沥青混合料-道路工程-沥青路面-应力吸收层-反射裂缝-马歇尔

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沥青混合料应力吸收层设计方法研究

摘要

为了充分发挥细粒式沥青混合料应力吸收层作用，提升沥青路面使用性能及耐久性，针对应力吸收层的功能需求提出了细粒式AC-10沥青混合料应力吸收层“4个控制点”的设计方法，进行了不同油石比下沥青混合料的析漏试验、0℃小梁弯曲试验、车辙试验、浸水马歇尔及冻融劈裂试验，研究了油石比对抗裂性能及高温抗变形能力的影响规律，并提出以相对变形作为高温抗变形能力的控制指标。研究结果表明，采用该方法设计的AC-10沥青混合料具有良好的路用性能。

关键词

道路工程 | 应力吸收层 | 设计方法 | 反射裂缝 | 抗变形能力

广西地区早期修建的高等级道路主要以水泥混凝土路面为主，近年来大部分水泥混凝土路面进入养护维修阶段。在水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土既能充分利用原有路面强度优势，又能发挥沥青路面的整体性，已成为水泥混凝土路面改造升级的主要方式。但由于水泥混凝土路面的接缝及裂缝缺陷，行车荷载作用下在层间缝隙处易出现应力集中而导致反射裂缝的发生，进而影响路面的使用性能和耐久性[1]。境内外通常采用聚酯玻纤布、乳化沥青封层、土工格栅或者沥青混合料应力吸收层等预防反射裂缝的发生，其中沥青混合料应力吸收层具有更优异的黏结性能、低温抗裂性能及疲劳性能，是高等级公路水泥混凝土路面加铺方案中防反射裂缝的有效措施[2]。沥青胶结料对应力吸收层使用性能有显著影响，在几种常用的SBS改性沥青、橡胶沥青及70号道路石油沥青中，SBS改性沥青及橡胶沥青具有优异的使用性能[3，4]。有学者提出以60℃动力黏度、软化点及针入度作为关键指标进行控制，有利于提升应力吸收层沥青混合料的疲劳性能及低温性能[5]。

在沥青混合料应力吸收层设计方法上，刘小滔等提出采用紧密状态油石比与析漏“拐点”油石比确定*佳油石比范围，以抗变形能力和0℃抗裂性能综合确定*佳油石比[6]；耿立涛则采用高温性能、水稳定性能和疲劳性能评价沥青混合料应力吸收层使用性能[3]。目前国内沥青混合料应力吸收层设计大多是采用马歇尔设计法，根据经验以体积指标确定*佳油石比，再进行性能验证，设计流程与沥青混合料结构层基本一致。然而细粒式沥青混合料作为应力吸收层，主要目的是延缓反射裂缝发生、防止雨水下渗，从而提高沥青路面加铺层耐久性，与沥青路面结构层在性能需求上并不一致，沥青混合料结构层的设计思想不完全适用于应力吸收层。目前国内仍缺乏应力吸收层设计的相关标准和规范，也未形成系统、成熟的设计方法。为充分发挥应力吸收层的功能优势，本文针对应力吸收层的功能定位，着重考虑应力吸收层的抗裂性能、防水性能、抗变形能力及疲劳性能，提出细粒式AC-10沥青混合料应力吸收层“4个控制点”的设计方法及评价指标，为细粒式沥青混合料应力吸收层在湿热地区水泥混凝土路面改造升级中的应用及质量控制提供参考。

设计方法

沥青混合料应力吸收层位于水泥混凝土路面面板与沥青下面层之间，厚度通常为2~75px。对于高等级水泥混凝土路面，在加铺改造时，沥青层的加铺厚度通常为6~300px，即62.5px应力吸收层＋100px沥青面层，或者62.5px应力吸收层＋125px沥青下面层＋100px沥青上面层。基于工程实际对其性能的需求，主要考虑以下几点。

(1)水泥混凝土路面加铺沥青层，在水泥混凝土面板接缝及裂缝处易发生反射裂缝早期病害。为延缓及预防反射裂缝的出现，应力吸收层一定要具有良好的抗裂性能，而小梁弯曲试验正好可以反映材料的这种性能。考虑到湿热地区平均气温相对较高，采用0℃弯拉破坏应变指标进行评价。

(2)为防止雨水下渗至水泥混凝土面板内而引起路面的加速破坏，应力吸收层一定要具有良好的防水性能及水稳定性，因此在目标空隙率设计上应比沥青路面结构层更小。

(3)应力吸收层高温抗变形能力不足时在行车荷载作用下易出现剪切变形，累积变形达到一定程度时会严重影响路面的使用性能和行车性。沥青层内大剪应力主要发生在沥青层以下150px左右[7]。为防止层间出现剪切破坏或过大变形，当采用单层加铺方案时需要着重考虑应力吸收层的高温抗变形能力。

(4)应力吸收层在水泥混凝土路面接缝或者裂缝处易出现应力集中，在车辆荷载反复作用下因疲劳损伤而加剧应力吸收层的开裂。为提高其抗疲劳性能，应力吸收层应具有较高的油石比、较低的空隙率[8，9]。为防止油石比过高而出现施工泛油现象，采用析漏“拐点”处油石比作为上限进行控制。

基于上述考虑，提出弯曲破坏应变指标、空隙率指标、高温抗变形指标及析漏拐点“4个控制点”的设计方法。沥青混合料应力吸收层设计流程如图1所示。

材料组成设计

原材料

本研究采用SBS改性沥青进行试验研究，技术指标如表1所示。

试验用集料为5~10mm、3~5mm及0~3mm的石灰岩碎石，填料为石灰岩加工的矿粉。集料技术指标如表2所示。

矿料级配设计

矿料级配采用间断级配类型，以形成较好的骨架结构。优选的矿料级配如表3所示。

性能试验及分析

*佳油石比范围的确定

(1)体积指标

采用设计的矿料级配进行不同油石比下马歇尔试验，分别测试其体积指标，试验结果如表4所示。空隙率与油石比的关系曲线如图2所示。

混合料在较低空隙率下具有良好的抗渗水性能及疲劳性能，但空隙率过小时在高温重载作用下易出现流动变形而出现早期病害，本研究以空隙率为2％~4％进行控制。由图2可知，随油石比的增加空隙率逐渐减小，在一定范围内，油石比与空隙率具有良好的线性相关性，则以空隙率为一控制点的油石比范围为5.45％~6.35％。

(2)析漏损失率

细粒式沥青混合料典型特征是集料较细、矿粉用量大、油石比高，但当油石比过高时沥青混合料中自由沥青含量偏多，现场摊铺碾压时存在泛油、软弹的风险。因此，考虑施工和易性的影响，以析漏损失率“拐点”对应的油石比作为*佳油石比控制上限。为得到不同油石比下析漏损失率拐点，参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行了8组油石比下混合料的析漏试验，结果如表5所示。析漏损失率与油石比关系曲线如图3所示。

根据图3，AC-10沥青混合料析漏损失率随油石比的增加而变大，在油石比为6.6％时，析漏损失率增加速率出现突变，表明当油石比超过6.6％时混合料中的自由沥青含量迅速增加，将不利于施工质量控制，易出现碾压泛油或软弹现象，同时会影响混合料高温抗变形能力。因此以此“拐点”的油石比作为二控制点，则油石比上限为6.6％。

抗裂性能

为了进一步了解油石比对抗裂性能影响规律，进行了0℃条件下5.4％、5.8％、6.2％、6.6％等4种油石比的小梁弯曲试验。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，成型不同油石比的车辙板并切割成小梁试件。每组油石比成型6根小梁试件。试验结果如表6所示，油石比与弯拉破坏应变关系曲线如图4所示。

根据图4可知，油石比与弯拉破坏应变呈现良好的二次曲线关系，随着油石比的增加混合料的弯拉破坏应变逐渐变大。这表明增加油石比可有效提高混合料应力吸收层的抗反射裂缝能力。参考相关文献[5]以不低于6000με对应的油石比作为三控制点，则油石比不低于5.6％。

抗变形能力

车辙动稳定度通常用来评价混合料的高温抗变形能力，反映的是混合料在试验中的后15min碾压过程的抗变形能力，忽略了早期变形对混合料性能影响，不能衡量混合料整体的变形情况。粗粒式沥青混合料由于粗集料含量高，更容易形成骨架嵌挤作用，高温永久变形往往较小。但细粒式沥青混合料则相反，高温条件下易发生流动变形，即使在车辙动稳定度结果较高时也可能出现较大的永久变形。由于永久变形与混合料的厚度直接相关，本研究提出以车辙试验的相对变形为指标评价应力吸收层的抗变形能力。定义相对变形指标为碾压结束时总变形量与1min时变形量的差值与车辙板试件厚度的比值。为预防应力吸收层发生较大永久变形而影响路面使用性能，相对变形以3.0％进行控制，并将动稳定度作为参考指标。为得到油石比对沥青混合料抗变形能力影响规律，进行60℃条件下5.4％、5.8％、6.2％、6.6％等4种油石比的沥青混合料车辙试验，结果如表7所示。油石比与相对变形及动稳定度各指标关系曲线如图5所示。

由图5可知，在一定范围内，油石比与相对变形及动稳定度均具有良好的线性相关性，相对变形随油石比增加而变大，动稳定度随油石比增加而逐渐减小。这主要是因为随着油石比的增加沥青膜厚度变大，混合料中自由沥青含量增加，混合料颗粒间的润滑作用增加，在荷载作用下颗粒间相对移动的阻力减小，更易发生剪切流动变形，使高温抗变形能力降低。以3.0％的相对变形对应的油石比作为四控制点，则油石比上限为6.25％。

*佳油石比确定

根据上述的试验研究，一控制点确定的油石比范围为5.45％~6.35％，二控制点确定的油石比范围为不大于6.6％，三控制点确定的油石比为不低于5.6％，四控制点确定的油石比范围为不大于6.25％。综合4个控制点确定的油石比范围为5.6％~6.25％。均衡考虑使用性能，以范围中值5.9％为*佳油石比。结合表4及图2~图5，则*佳油石比下AC-10沥青混合料体积指标及路用性能如表8所示。