基于多目標加權的不同集料瀝青砂漿性能評價研究*

陳鑫， 姚佳良

(長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114)

瀝青砂漿作為瀝青混合料的重要組成部分，其性能直接影響瀝青混合料的路用性能。錢國平等通過抗拉和抗壓強度試驗，研究了集料粒徑對瀝青砂漿力學性能的影響，發現瀝青砂漿的力學性能隨著集料最大公稱粒徑的減小而變差。Tan Y.等研究了細集料特性對瀝青砂漿黏性的影響，結果表明瀝青砂漿的抗變形能力隨著集料形狀的扁平和棱角結構的減少而降低。Nejad F. M.等研究了水泥乳化瀝青砂漿的力學性能、耐久性、疲勞性能和流變特性，發現采用低火山灰活性礦渣對其單軸抗壓強度無顯著影響，間接抗拉強度略有降低。崔亞楠等采用正交試驗對瀝青砂漿的愈合性能進行研究，得到老化程度對瀝青砂漿愈合度的影響顯著。Fu Q.等研究了CA砂漿在不同初始應變水平下的應力松弛行為，建立了基于熱力學的應力松弛模型，發現CA砂漿的松弛應力隨著應變水平的增加而增大。Riara M.等研究了溫度和濕度對AC-13瀝青混合料及砂漿長期老化后裂縫愈合能力的影響，結果表明溫度升高會增加瀝青材料的裂縫愈合程度。目前關于瀝青混合料性能單一指標評價的研究較多，而關于其綜合性能評價的研究較少。黃曉明等基于灰色理論模型，從多個角度評價了瀝青砼與水泥砼兩種路面的適用性，找到了適用于隧道環境的路面結構類型。張華等對4種摻加不同纖維的瀝青混合料進行試驗，采用加權灰色理論優選性能最佳的纖維瀝青混合料。于新等利用有限元法分析多因素對橋面防水黏結層的力學響應，采用灰色理論優選最佳防水黏結層材料。宋亮等基于灰色決策方法，評價了不同種類玄武巖纖維瀝青碎石封層的黏結性能。瀝青砂漿的性能與瀝青路面的使用性能緊密相關，且綜合性能評價直接影響瀝青混合料原材料的優選。該文基于等體積換算原則，在AC-13 SBS瀝青混合料的基礎上，根據規范計算并分別成型石灰巖、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿試件，對其進行高溫性能、低溫性能、水穩定性和疲勞性能測試，對比研究不同類型集料瀝青砂漿的性能，為瀝青路面原材料選擇提供參考。

1 原材料

1.1 瀝青

試驗所用瀝青為SBS (I-D)改性70#瀝青，其性能參數測試結果見表1。

表1 SBS改性瀝青的基本性能指標

1.2 集料

選用石灰巖、玄武巖、輝綠巖和鋼渣4種集料，填料均采用磨細的石灰巖礦粉，其技術性能見表2、表3，均符合相關要求。

表2 礦粉的基本性能指標

表3 集料的表觀相對密度和毛體積相對密度

2 瀝青砂漿配合比設計

2.1 級配設計

以AC-13瀝青混合料的級配為基礎(見表4)，去除瀝青混合料中的粗集料部分，剩余4.75 mm以下部分，計算瀝青砂漿礦料級配。假定瀝青砂漿中集料篩余百分率與原AC-13瀝青混合料一致，計算得到瀝青砂漿的級配(見表5)。

表4 AC-13瀝青混合料的設計級配

表5 瀝青砂漿的級配

基于等體積換算原則，分別計算石灰巖、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的各檔集料用量，結果見表6、表7。

表6 等體積換算公式

表7 等體積換算后瀝青砂漿各檔用量

2.2 瀝青砂漿中瀝青用量

根據馬歇爾擊實試驗結果，結合依托工程瀝青路面瀝青混合料配合比，確定AC-13 SBS改性瀝青混合料最佳油石比為5.2%。根據JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》，先計算瀝青混合料中有效瀝青含量Pbe、被集料吸收的瀝青含量Pba和粉膠比FB。假設瀝青砂漿中粉膠比與其對應的瀝青混合料相同，計算不同瀝青砂漿試件中有效瀝青含量，進而計算瀝青砂漿試件中瀝青含量。各種瀝青混合料的相關參數見表8。

表8 各種集料組成的AC-13瀝青混合料的參數

式中：P0.075為級配中0.075 mm篩孔通過率(%)。

同理可計算得到各種瀝青砂漿最佳油石比和最佳瀝青用量(見表9)。

表9 瀝青砂漿最佳油石比和最佳瀝青用量

3 瀝青砂漿路用性能評價

3.1 高溫性能

結合瀝青砂漿的性能特點和級配設計，重點研究不同類型集料對瀝青砂漿高溫穩定性的影響，通過單軸壓縮試驗和三軸重復荷載壓縮蠕變試驗對瀝青砂漿的高溫性能進行評價。

3.1.1 單軸壓縮試驗

采用旋轉壓實儀成型直徑100 mm×高度100 mm瀝青砂漿試件，利用UTM試驗機(萬能材料試驗機)進行單軸壓縮試驗，選用壓縮荷載模式，加載速率1 mm/min，預加載荷載0.05 kN，預加載時間20 s，試驗溫度40 ℃。每組設置3個平行試驗，以其平均值作為試驗結果(見圖1)。

圖1 不同細集料類型瀝青砂漿的應力-應變曲線

由圖1可知：4種瀝青砂漿的抗壓強度曲線變化規律相近，均為先迅速增大，到達峰值后減小，最后趨于平緩。輝綠巖和玄武巖瀝青砂漿的應力-應變關系相差不大，均在應變5%時應力達到最大值，分別為11.56和11.52 MPa，峰值后曲線基本重合；石灰巖瀝青砂漿在應變5%時應力最大，為10.52 MPa；鋼渣瀝青砂漿在應變6%時應力最大，為9.47 MPa。峰值應力后，砂漿試件的承載能力已達到極限，繼續加載后發生破壞，并產生裂縫。相比工業廢渣類細集料(鋼渣)，機制砂類細集料(石灰巖、玄武巖和輝綠巖)對瀝青砂漿抗壓能力的影響較小。

3.1.2 三軸重復荷載壓縮蠕變試驗

采用UTM試驗機，對不同集料類型瀝青砂漿進行三軸重復荷載壓縮蠕變試驗，試驗圍壓取138 kPa，加載應力500 kPa，試驗溫度為40、50、60 ℃，分析溫度對瀝青砂漿應變的影響，結果見圖2。

圖2 不同溫度下瀝青砂漿的時間-應變曲線

由圖2可知：試驗溫度為40 ℃時，蠕變曲線隨時間的延長先增大后趨于平緩，玄武巖瀝青砂漿的蠕變曲線變化最小，其次是輝綠巖瀝青砂漿，鋼渣瀝青砂漿的蠕變變形最大；試驗溫度為50 ℃時，鋼渣瀝青砂漿的變形仍最大，石灰巖瀝青砂漿次之，玄武巖瀝青砂漿的蠕變曲線與輝綠巖瀝青砂漿相當；試驗溫度60 ℃時，鋼渣瀝青砂漿的變形最大，石灰巖瀝青砂漿居中，玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿依舊最不易發生變形。

3.1.3 高溫性能評價

綜上，在相同試驗溫度下，玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿的穩定性比石灰巖和鋼渣瀝青砂漿的好；隨著溫度的升高，鋼渣瀝青砂漿的蠕變增長幅度最大，其次為石灰巖瀝青砂漿，輝綠巖和玄武巖瀝青砂漿的增長幅度最小。4種瀝青砂漿高溫穩定性的排序為玄武巖瀝青砂漿≈輝綠巖瀝青砂漿>石灰巖瀝青砂漿>鋼渣瀝青砂漿。

3.2 低溫性能

瀝青砂漿的低溫抗裂性能直接影響瀝青路面的使用性能。根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，對各集料類型瀝青砂漿進行小梁彎曲試驗，瀝青砂漿采用25 mm×25 mm×150 mm棱柱形試件，試驗溫度-10 ℃，加載速度50 mm/min，分析各集料類型瀝青砂漿的低溫性能，試驗結果見表10和圖3。

由表10和圖3可知：1) 玄武巖瀝青砂漿的彎拉強度最大，其次是輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿，石灰巖瀝青砂漿的彎拉強度最小。其中玄武巖與輝綠巖瀝青砂漿的彎拉強度相差不大；玄武巖與石灰巖瀝青砂漿的彎拉強度相差10.4%；玄武巖與輝綠巖瀝青砂漿的彎拉強度相近，相差約3.3%，且小于石灰巖和鋼渣瀝青砂漿；鋼渣瀝青砂漿的彎拉應變比石灰巖的高11.3%。2) 石灰巖、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的勁度模量分別為1 032、1 154、1 167和982 MPa。其中玄武巖與輝綠巖瀝青砂漿的勁度模量相近，相差約1.1%；石灰巖與鋼渣瀝青砂漿的勁度模量相差約5.1%；模量最大的輝綠巖瀝青砂漿與最小的鋼渣瀝青砂漿相差約18.8%。說明鋼渣和石灰巖瀝青砂漿比玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿具有更好的柔韌性，可更好地抵抗低溫開裂破壞。低溫抗裂能力排序為石灰巖瀝青砂漿>鋼渣瀝青砂漿>玄武巖瀝青砂漿≈輝綠巖瀝青砂漿。

表10 瀝青砂漿小梁彎曲試驗結果

圖3 瀝青砂漿彎拉強度試驗結果

3.3 水穩定性

根據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，通過凍融劈裂試驗對4種類型集料瀝青砂漿進行水穩定性評價，每組設置3個平行試驗，試驗結果見表11和圖4。

由表11和圖4可知：1) 在未凍融情況下，石灰巖、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的劈裂強度均值分別為0.331、0.347、0.348和0.339 MPa，輝綠巖瀝青砂漿的劈裂強度最大，玄武巖和鋼渣瀝青砂漿的劈裂強度相近且大于石灰巖瀝青砂漿。凍融循環后，瀝青砂漿的劈裂強度均明顯下降，其中石灰巖瀝青砂漿的劈裂強度最大，玄武巖瀝青砂漿的劈裂強度小于輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿。2) 石灰巖、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的凍融劈裂抗拉強度比分別為79.5%、71.8%、75.3%和76.1%，石灰巖瀝青砂漿的凍融劈裂抗拉強度分別比玄武巖、輝綠巖、鋼渣瀝青砂漿提高10.7%、5.6%、4.5%。在水和溫度共同作用下，石灰巖集料與瀝青的黏附性優于輝綠巖和玄武巖，瀝青與石灰巖集料結合更緊密，故在劈裂荷載作用下其抗拉強度較大，水穩定性較優。

表11 瀝青砂漿的凍融劈裂試驗結果

圖4 瀝青砂漿的凍融劈裂抗拉強度比

石灰巖瀝青砂漿的水穩定性即抗水損害能力優于玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿，4種瀝青砂漿的水穩定性排序為石灰巖瀝青砂漿>鋼渣瀝青砂漿>輝綠巖瀝青砂漿>玄武巖瀝青砂漿。

3.4 疲勞性能

采用MTS試驗機進行四點彎曲疲勞試驗，分析不同集料類型瀝青砂漿的疲勞性能，試驗溫度5、15 ℃，加載頻率10 Hz，應變水平為700和1 000 με，試驗結果見表12。

表12 瀝青砂漿四點彎曲疲勞試驗結果

由表12可知：在5 ℃、700 με的條件下，石灰巖、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別為183 501、202 879、198 693和219 142 次，相對于石灰巖、玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿，鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別增加19.4%、8%和10.3%；在5 ℃、1 000 με的條件下，石灰巖、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別為42 817、47 396、46 202和49 358次，相對于石灰巖、玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿，鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別增加15.3%、4.1%和6.8%；在15 ℃、1 000 με的條件下，石灰巖、玄武巖、輝綠巖和鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別為153 610、167 160、165 717和167 736 次，相對于石灰巖、玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿，鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命分別增加9.2%、0.3%和1.2%。瀝青混合料疲勞開裂始于瀝青砂漿結構，且大部分裂縫處于瀝青砂漿結構中，瀝青混合料的疲勞性能在一定程度上可通過瀝青砂漿的疲勞性能來表征，改變瀝青混合料中細集料類型對提高瀝青路面耐疲勞性能有一定作用。

綜上，鋼渣瀝青砂漿的疲勞壽命最大，玄武巖和輝綠巖瀝青砂漿的疲勞壽命相近，石灰巖瀝青砂漿疲勞壽命最小。4種瀝青砂漿疲勞性能排序為鋼渣瀝青砂漿>玄武巖瀝青砂漿≈輝綠巖瀝青砂漿>石灰巖瀝青砂漿。

4 基于多目標加權的瀝青砂漿性能評價

基于不同集料類型瀝青砂漿的高溫性能、低溫性能、水穩定性和疲勞性能，采用灰色系統理論中的多目標加權決策模型，分析集料類型對瀝青砂漿綜合性能的影響。三軸重復荷載壓縮蠕變以60 ℃最大變形結果為例，疲勞性能以應變水平1 000 με的疲勞壽命為例，不同集料類型瀝青砂漿的性能指標參數見表13。

表13 不同集料類型瀝青砂漿的性能指標參數

(1) 建立事件集、對策集及決策方案集。以哪種集料類型瀝青砂漿路用性能最優作為事件a1，則事件集A={ai}={a1}；選擇石灰巖、玄武巖、輝綠巖、鋼渣分別作為對策b1、b2、b3、b4，則對策集B={b1，b2，b3，b4}；由事件集和對策集構成決策集S={Sij=(ai,bj)|ai∈A,bj∈B,i=1,j=1,2,3,4}={s11,s12,s13,s14}。

(2) 確定決策目標。將瀝青砂漿高溫性能(抗壓強度和60 ℃時最大應變)、破壞彎拉應變、水穩定性能和疲勞性能(5和15 ℃)共6個指標作為決策目標。

(3) 確定決策目標的決策權重。設置各決策目標的權重分別為0.125、0.125、0.25、0.25、0.125、0.125。

(4) 求決策目標效果樣本矩陣。根據表13得目標效果樣本矩陣如下：

(6) 求效果測度矩陣。測度矩陣是決策目標效果樣本矩陣經過量綱化處理后的矩陣。根據效益型目標效果函數測度公式[見式(1)]和成本型目標效果函數測度公式[見式(2)]，結合步驟5設定的目標效果臨界值，對效果樣本矩陣Uk進行效果測度矩陣計算，得到測度效果矩陣[見式(3)]。

(1)

(2)

(3)

(7) 計算綜合效果測度矩陣。根據式(4)計算綜合效果測度矩陣，結果見式(5)。

(4)

R=[r11r12r13r14]=[0.503 6 0.685 3

0.618 8 0.663 4]

(5)

(8) 決策。由步驟7的計算結果，得到各瀝青砂漿的靶心距離(見表14)。

表14 不同類型瀝青砂漿綜合性能的靶心距離

由表14可知：4種集料類型瀝青砂漿中，玄武巖瀝青砂漿的綜合性能最優，鋼渣瀝青砂漿次之，石灰巖瀝青砂漿的綜合性能最差。

5 結論

(1) 4種集料類型瀝青砂漿的綜合性能排序為玄武巖瀝青砂漿>鋼渣瀝青砂漿>輝綠巖瀝青砂漿>石灰巖瀝青砂漿。

(2) 根據不同集料類型瀝青砂漿的路用性能，在重交通和夏季多高溫的地區，應優先選擇玄武巖或輝綠巖集料；在重交通和多低溫的地區，可優先選擇鋼渣集料；在降雨量大的地區，應優先選擇石灰巖集料。