transportation Institute（TTI）that is used to evaluate and characterize the reflective cracking resistance potential of asphalt mixtures．The OT loading configuration and test conditions can effectively simulate the basic characteristics of reflective cracking in the asphalt pavement by applying cyclic loading and using the number of repetitive load cycles to evaluate and quantify the reflective cracking performance of asphalt mixtures．The basic OT loading parameters include specimen thickness of 38 mm，gap opening of 2 mm，loading frequency of 0．1 Hz，maximum tensile displacement of 0．625 mm and so on．These OT test parameters were derived and selected based on the experience，but no sensitivity evaluation has been conducted．In consideration of the different conditions and pavements in China，this laboratory study was undertaken to assess the influence of varying the OT test parameters on the cracking performance of the Chinese asphalt mixtures．An extensive laboratory testing was completed,including a comprehensive sensitivity evaluation of the basic OT test parameter．For optimization of the reflective cracking performance，the corresponding study results indicate that the optimum OT specimen thickness should be 40 mm，and the optimum loading frequency should be 0．2 Hz，while the recommended TTI gap opening of 2 mm is found to be satisfactory；the maximum tensile displacement should be selected and calculated according to the Chinese local temperature conditions，pavement structure and material type．

Overlay Tester；asphalt mixtures；parameters

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.05.006

1674-2869（2015）05-0028-07

本文編輯：龔曉寧

2015－04－10

國家自然科學基金項目（51278389）；湖北省交通運輸廳科技項目（2013-731-2-5）

胡小弟（1971－），男，湖南常德人，教授，博士.研究方向：道路工程.*通信聯系人