級配對攤鋪式橡膠瀝青應力吸收層性能的影響

譚繼宗，彭文舉，劉俊斌,4，李 平，劉深德

(1.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007； 2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007;3.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114；4. 葛洲壩集團交通投資有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引言

隨著《交通強國建設綱要》的實施，我國公路工程建設由傳統新建為主逐漸轉變為建養并重。但新建或養護瀝青面層均可能由于半剛性材料的收縮、原有路面的潛在病害、復合式路面中水泥路面的接縫及裂縫等造成反射裂縫的產生，進而嚴重降低瀝青路面使用壽命。因此，如何有效減緩和防治反射裂縫的發生，提高公路工程質量，已成為我國公路建養亟需解決的技術難題。

應力吸收層可吸收或消減已有接縫或裂縫處產生的應力集中，是一種可有效減緩反射裂縫發生與擴展的功能層。根據施工方式不同，目前應力吸收層主要有2種類型：灑布式、攤鋪式。灑布式材料組成及施工工藝與同步碎石封層類似，但該工藝瀝青與集料灑布均勻性不易控制，且其完整性在上層瀝青層施工時易被攤鋪機履帶與運料車碾壓破壞，不僅難實現應力吸收功能，而且造成質量隱患。攤鋪式應力吸收層則采用攤鋪碾壓工藝，保證了結構層的穩定及應力吸收效果的有效實現，具有良好的應用前景[1]。

對于攤鋪式應力吸收層目前已進行一定研究與應用，由于其特殊的功能需求，要求瀝青具有良好的彈性與抗拉伸性能，如SBS等高聚物類改性瀝青、橡膠瀝青及復合改性瀝青等。其中橡膠瀝青由于其優良使用性能、經濟性能及特有的環境友好特性，具有較高的潛在利用價值[2]。區別于灑布式應力吸收層，攤鋪式要求瀝青混合料具有合適的級配。目前相關研究分析了級配對應力吸收層性能的影響，但主要存在如下問題：選取的級配僅有定性的級配類型分類，未對級配進行定量評價，無法研究級配參數對應力吸收性能的更深層次影響[3]；選取的級配類型偏少、代表性不強，與國內外及國內不同地區指南推薦級配范圍差異較大[4]。因此，有必要對級配對應力吸收層性能的影響進行深入研究。

另外，不同于普通瀝青混合料，應力吸收層除應具備良好的高溫、低溫及水穩定性等傳統路用性能外，還應具有良好的應力吸收效果。但目前對于應力吸收性能評價方法并無統一標準。國內外學者對此進行了較為廣泛的研究，提出了多種試驗評價方法。如剪切試驗法[5]、拉伸試驗法[6]、D型壓縮拉伸試驗[7]、半圓彎曲(SCB)裂縫擴展試驗[8]、Overlay Test(OT)試驗[9]、復合梁彎拉試驗[10]、輪載疲勞試驗[11]等。上述研究中，相關評價方法與參數繁雜，大部分均存在試件制備困難、可操作性差、試驗結果變異性大、無有效評價指標等弊端。因此，有必要建立評價有效的、可操作性強的應力吸收性能評價方法與評價指標。

基于此，針對攤鋪式橡膠瀝青應力吸收層級配設計無指導性優化方案，應力吸收性能無明確評價方法與指標的現狀，本研究遴選國內外規程中7種典型級配及工程實踐典型級配，基于多種評價方法對級配進行量化評價，然后綜合分析級配評價參數與高溫穩定性、水穩定性及應力吸收性能等使用性能的內在關聯。

1 原材料及試驗方法

1.1 橡膠瀝青

采用70#A級基質瀝青、20%摻量30～80目橡膠粉、0.5%摻量SBS瀝青進行橡膠瀝青制備，制備的橡膠瀝青性能指標如表1所示。

表1 橡膠瀝青試驗指標Tab.1 Test indicators of rubber asphalt

1.2 瀝青混合料

1.2.1 級配選取

為優選合適的應力吸收層級配，有必要對典型級配進行深入分析。查閱國內外規程，按最大公稱粒徑劃分，應力吸收層礦料級配類型主要有5型、10型2類，且就級配類型數量及應用現狀而言，仍以10型為主。對10型級配曲線線型特點作進一步分析，可將典型級配劃分為如下3種類型(圖1)。

(1)A型：CAM級配[12]。

(2)B型：施工規范2004[13]、福建地標[14]。

(3)C型：廣西[15]、江西[16]、上海[17]、北京[18]、河北[19]、山西[20]地標。

圖1 10型礦料級配分類Fig.1 Classification of gradations of 10-type aggregate

其中，CAM級配范圍呈“弓背型”曲線，與其他級配曲線具有明顯區別。廣西、江西、上海、北京、河北與山西地標級配曲線呈現典型的S型特征。

分析發現，C型級配為我國10型混合料主流級配，這與施工技術規范的調整導向相一致。為此，通過試驗室單檔集料級配合成，選取A，B型級配各1項，C型級配3項，并結合廣西具體級配2項(分別為C-MZ，C-GG)，得到如下合成級配(表2)。

表2 橡膠瀝青應力吸收層試驗級配Tab.2 Test gradation of rubber asphalt stress absorbing layer

為消除空隙率等變化等對混合料性能影響，采用馬歇爾設計方法，以2.5%設計空隙率對應瀝青用量為最佳油石比，得到各級配瀝青混合料主要技術指標，如表3所示。

表3 最佳油石比下馬歇爾試驗結果Tab.3 Marshall test result under optimal asphalt-aggregate ratio

1.2.2 級配評價

級配影響著瀝青混合料的使用性能，采用合適的量化評價標準對研究級配對混合料性能的影響具有重要意義。常用級配評價方法主要有：關鍵篩孔法、級配分形法2類。關鍵篩孔法指對遴選級配中某一或某些關鍵篩孔尺寸及對應通過率進行評價，級配分形法指基于分形理論對得到相關參數進行評價。本研究采用如下級配參數進行評價。

(1)關鍵篩孔通過率：我國《瀝青路面施工技術規范(JTG F40—2004)》規定10型級配以2.36 mm 為關鍵篩孔進行粗型、細型級配類型劃分。對比選定級配類型，發現4.75 mm通過率差異較大，通過率分布在38%～80%，而4.75 mm通過率直接影響10型級配骨架結構。綜合分析，選取P4.75 mm和P2.36 mm進行級配評價。

(2)關鍵粒徑集料含量：基于上述關鍵篩孔，選取4.75～9.5 mm，2.36～4.75 mm著檔作為關鍵粒徑。

(3)第1控制篩指數PCSI[21]：以給定級配與最大密度曲線在第1控制篩(PCS)上的通過質量百分率之差評價級配的相對粗細，計算公式為：

PCSI=PPCS-PPCS,MDL，

(1)

式中，PPCS為第1控制篩孔通過率；PPCS,MDL為最大密度曲線在第1控制篩的通過率，取47%。

(5)分形維數[23]

D=3-k，

(2)

式中，D為級配的整體分形維數；k為在篩孔尺寸與通過率的雙對數坐標中進行線性回歸得到的擬合直線斜率，當只取2.36 mm以上部分時得到粗集料分形維數Dc，只取2.36 mm以下部分時得到細集料分形維數Df。按上述評價方法，得到相關參數匯總,見表4。

表4 各級配評價參數Tab.4 Evaluation parameters of each gradation

1.3 試驗方法

1.3.1 高溫性能

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)(以下簡稱《規程》)的瀝青混合料車轍試驗，進行瀝青混合料60 ℃高溫車轍試驗，試驗得到動穩定度指標。

1.3.2 水穩定性

參照《規程》的瀝青混合料馬歇爾穩定度試驗和瀝青混合料凍融劈裂試驗，進行浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗，得到殘留穩定度MS0、凍融劈裂強度比TSR。

1.3.3 應力吸收性能

相較普通瀝青混合料結構層，攤鋪式應力吸收層作為專用功能層，除應具備上述路用性能要求外，還應具有良好的應力吸收性能，但目前對應力吸收性能并無標準評價方法。而作為延緩反射裂縫產生與發展的功能層，應具有良好的應力吸收效果，宏觀表現為該結構層應具有良好的抗裂性能。考慮-10 ℃ 小梁彎曲試驗為我國瀝青混合料低溫性能評價標準試驗，可有效評價瀝青混合料低溫抗裂性能。同時利用不同試驗溫度條件的σ-ε(應力-應變)曲線，也可得到更廣泛的性能評價指標，如彎拉強度、最大彎拉應變、彎曲勁度模量及應變能密度等絕對指標或相對指標。綜合分析，鑒于小梁彎曲試驗評價指標的全面性，相較前述SCB裂縫擴展試驗和OT試驗等試驗方法具有簡便性與可推廣性等特點，推薦采用小梁彎曲試驗對應力吸收性能進行評價。現將小梁彎曲試驗方法及評價指標介紹如下。

參照《規程》的瀝青混合料彎曲試驗，進行-10 ℃ 和15 ℃小梁彎曲試驗，計算得到彎拉強度、最大彎拉應變、彎曲勁度模量及應變能密度等指標。其中，前3個參數按照規程方法進行計算，應變能密度按如下方法進行計算。

繪制出瀝青混合料彎曲破壞試驗σ-ε曲線，應變能密度的幾何意義為當混合料應力達到峰值時，σ-ε曲線與X軸圍成的面積。

(3)

2 高溫性能評價

按照前述試驗方法進行各級配瀝青混合料高溫車轍試驗，每組進行4項平行試驗，計算得到動穩定度DS均值,如圖2所示。

圖2 瀝青混合料車轍試驗結果Fig. 2 Rutting test result of asphalt mixture

分析可知，不同級配混合料之間動穩定度差異明顯，最大差值達到1 679次/mm，差值超過30%。其中，級配A混合料動穩定最小，C-MZ級配混合料最大。整體而言，級配B和C混合料動穩定度較高。這是由于級配A細集料含量過大(2.36，4.75 mm 通過率分別達到52%，80%)，粗集料的缺乏使得級配難以形成骨架嵌擠結構，進而降低了混合料高溫抗變形性能。

為進一步研究級配與高溫性能關系，將各級配級配評價參數與動穩定度進行線性相關性分析，結果如表5所示。

表5 級配參數與動穩定度擬合關系Tab.5 Fitting relationship between gradation parameters and DS

對比發現，各級配參數同動穩定度的相關性差異明顯。其中，2.36 mm篩孔通過率、PCSI和粗集料分形維數Dc同動穩定度相關性較好(擬合系數R2≥0.6時可視為相關性較好，見表5中加粗部分)。將上述3個參數與動穩定度擬合關系繪制于圖3。

圖3 動穩定度同各級配參數相關性Fig.3 Correlation between DS and gradation parameters 注：擬合關系中y為動穩定度，x為級配參數。

(1)根據擬合關系式，動穩定度與2.36 mm篩孔通過率、PCSI擬合方程斜率及相關系數完全一致。這是由于根據PCSI計算原理，10型級配最大公稱粒徑為9.5 mm，PCS尺寸=0.22D=2.09 mm，實際計算時取與其接近的2.36 mm篩孔通過率。而另一參數PPCS,MDL為一常數，使得PCSI實際為2.36 mm篩孔通過率值減去固定常數，因此2.36篩孔通過率、PCSI與動穩定度的擬合方程斜率及相關系數完全一致。

(2)動穩定度隨2.36 mm篩孔通過率、PCSI的增加而下降，表明混合料隨粗集料含量的減少，級配變細，動穩定度下降。瀝青作為溫度敏感性材料，高溫條件下瀝青、瀝青膠漿及瀝青裹覆的細集料流動性增強，抵抗變形性能減弱，使其對高溫抗變形能力貢獻降低，相應骨架結構對混合料高溫變形貢獻率增大。而隨著2.36 mm篩孔通過率的下降，2.36 mm 以下細集料含量增加，相應混合料骨架結構減弱，進而導致混合料動穩定度下降。

(3)隨著Dc值的增加，動穩定度下降。這是由于隨著Dc的增大，粗集料各篩孔通過率-篩孔尺寸雙對數線性擬合斜率k減小，而擬合終點(9.5 mm，100%)為固定值，因此有如下2種形式會導致k減小：①擬合起點2.36 mm通過率增大；②2.36 mm通過率基本不變時，粗集料較細部分集料含量增加。其中2.36 mm通過率增大對動穩定度影響如前所述，而粗集料較細部分含量增加時，也會在一定程度上減弱粗集料的骨架結構，進而引起混合料動穩定度下降。

(4)綜上分析，級配范圍B和C混合料的高溫性能較好。為保證應力吸收層瀝青混合料具有較好的高溫性能，可適當減小2.36 mm篩孔通過率與PCSI以及分形維數Dc，以獲得相對較好的粗集料骨架結構，從而具有較好的高溫穩定性能。

3 應力吸收性能評價

3.1 評價參數選取

按前述試驗方法進行-10 ℃和15 ℃小梁彎曲試驗，每個級配進行3組平行試驗，試驗結果如圖4所示。

圖4 小梁彎曲試驗結果Fig.4 Beam bending test result

對比發現，彎拉強度、彎拉應變、彎曲勁度模量與應變能密度隨級配的變化規律并不一致。為選取評價一致性較好的指標作為應力吸收性能評價標準，有必要對各參數之間相關性作進一步分析。鑒于我國規范采用小梁彎曲試驗中低溫彎曲應變作為瀝青混合料低溫開裂性能評價標準，而低溫開裂性能也可視為抗斷裂性能的體現。因此，以各溫度下彎拉應變為基準，將其余3參數與彎拉應變進行相關性分析，將相關性較好的擬合關系繪制于圖5。

圖5 小梁彎曲試驗評價指標相關性Fig.5 Correlation of evaluation indicators of trabecular bending test

結果顯示，彎拉應變同應變能密度呈正相關關系，同彎曲勁度模量呈負相關關系。其中彎拉應變是表征瀝青混合料抗變形能力的指標，應變能密度是材料在破壞過程中吸收能量的指標，材料的抗變形能力提高，破壞時變形量增大，需要的能量就增加，所以二者表現為正相關性。同時，應變能密度可綜合表征彎拉應變和彎拉強度[4]。而彎曲勁度模量用于評價剛性破壞時效果較好，而瀝青混合料的破壞是黏彈性破壞，用其評價時結果往往會出相反的結論。如級配B混合料彎拉應變大于級配C-2混合料，但彎曲勁度模量同樣大于級配C-2。綜合分析，選用彎拉應變與應變能密度作為混合料應力吸收性能評價指標。

根據上述評價標準，不同級配混合料之間彎拉應變與應變能密度表現出明顯的差異性，涉及的7組級配中，級配范圍B混合料彎拉應變與應變能密度較高。彎拉應變與應變能密度越大，表明瀝青混合料在荷載作用下破壞過程中的變形量與需要的能量越大。

3.2 級配影響分析

為研究級配參數對應力吸收性能的影響，將各級配參數與彎拉應變、應變能密度進行相關性分析，將相關性較好的擬合結果列于表6。

表6 級配參數同彎拉應變與應變能密度相關性Tab.6 Correlation of gradation parameters with flexural tensile strain and strain energy density

-10 ℃下，4.75 mm和2.36 mm篩孔通過率、PCSI、粗集料分形維數Dc同彎拉應變與應變能密度相關性較好。15 ℃下，4.75 mm篩孔通過率同彎拉應變與應變能密度相關性較好，而2.36 mm篩孔通過率、PCSI、分形維數Dc參數，僅同彎拉應變相關性較好，擬合結果R2均大于0.6，但是與應變能密度的相關性較差，擬合結果R2處于0.4～0.6之間。

對上述相關性較好擬合結果繪圖作進一步分析如下(圖6中填充數據點為A級配混合料試驗數據，由于相關性能指標顯著小于其他級配，不在擬合分析范圍內)。

圖6 彎拉應變與應變能密度同關鍵篩孔通過率的相關性Fig.6 Correlation of key sieve pass ratio with flexural tensile strain and strain energy density

隨著4.75，2.36 mm篩孔通過率及PCSI值的增大，彎拉應變與應變能密度增大(圖6、圖7)，表明混合料抗斷裂性能提高。如前分析，在10型級配中，PCSI與2.36 mm篩孔通過率之差為一常數，因此PCSI增加即為2.36 mm通過率增大，二者具有相同的擬合方程、擬合相關性及相同的對混合料抗斷裂性能影響效果。在相同空隙率下，混合料中細集料含量增加，瀝青膠漿及細集料在粗集料中的填充效應更好，混合料達到破壞狀態時產生的變形量更大。在彎拉強度相差較小的情況下，應變越大，相應應變能密度越大。

圖7 彎拉應變及應變能密度同PCSI的相關性Fig.7 Correlation of PCSI with flexural tensile strain and strain energy density

隨著粗集料分形維數Dc的增加，彎拉應變與應變能密度增大。如前分析，當Dc增大時，粗集料變細，瀝青混合料各顆粒填充作用增強，形成穩定密實的嵌擠結構，在小梁彎曲試驗時，嵌擠力有效抑制了試件的彎曲破壞。

分析圖8中標記數據點可發現，上述線性關系應有一定限定范圍，即當相關級配參數過大時，抗斷裂性能將顯著降低。這是由于當2.36，4.75 mm通過率、PCSI、粗集料分形維數Dc過大時，級配整體性能已發生本質改變，過量的細集料對級配形成干涉，破壞了混合料結構的完整性，導致了抗斷裂性能效果降低。因此，實際應用時，為增強應力吸收性能，可適當增加混合料中細集料或粗集料中細集料含量。但由前述高溫穩定性分析可知，細集料增量應適度。

圖8 彎拉應變及應變能密度同分形維數相關性Fig.8 Correlation of fractal dimension with flexural tensile strain and strain energy density

4 水穩定性能評價

按照前述試驗方法進行各級配瀝青混合料水穩定性評價試驗，每組進行3項平行試驗，計算得到均值如圖9所示。

圖9 不同級配混合料水穩試驗結果Fig.9 Water stability test result of different graded asphalt mixture

不同級配殘留穩定度MS0、凍融劈裂強度比TSR隨級配的變化規律基本一致，表明2個指標可較為統一地評價級配對瀝青混合料水穩性能的影響。但不同級配水穩定性指標差異明顯，各級配之間MS0差值可達7.70%，TSR差值最大為6.11%。其中，級配A和B混合料水穩定性較好，級配C混合料水穩定波動明顯。

由于級配變化，導致了混合料最佳油石比及其他體積指標等發生改變。而瀝青混合料水穩定性一般受空隙率、瀝青膜厚度等指標影響較大[24]，為深層次分析級配變化對混合料水穩定性能的影響，計算出各級配混合料瀝青膜厚度(表3)，將其與水穩定性指標進行相關性分析，結果如圖10所示。

圖10 水穩性能同瀝青膜厚度相關性Fig.10 Correlation between water stability and asphalt film thickness

分析發現，二者擬合相關系數R2分別為0.86與0.69，可認為具有較好相關性，MS0，TSR與瀝青膜厚度呈現二次相關關系。這是由于瀝青膜厚度增大，瀝青抵抗水侵蝕性能增強，但瀝青膜過大時，混合料體系中自由瀝青增加，導致了結構瀝青比例減小，混合料力學性能下降，雖然水浸入難度增加，但整體力學性能下降。為保證橡膠瀝青混合料據有較好的水穩性，應控制瀝青膜厚度在18.0 μm以內。

綜合分析，雖然級配變化對混合料水穩定并無規律性影響，但由于級配變化也會影響最佳油石比、瀝青膜厚度等參數變化，進而在一定程度上間接影響水穩定性。因此進行級配設計時，應考慮級配變化對最佳油石比、瀝青膜厚度等參數的影響，保證混合料具有良好的水穩定性。

5 結論

基于車轍試驗、浸水馬歇爾與凍融劈裂試驗、小梁彎曲試驗，結合關鍵篩孔通過率、PCSI、貝雷法參數與分形維數等級配評價指標，研究了級配對攤鋪式應力吸收層高溫性能、應力吸收性能影響，并對水穩定性進行評價，得出如下結論。

(1)級配A高溫性能、應力吸收性能較差，不推薦作為應力吸收層級配。級配B和C瀝青混合料的高溫性能較好，在進行級配設計時，為獲得良好的高溫性能，應盡量減小2.36 mm篩孔通過率與PCSI，降低分形維數Dc。

(2)小梁彎曲試驗顯示，應力吸收性能與4.75 mm 通過率、2.36 mm通過率、PCSI及Dc相關性較好。增大4.7 mm和2.36 mm篩孔通過率、PCSI及粗集料分形維數Dc可提高瀝青混合料應力吸收性能。

(3)推薦采用小梁彎曲試驗的彎拉應變、應變能密度綜合評價瀝青混合料應力吸收性能。

(4)級配對水穩定性變化并無顯著規律性影響，但瀝青膜厚度同瀝青混合料的水穩定性相關性較好，MS0和TSR隨瀝青膜厚度呈二次方程關系，建議瀝青膜厚度不宜超過18.0 μm。