連續(xù)密級配橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層的研究

黃衛(wèi)東，田健君，李本亮，李彥偉

（1.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.華東電力設(shè)計院 土建處，上海 200063；3.石家莊交通運輸局，河北 石家莊 050051）

橡膠瀝青混合料因具有良好的高溫穩(wěn)定性、抗疲勞性及環(huán)保優(yōu)勢，已逐步在國內(nèi)道路工程中得到應(yīng)用［1－3］，相比多數(shù)瀝青混合料，其適合用于延緩由半剛性基層開裂所帶來的反射裂縫［4］，如將橡膠瀝青混合料作為面層或?qū)⑾鹉z瀝青碎石封層作為橡膠瀝青應(yīng)力吸收層.源自美國亞利桑那州的ARAC 級配［5］和加利福尼亞州的RAC－G 級配［6］是目前最常見的用于橡膠瀝青面層或應(yīng)力吸收層的級配，這2類級配均屬于間斷級配，在級配設(shè)計上重點考慮了高溫穩(wěn)定性、防滑與防止泛油，這種級配的瀝青混合料適用于上面層，若用于應(yīng)力吸收層，橡膠瀝青優(yōu)異的疲勞性能并未充分發(fā)揮出來，基于目前的研究和應(yīng)用程度，應(yīng)力吸收層的疲勞性能有進一步提高的空間.

用于應(yīng)力吸收層的瀝青混合料一般采用較高的瀝青用量和較小的空隙率，如殼牌公司的Strata瀝青混合料［7］，它具有優(yōu)異的疲勞性能和防治反射裂縫能力，但需采用高摻量的SBS和添加有特殊改性劑的改性瀝青，受專利保護，成本較高.現(xiàn)有的橡膠瀝青碎石封層類型的應(yīng)力吸收層，施工工藝采取先灑布橡膠瀝青再撒鋪碎石，需要專門的橡膠瀝青灑布設(shè)備，且一般厚度約為1cm，提供的應(yīng)力吸收能力有限.

結(jié)合Strata瀝青混合料的設(shè)計思想，本研究旨在設(shè)計出適合作為應(yīng)力吸收層的橡膠瀝青混合料，便于施工，且應(yīng)具備以下特征：成型后的混合料柔軟，級配細，瀝青用量高，空隙率小等.本文基于混合料的疲勞性能首先對連續(xù)型密級配料展開了研究，繼而對基于疲勞性能的橡膠瀝青混合料進行設(shè)計，最后輔以混合料高溫性能檢測評價，以期為應(yīng)力吸收層的設(shè)計提供參考與依據(jù).

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

橡膠瀝青配制中使用ESSO70＃瀝青作為基質(zhì)瀝青，膠粉選用山東鄒平生產(chǎn)的380μm（40 目）貨車子午輪胎膠粉，參考美國亞利桑那州橡膠瀝青標(biāo)準(zhǔn)對橡膠粉的目數(shù)加以控制［8］，膠粉摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）選用內(nèi)摻19%，采用室內(nèi)小型攪拌機對流式攪拌，反應(yīng)溫度控制在185℃，反應(yīng)時間為90min.試驗中所用橡膠瀝青均為現(xiàn)拌現(xiàn)用，以保證橡膠瀝青的穩(wěn)定性.橡膠瀝青的基本性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表1.

表1 橡膠瀝青的基本性能指標(biāo)Table 1 Test results of base performance index for asphalt rubber

試驗采用的石料分為2種：4.75mm 及以上的粗集料為江蘇沭陽玄武巖，4.75mm 以下的細集料為浙江湖州石灰?guī)r；填料采用礦粉和普通硅酸鹽水泥.依照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規(guī)程》進行檢測，集料和填料的各項性能指標(biāo)均符合JTJ F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》.集料及填料的基本性能指標(biāo)見表2.

表2 集料及填料的物理性能指標(biāo)Table 2 Physical properties of aggregate and filler

1.2 試驗方法與方案

本研究采用馬歇爾成型方法成型試件，分析各檔石料對混合料空隙率的影響，以確定適合作為應(yīng)力吸收層的橡膠瀝青混合料的連續(xù)級配.

采用四點彎曲疲勞試驗作為瀝青混合料疲勞性能研究的標(biāo)準(zhǔn)試驗，同時制訂了四點彎曲疲勞試驗標(biāo)準(zhǔn)，即SHRP M－009和AASHTO TP－8標(biāo)準(zhǔn).采用四點加載小梁彎曲疲勞試驗來評價瀝青混合料的疲勞性能.試驗中每個應(yīng)變級位下進行不少于3次的平行試驗，根據(jù)數(shù)據(jù)的離散程度對試驗數(shù)據(jù)進行棄差處理.將混合料勁度模量下降至初始模量的50%作為瀝青混合料疲勞壽命的評價標(biāo)準(zhǔn)［9］.試驗溫度15 ℃，加載波形為偏正弦波，試驗頻率為10Hz；應(yīng)變水平為1 100×10－6～1 500×10－6.

混合料的高溫性能采用車轍試驗來評定，在試件成型時先將新拌橡膠瀝青混合料均勻攤鋪在搪瓷盤中，然后放入（165±5）℃的烘箱內(nèi)，短期老化（120±5）min后再成型車轍板.

2 橡膠瀝青應(yīng)力吸收層級配的選擇

疲勞性能是決定應(yīng)力吸收層能否有效防治反射裂縫的關(guān)鍵，而空隙率對混合料疲勞壽命有顯著影響.文獻［10］認為空隙率與疲勞壽命的自然對數(shù)呈負相關(guān)，即空隙率增加會導(dǎo)致疲勞壽命迅速減小.文獻［11］提出應(yīng)力吸收層設(shè)計需滿足的首要條件是空隙率（體積分?jǐn)?shù)）低（0.5%～2.5%），其次是礦料填充率（體積分?jǐn)?shù)）高（≥16%）和瀝青用量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）不小于7%；研究表明，每增加1%的空隙率，混合料的疲勞壽命會降低40%［12］.鑒于此，本研究從空隙率入手進行橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的級配選擇.

2.1 級配對空隙率的影響

選擇3組連續(xù)型級配混合料作為應(yīng)力吸收層混合料（見表3）.瀝青用量與空隙率的關(guān)系見圖1.

表3 篩選級配Table 3 Gradation（by mass）of sieves %

圖1 瀝青用量與空隙率的關(guān)系Fig.1 Relationship between asphalt content and air void

由圖1可見，瀝青用量的增加能夠顯著降低混合料的空隙率.對于不同級配混合料，瀝青用量對其空隙率的影響規(guī)律相同.雖然選用了9.5mm 類型的細級配，但在應(yīng)力吸收層的級配中，細料比例也不可過高，因為應(yīng)力吸收層較薄，要保持一定的粗集料比例以形成結(jié)構(gòu)強度，防止車轍；由圖1 還可以看出，級配3在同等瀝青用量下的空隙率最小，因此本研究將基于級配3 進行調(diào)整，瀝青用量確定為9%.

2.2 4.75mm 檔集料對空隙率的影響

用間斷級配制作橡膠瀝青混合料時，通常會使混合料的粗集料形成空隙，依靠石料間的嵌擠力形成抵抗永久變形的強度和剛度.但是，應(yīng)力吸收層要求比較柔韌，更適合選用懸浮結(jié)構(gòu)，所以粗集料的用量需加以控制.依據(jù)貝雷法級配理論，在普通AC－10的級配中，4.75 mm 是級配粗細的關(guān)鍵篩孔，在本設(shè)計中也不例外.根據(jù)既定試驗安排，先使2.36mm檔固定在10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），調(diào)整4.75mm 集料的比例，分析粗集料用量對空隙率的影響.調(diào)整級配如表4.取瀝青用量為9%，成型馬歇爾試件，測定空隙率，結(jié)果如圖2所示.

表4 調(diào)整的試驗級配Table 4 Adjustment of test gradation

由圖2可以看出，在保持2.36，1.18mm 的比例和1.18mm 通過率大致相等的條件下，空隙率隨著4.75mm 的通過率呈先減后增的變化趨勢.在通過率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為55%時，空隙率最?。?%），故在4.75mm 檔通過率為55%時獲得的懸浮結(jié)構(gòu)最為密實.

圖2 4.75mm 檔集料對空隙率的影響Fig.2 Effect of 4.75mm aggregate on porosity

2.3 1.18mm 檔集料通過率對空隙率的影響

根據(jù)級配理論可知，當(dāng)4.75 mm 為關(guān)鍵篩孔時，其1／4大小的篩孔即為第二級關(guān)鍵篩孔，在本次研究中即為1.18 mm.1.18 mm 的通過率是確定0.075～1.18 mm 細集料用量的關(guān)鍵，即混合料形成懸浮密實結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵.同理，先固定4.75mm 通過率為55%，2.36mm 單檔集料的用量為10%，通過調(diào)整1.18 mm 的通過率來研究空隙率的變化.1.18mm檔集料不同通過率的級配見表5，空隙率測試結(jié)果見圖3.

表5 1.18mm 檔集料不同通過率的級配Table 5 Gradation with different passing rate for 1.18mm

圖3 1.18mm 檔集料對空隙率的影響Fig.3 Effect of 1.18mm aggregate on air void

由圖3可見，1.18mm 的通過率對混合料空隙率的影響較大，在通過率為25%～30%時，空隙率最小.綜上可見，選用4.75 mm 的通過率為55%，2.36mm 的通過率為10%石料，其1.18 mm 的通過率為25%～30%可基本滿足空隙率最小的要求.

適合用于應(yīng)力吸收層的橡膠瀝青混合料的級配見表6.

表6 橡膠瀝青混合料級配Table 6 Gradation of AR mixture

3 基于疲勞性能的混合料設(shè)計研究

橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層的設(shè)計不同于基于馬歇爾設(shè)計方法的其他混合料，即優(yōu)先考慮疲勞性能.本研究采用孤立變量法，即通過固定其他因素，變換單個因素進行試驗，分析單個因素對橡膠瀝青混合料疲勞壽命的影響.

3.1 瀝青針入度的影響

將3種不同針入度的橡膠瀝青按前文所確定的級配成型混合料，在不同的應(yīng)變水平下進行小梁疲勞試驗.試驗數(shù)據(jù)如表7所示.

由表7可見，隨著針入度的變化，瀝青混合料的疲勞壽命變化顯著：（1）針入度從35（0.1mm）變化到83（0.1mm）時，各應(yīng)變水平下對應(yīng)的混合料疲勞壽命變化均超過10倍，但針入度從83（0.1mm）增大到98（0.1mm）時，疲勞壽命反而小幅下降，可見瀝青過軟會對其疲勞壽命能造成不利影響；（2）應(yīng)力吸收層使用富油層時不僅能提高其疲勞壽命，也能使其對應(yīng)變水平有更好的適應(yīng)能力.

表7 不同針入度的橡膠瀝青對其混合料疲勞壽命的影響Table 7 Effect of AR of different penetration on fatigue life

基于針入度的變化對混合料的疲勞壽命影響，推薦選取針入度約為80（0.1mm）的橡膠瀝青作為連續(xù)密級配橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的膠結(jié)料.

3.2 瀝青用量的影響

對于瀝青混合料，瀝青用量的變化影響著混合料的勁度模量、空隙率和瀝青膜厚度，繼而影響混合料的疲勞壽命.本研究取7%，8%，9%，10%這4種瀝青用量，在應(yīng)變水平1 100×10－6下進行小梁疲勞試驗，結(jié)果如表8所示.

表8 疲勞壽命隨瀝青用量的變化Table 8 Change of fatigue life with asphalt content

由表8可以看出：（1）混合料疲勞壽命隨著瀝青用量的增加而增加；（2）將橡膠瀝青混合料用作為應(yīng)力吸收層時，為了獲得較好的疲勞性能，可以提高瀝青用量，但其用量超過10%時，高溫性能會較差，因此推薦瀝青用量為9%～10%，以充分發(fā)揮橡膠瀝青混合料優(yōu)良的抗疲勞性能.

3.3 空隙率的影響

對于確定的級配，混合料空隙率主要受瀝青用量變化的影響.在瀝青混合料正常級配范圍內(nèi)，瀝青用量與混合料空隙率對疲勞壽命的影響具有明顯的交互作用（見表8）.

由表8可見：隨著空隙率從0.7% 增加到3.7%，瀝青混合料的疲勞壽命呈現(xiàn)減小趨勢，即空隙率與疲勞壽命負相關(guān).研究表明，在不出現(xiàn)石料強度不足和泛油隱患等情況下，空隙率越小越好.

3.4 填料的影響

本研究通過小梁疲勞試驗來判定填料對橡膠瀝青混合料疲勞壽命的影響.加填料的混合料級配見表9.1.18mm 以上集料用量相同，0.6mm 以下集料用量略微不同，瀝青用量為9%，成型小梁，試驗結(jié)果見圖4.

由圖4可以看出，添加礦粉會影響橡膠瀝青混合料的疲勞壽命，在應(yīng)變水平小于1 500×10－6時，礦粉表現(xiàn)出負面影響，只有在1 500×10－6的大應(yīng)變時，礦粉才會對混合料疲勞壽命產(chǎn)生正面影響.由于在實際路用情況下，應(yīng)力吸收層的應(yīng)變量不會超過1 500×10－6，因此將連續(xù)型級配用作橡膠瀝青應(yīng)力吸收層時，可不添加礦粉.

表9 添加礦粉混合料的級配Table 9 Gradation of asphalt mixture with 5%（by mass）mineral powder

圖4 礦粉對疲勞壽命的影響Fig.4 Effect of mineral powder on fatigue life

4 路用性能的對比

用于橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層路用性能試驗的3種混合料級配見表10.ACAR－13 級配橡膠瀝青混合料，其瀝青用量為9%，Strata瀝青混合料采用專用瀝青，其用量為9%，而SBS－AC13混合料中瀝青用量為5%.

瀝青混合料疲勞試驗的應(yīng)變水平為1 500×10－6，試驗結(jié)果見表11.

表10 用于路用性能試驗的3種混合料級配Table 10 Gradation of three kinds of mixture for pavement performance tests

表11 瀝青混合料的疲勞壽命和動穩(wěn)定度比較Table 11 Comparison of fatigue life and dynamic stability of different asphalt mixtures

由表11 可見，使用高摻量SBS 改性瀝青的Strata混合料疲勞壽命超過100萬次，優(yōu)于連續(xù)型密級配橡膠瀝青應(yīng)力吸收層（562 100 次），但與摻6%SBS改性瀝青的SBS－AC13混合料和高瀝青用量的ARAC－13混合料的疲勞壽命相比，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的疲勞壽命已具有相當(dāng)大的優(yōu)勢，足以作為應(yīng)力吸收層使用.在高溫性能方面，本文設(shè)計的橡膠瀝青應(yīng)力吸收層可滿足JTJ F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對炎熱地區(qū)普通瀝青混凝土不得低于800 次／mm 的要求.就成本而言，膠粉的加入可以代替部分瀝青，因此相對于使用SBS改性瀝青的Strata混合料，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的生產(chǎn)具有成本優(yōu)勢.

綜上所述，使用連續(xù)型密級配橡膠瀝青混合料作為應(yīng)力吸收層不失為一種經(jīng)濟有效的選擇方案.

5 結(jié)語

（1）用橡膠瀝青混合料作為應(yīng)力吸收層，推薦采用類似AC－10連續(xù)級配，當(dāng)4.75mm 檔集料通過率約55%，4.75～2.36mm 檔集料的用量不大于10%和1.18mm 檔集料通過率為25%～30%時，混合料可獲得到最佳空隙率.

（2）在將連續(xù)級配的橡膠瀝青混合料用作應(yīng)力吸收層時，瀝青針入度會顯著影響其疲勞壽命，增加瀝青用量和降低空隙率是提高疲勞壽命的最有效手段.在本研究范圍內(nèi)，推薦選取針入度約為80（0.1mm）的橡膠瀝青，其用量為9%～10%，且混合料設(shè)計中不添加礦粉.

（3）與ARAC－13，Strata和AC 類混合料相比，本文設(shè)計的連續(xù)型密級配橡膠瀝青混合料具有優(yōu)異的疲勞性能，較好的高溫性能，且經(jīng)濟成本較低，適合作應(yīng)力吸收層.

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