基于抗裂性能的瀝青混合料設計方法淺析

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室 陜西 西安 710064)

基于抗裂性能的瀝青混合料設計方法淺析

焦麗亞

(長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室 陜西 西安 710064)

我國現行瀝青混合料配合比設計方法以馬歇爾法最為廣泛，本文在馬歇爾方法的基礎上，在設計時加入表征抗裂性能的指標。而我國規范并沒有表征抗反射裂縫性能的指標，研究人員提出了多個表征抗裂性能的指標，如沖擊韌性、應力衰減率等，各有其優缺，為避免一個指標難以很好地表征抗裂性能，選擇兩個指標同時表征抗裂性能，相互比較以到達更好的效果。

瀝青混合料；配合比設計；抗反射裂縫

一、瀝青混合料設計方法概述

目前國內外瀝青混合料的設計方法有兩大類：體積設計法和GTM法^([1])。體積設計法根據控制標準的不同分為兩種：一是用油量標準，求得與所選礦料剛好相適應的瀝青用量即為最佳瀝青用量，以現行的馬歇爾法為代表。二是空隙率標準，以美國的Superpave設計方法為代表，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構特性。

馬歇爾設計法的基本原理是體積設計法，即在分析研究瀝青混合料性能時，以瀝青結合料與集料成分的體積比例作為計算依據，最終要達到的主要指標也是體積指標。由于馬歇爾法所采用的設備價格低廉、便于攜帶，在我國應用廣泛。但這個帶有經驗性的方法有一定的局限性^([2])，如沒有加入路用性能的指標，或考慮體積指標與路用性能之間的關系。

Superpave瀝青混合料配合比設計成果在某種程度上預測了瀝青路面的使用性能，因此同傳統的馬歇爾法相比有了很大的進步。但該法由于需要昂貴的設備和大量的氣象資料，而且試驗工作量又很大，試驗比較復雜，一定程度上限制了該技術的推廣，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的路用性能，沒有考慮抗反射裂縫性能。

GTM是指美國工程兵團旋轉壓實機，GTM法通過混合料達被旋轉壓實到平衡狀態時的各項參數來確定路面混合料的設計密度和最佳瀝青用量。因此，GTM法具有較高的抗車轍能力，適用于對抗高溫變形要求較高的重載道路。 但由于設備昂貴，試驗復雜，目前在中國也僅限于研究。

目前國內在設計防治裂縫的瀝青混合料方面還沒有系統的研究，也沒有相關的規范和試驗規程，現行的級配設計方法即使有考慮路用性能，但均沒有涉及通過調整級配及油石比等來提高抗裂性能，提高抗反射裂縫的性能還主要是通過設置應力吸收層。

二、抗裂性能評價指標

(一)斷裂韌性

Rice于1968年提出了J積分理論，Mull等^([3])采用預切縫的半圓彎拉試驗對瀝青混合料的抗裂性能進行了研究。J積分理論可以避開分析裂紋尖端附近復雜的應力應變場，物理意義明確，可以有效的評價瀝青混合料的抗裂性能，斷裂韌度J_c可以很方便的預切縫的半圓彎拉試驗直接獲得。研究人員采用基于數字圖像處理技術的有限元方法進行數值模擬^([4])，能較為真實的反映瀝青混合料本身的不均勻性，在細觀尺度上反映材料組成特性對斷裂韌度J_c的影響，就可以從細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作為評價瀝青混合料抗裂性能的有效指標，試驗裝置簡單，成本低廉，試件的制作方便，既可以旋轉壓實或者馬歇爾制件，也可以直接從現場鉆芯獲得半圓彎拉試件。而且以斷裂韌性J_c作為指標，符合瀝青混合料流體力學特性，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價指標。車輪荷載作用在混凝土路面裂縫相應位置的時間非常短，作用力比較大，具有明顯的沖擊荷載的特征。因此，如果能夠測定出瀝青混凝土試件在高速荷載作用下發生斷裂的荷載變形曲線，則該曲線下的面積就代表材料發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，通過室內試驗驗證，沖擊韌性與疲勞壽命的相關性很好，而且沖擊韌性的試驗裝置十分簡單，采用靜力壓力機即可。

(三)OT試驗應力損失率或循環次數

美國提出Overlay test試驗檢測瀝青混合料抗裂性能。Overlay Tester (OT)是由Ly lion等^[6]在20世紀70年代設計的，用來模擬裂縫的張開與閉合的試驗方法，而這兩個行為正是導致裂縫產生和擴展的動力。后來，Fujie Zhou 等^([7])將其改進，用來作為預測和評價瀝青面混合料的抗裂性能的簡便的試驗方法。該方法目前主要應用在美國，由美國德克薩斯州交通委員會制定了試驗標準，近年來在全世界范圍內逐步推廣。OT試驗以達到93%應力損失率時的循環次數或1200循環后的應力損失率作為指標，試驗方便，但是若以達到93%應力損失率時的循環次數為指標，同組的測試結果變異性較大，而以1200循環后的應力損失率為指標測定不同級配的抗裂性能，不同組的測試結果變化很小，而且試驗耗時太長。

三、基于抗裂性能的瀝青混合料設計方法簡述

瀝青混合料馬歇爾方法由于其設備廉價、試驗簡單，在我國應用廣泛，而且我國現行規范瀝青混合料設計方法也是馬歇爾法。綜合上述情況，應考慮在馬歇爾法的基礎上加以改進，以突出其抗裂性能。馬歇爾設計法的指標是基于體積法的，和路用性能相關性較差，和抗反射裂縫性能更是相關甚少。所以為了設計出抗裂性能好的瀝青混合料，需要選出抗裂性能的級配和最佳瀝青用量。基于上述思路，提出改進的設計方法的基本思路：(1)控制控制篩孔的通過率及空隙率，以彈性模量及其他體積參數篩選出抗裂性能最好的一個或兩個級配；(2)在馬歇爾試驗中加入應力衰減率(循環次數)和沖擊韌性或應力衰減率(循環次數)和斷裂韌性作為評價抗裂性能的指標，從而確定最佳油石比。

[1]薛小剛. 瀝青混合料級配優化及配合比設計方法研究[M]. 西安:長安大學，2005.

[2]吳超凡,童光明.對馬歇爾設計方法與設計標準的幾點看法[J].湖南交通科技，2003,29(3):1-3.

[3]Mull M,K Stuart,A Yehia.Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement[J].Journal of Materials Science, 2002,37:557-566.

[4]劉宇，張肖寧，王端宜.瀝青混合料裂紋擴展階段的疲勞壽命預測[J].華南理工大學學報(自然科學版)，2008,36(2):41-47.

[5]張肖寧，鄒桂蓮，賀志勇. 瀝青混合料抵抗反射裂縫能力的評價方法研究[J]華南理工大學學報，2001, 29 (7)

[6]Germann F P, Lytton R L. Methodology for predicting the reflective cracking life of asphalt concrete overlays[R].Texas:Texas A&M University, 1979.

[7]Zhou Fujie Scullion T. Overlay tester: a simple performance test for thermal reflective cracking[C].Proceedings of the Association of Asphalt Pavement Technologists. Long Beach CA[USA]2005 (74) :443—484.

焦麗亞(1992-)，女，長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，研究生。