基于矿料级配的沥青路面低温抗裂性优化

韩 彰， 何沛祥

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009;2.安徽交通职业技术学院土木工程系，安徽合肥 230051)

0 引 言

沥青路面的主要性质包括高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性等。在不同地区，对各性质的要求程度不一。在温度较高的区域，车辙现象发生比较频繁，所以高温稳定性是沥青混合料设计的首要考虑因素;而在温度较低的地区，低温抗裂性能需要予以关注[1]，以避免裂缝的大量产生。

位于面层的沥青混合料结构层，直接受到气温变化的影响。当温度下降时，沥青混合料会产生收缩变形，由于沥青路面无收缩缝，这种变形会受到基层对路面的摩阻力和路面无限连续板块体对收缩变形的约束作用，使沥青面层内产生拉应力。

另一方面，沥青混合料具有应力松弛性能，当给沥青混凝土一定的应变时，由此产生的应力会随着时间的延长而松弛，在一般温度范围内，由温度降低而产生的拉应力，会由于应力松弛特性而减小，不会达到开裂应力强度。

沥青混合料路面的低温开裂就是温度应力和应力松弛性能之间关系的问题[2]。

当沥青混合料的应力松弛能力下降幅度较大，材料的抗拉强度小于温度应力，就会导致开裂;当沥青混合料的应力松弛性能下降幅度较小，能够保证材料的抗拉强度大于温度应力，就不会发生开裂。

沥青混合料的低温开裂主要有2种形式:

(1)由于气温骤降造成材料低温收缩。当温度骤降时，混合料的应力松弛性能滞后，温度下降产生的应力超过了材料的极限抗拉强度从而产生裂缝。

(2)低温收缩疲劳裂缝。沥青混合料经受长期多次温度循环后，其极限拉伸应变减小，而沥青的老化使劲度提高，应变松弛性能降低，所以即使当温度应力小于其相应温度原始抗拉强度时也会产生开裂，即温度疲劳裂缝可能会在比一次性降温开裂温度高的温度下开裂。

沥青混合料的低温变形能力在很大程度上取决于沥青材料的性质、沥青与矿料的黏结强度、级配类型以及沥青混合料的均匀性。在上述诸多因素中，本文重点阐述矿料级配对沥青混合料低温抗裂性的影响。

1 试验设计方案及级配组成

目前，我国的沥青混合料设计方法以Marshell法[3，4]为主导，Superpave法[3，4]和GTM法[3，4]由于设备昂贵等原因，暂未得到推广。

Marshell法是一种体积设计方法，通过对沥青混合料的密度、空隙率、稳定性和流值等指标的综合分析，来确定最佳沥青用量[5]。该设计方法主要适用于连续型密级配沥青混合料设计，矿料级配区间由经验值确定。

该经验值给定了一个由级配上限和下限构成的区间。一般随着道路等级、气候条件等外界因素的不同，矿料级配会出现靠近级配上限、中值以及下限3种情况。

本文试验部分的矿料级配采用M arshell法配制，试验拟采用AC-5、AC-10、AC-13 3种矿料级配[6]，以及各自的级配设计曲线靠近级配上限、级配中值以及级配下限进行研究。其中，级配曲线靠近上限采用S表示，靠近中值采用Z表示，靠近下限采用X表示。

通过调整每种混合料级配曲线的位置，形成了9种级配组成，AC-5、AC-10、AC-13设计级配曲线如图1所示。

图1 AC-5、AC-10、AC-13设计级配曲线

2 沥青混合料低温抗裂性的测定方法

沥青混合料的低温开裂主要是由于外部荷载以及环境温度的改变，导致沥青混合料内部产生的温度应力大于混合料自身抗拉强度造成的。环境温度变化的幅度和频率不同，会导致混合料不同的裂缝形式，如低温收缩裂缝、低温荷载裂缝等[6]。相应的评价低温抗裂性的试验方法包括低温线收缩系数、低温弯曲蠕变以及约束试件的温度应力试验等[7]，每种试验方法都有其针对性。

沥青路面温度下降时的收缩受到基层及周围的约束，从而产生拉应力以及拉应变，由此导致路面开裂，所以收缩性能是沥青混合料最基本的性能之一[8]。本次试验采用低温线收缩系数试验方法正是基于收缩性能而制定的。试验研究重点是温度下降时，沥青面层内产生温度应力的大小，对于外部荷载的影响因素没有过多考虑。试验测定的数据为平均线收缩系数。

沥青混合料面层温度应力的计算公式为:

其中，σ1为温度应力;E为松弛模量;θ为温度差; μ为泊松比;α为沥青混合料的线收缩系数。

由(1)式[9]可以发现，沥青混合料温度应力与线收缩系数成正比，线收缩系数越大，温度应力也越大，沥青混合料产生裂缝的可能性也就越大。

3 级配对沥青混合料低温抗裂的影响

3.1 矿料级配对低温抗裂性能的影响

AC-5、AC-10及AC-13沥青混合料级配与线收缩系数之间的关系如图2所示。

图2 AC-5、AC-10、AC-13型沥青混合料3种级配与线收缩系数之间的关系

从图2a可知，AC-5型沥青混合料3种设计级配曲线的线收缩系数均随着φ沥青的增加而增大;AC-5X型沥青混合料与AC-5S型和AC-5Z型相比，在各种φ沥青情况下，均能够保持较小的线收缩系数，因此，对于AC-5型沥青混合料，AC-5X型沥青混合料具有更好的低温抗裂性能。

从图2b可知，AC-10型沥青混合料3种设计级配曲线的线收缩系数均随着φ沥青的增加而增大;在φ沥青＜6.7%时，AC-10S型沥青混合料具有最小的线收缩系数。正常情况下，为保证工程的经济性，φ沥青一般控制在6.7%以下，因此，对于AC-10型沥青混合料，AC-10S型沥青混合料具有更好的低温抗裂性能。

从图2c可知，AC-13型沥青混合料3种设计级配曲线的线收缩系数随着φ沥青的增加均出现峰值;AC-13Z型沥青混合料在φ沥青＜5%阶段，其线收缩系数明显低于AC-13S型和AC-13X型;在φ沥青＞5%阶段，其线收缩系数与AC-13X接近，均远小于AC-13S型;AC-13Z型沥青混合料线收缩系数变化较均衡，无较大突变。因此，对于AC-13型沥青混合料，AC-13Z型沥青混合料具有更好的低温抗裂性能。

3.2 基于低温抗裂性的矿料级配优选

由上述讨论可知，AC-5X、AC-10S及AC-13Z型沥青混合料具有较好的低温抗裂性能。将这3种级配类型进行纵向比较，选出低温抗裂性最优良的沥青混合料，纵向优化图如图3所示。

由图3可知:

图3 矿料级配对低温抗裂性影响的纵向优化图

(1)3种级配类型的沥青混合料线收缩系数均随着φ沥青的增加而增大。

(2)在φ沥青＜6.7%时，AC-10S相对于其它2种沥青混合料具有较小的线收缩系数，从而保证其具有良好的低温抗裂性能。

(3)AC-5型沥青混合料沥青用量是3种混合料中最大的，这就使其温缩系数较大，加大了开裂出现的可能性。此外，由于AC-5型沥青混合料结构比较密实，内部空隙偏少，应力松弛极限温度上升，增大了温度应力，提高了开裂的可能性。而AC-13型沥青混合料与AC-10型相比，粒径差距较大，离析现象更明显，使结构均匀性下降，导致混合料抗裂性较差。

通过对AC-5、AC-10与AC-13 3种类型9种级配曲线的的综合比较，可以判定AC-10S型沥青混合料具有最好的低温抗裂性能。

3.3 原因分析

影响沥青混合料低温抗裂性能的2个主要因素是收缩特性和温度应力松弛能力。

AC-10型相对于AC-5型而言，公称粒径较大，矿料在沥青混合料中所占体积分数较大，沥青体积分数相对偏小。由于矿料的线收缩系数大约比沥青低2个数量级，在温度变化时，矿料变形率远小于沥青。从该角度分析，较大的公称粒径有助于降低混合料收缩性、提高抗裂性。但沥青体积分数的降低会减弱混合料的应力松弛能力，降低混合料抗拉应力，增加开裂几率。试验数据也证明AC-10抗裂能力优于AC-13。

而AC-10S的低温抗裂性优于AC-10Z、AC-10X，表明在矿料级配大致相等的条件下，略微提高沥青体积分数，有助于提高混合料的抗裂性。

4 结束语

沥青混合料是一种复合材料，单方面提高某一种特性，比如提高沥青体积分数或者增大公称粒径，对材料的低温抗裂性均不利。本次试验结果表明，在矿料级配居中的条件下，适当提高沥青体积分数，有助于混合料低温抗裂性的提升。

[1] 郝培文，张登良.沥青混合料低温抗裂性能评价指标[J].西安公路交通大学学报，2000，20(3):1-5.

[2] 吴 涛，崔 伟.沥青混合料低温抗裂性能评价指标研究[J].公路交通技术，2006，(2):32-35.

[3] JTJ 052-2000，公路工程沥青混合料试验规程[S].

[4] JTJE 42-2005，公路工程集料试验规范[S].

[5] 陈志忠.AC-20改性沥青混合料矿料级配优化研究[J].合肥工业大学学报:自然科学版，2009，32(9):1402-1408.

[6] 张登良.沥青与沥青混合料[M].北京:人民交通出版社，1996:69-83.

[7] JTGF 40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].

[8] 张金升，张银燕，夏小裕，等.沥青材料[M].北京:化学工业出版社，2009:282-290.

[9] 郑健龙，周志刚，张起森.沥青路面抗裂设计理论与方法[M].北京:人民交通出版社，2002:178-185.