沥青混合料抗反射裂缝试验参数的优化

胡小弟，袁成，白桃

武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北 武汉 430074

沥青混合料抗反射裂缝试验参数的优化

胡小弟，袁成，白桃*

武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北 武汉 430074

Overlay Tester（OT）是美国德州交通研究所（TTI）新开发的、用来评价沥青混合料抗反射裂缝性能的试验方法.它有效地模拟了沥青路面反射裂缝的基本特性，通过施加周期荷载并以荷载循环次数来评价沥青混合料的抗反射裂缝性能；其试验参数包括试件厚度38 mm、初始裂缝宽度2 mm、加载频率0．1 Hz、最大拉伸位移0．625 mm等.目前的试验方法中，这些试验参数并没有经过有效的对比分析和评估，而是根据经验武断地选取.结合我国沥青路面实际情况，通过对OT的各个试验参数进行对比试验，分析了各个试验参数的不同取值对试验结果所产生的影响，最终对该试验方法的基本试验参数做出了优化.试验结果表明：试件的厚度可以采用40 mm，加载频率采用0．2 Hz，初始裂缝宽度参考德州交通部规定值为2 mm；对于最大拉伸位移，应当结合当地的温度情况、路面结构和材料类型，进行分析计算选取.

Overlay Tester；沥青路面；试验参数

0 引言

我国公路建设发展迅猛，半刚性基层被广泛的使用.而在半刚性沥青路面结构中，反射裂缝是最常见的病害之一［1］.尽管目前对反射裂缝扩展的理论研究比较深入，研究成果也比较丰富，但是相关的试验评价手段和评价方法还比较滞后，导致对反射裂缝的有效防治方法仍处于探索阶段.

Overlay Tester［2］是一种新开发的、能较好的模拟沥青路面抗反射裂缝的特性，并可以用来评价沥青混合料的抗反射裂缝性能的试验方法.这种实验方法最初由Germann和Lytton等设计，其目的是评价土工合成材料对于沥青混合料抗反射裂缝性能的影响.2006年，由Zhou和Scullion对该设备进行改进，用来评价沥青混合料的抗反射裂缝性能，并获得了良好的效果［3］.该试验方法主要是通过特定尺寸的试件上施加循环拉／压力来模拟路面产生裂缝并扩展的情况，并用荷载周期数来评价沥青混合料的抗裂性能.相对来说，这种实验方法更接近沥青路面反射裂缝的扩展特性，而且试验简单，耗时短，具有一定的推广价值.

尽管该试验方法已经在美国德克萨斯州得到了实际应用并有相应的试验规程［4］，但它还没有得到美国ASTM规范的正式认可，处于评估阶段；另一方面，该试验部分试验参数，如试件尺寸、初始裂缝宽度、最大拉伸位移、加载频率和试件失稳评定依据等等，还有待进一步的探讨与确定［5－7］.本文针这种情况，在大量实验并结合我国高等级沥青路面实际情况的基础上，评价各个参数的取值标准，并对此进行系列优化.

1 原材料试验

1.1 基质沥青

本试验所用到的沥青胶结料为70＃道路石油沥青，通过在实验室对其进行最基本的性能检测试验，最终得到其性能检测指标，如表1所示.

表1 沥青基本性能Table 1 Asphalt basic performance

1.2 集料

本试验研究所用的粗、细集料均取自于湖北省孝感市大悟县某采石场，通过检测，其性能检测指标结果见表2，可知粗细集料的各项性能均符合规范［8］要求.

表2 粗集料技术性能指标Table 2 Coarse aggergate technical performance indicators

表3 细集料技术性能指标Table 3 Fine aggergate technical performance indicators

2 沥青混合料的配合比设计

2.1 矿料的级配组成设计

本试验研究选定AC－13和AC－20两种沥青混合料，其组成设计方法参考规范［8］，所采用级配为各级配颗粒组成范围的中值，如图1、图2所示.

图1 AC－13级配设计曲线Fig.1 AC－13 gradation design curve

图2 AC－20级配设计曲线Fig.2 AC－20 gradation design curve

2.2 沥青混合料最佳油石比的确定

通过在实验室进行沥青混合料的Superpave配合比设计，试验过程参考文献［9］，最终确定AC－13和AC－20的最佳油石比，见表4.

表4 沥青混合料油石比Table 4 Asphalt whetstone ratio

3 试验结果与分析

前面提到过，目前已有的裂缝性能测试方法，其试验结果的可重复性均有待提高；而且，这些测试方法的测试结果与实验设备的工作状态也有很大的关系.为了避免由于设备不稳定造成的测试误差，在进行大批量的OT试验之前，需要对OT试验设备本身进行检验.美国德克萨斯州交通部目前规定的OT试验规程中，试验参数试件厚度、初始裂缝宽度、加载频率和拉伸位移分别取值为38mm、2 mm、0．1 Hz和0．625 mm.在本节内容当中，需要直接按照该试验规程中所定的试验参数，对两种沥青混合料的OT试件进行抗反射裂缝试验，分析比较测试结果，检验试验设备的稳定性.

在实验室分别制备沥青混合料AC－13和AC－20的试件各3个.将准备好的试件分别进行OT试验，试验结果如表5所示.可以看出，两组试验数据的COV值（变异系数）均小于25%，试验结果相对稳定.说明本文使用的Overlay Tester试验设备是稳定可靠的.

表5 设备稳定性Table 5 Equipment stability

3.1 试件尺寸的评价与优化

试件尺寸包括长度、宽度和厚度.其中试件的长度和宽度对试验结果的影响并不大，且长度和宽带取决于旋转压实仪成型尺寸.但试件的厚度会从很大程度上影响着试件的抗反射裂缝性能试验结果，一般来说，试件厚度越大，其抗反射裂缝扩展的性能越好.美国德州交通部推荐的试件尺寸为150 mm（长）×75 mm（宽）×38 mm（高）.而高度38 mm即0．15 inch，仅仅是根据经验并易记来决定，并没有经过科学的论证或对比试验.本节内容中，将保持其他试验参数不变，探讨不同的试件厚度（38 mm、40 mm、45 mm）对测试结果的影响.

在实验室分别制作沥青混合料AC－13和AC－20的试件各9个.将制备好的OT试件分别进行抗反射裂缝性能试验，试验结果如表6所示.图3反映出了不同试件厚度的情况下，每个荷载周期的最大拉力值与荷载周期数的关系.

表6 试件厚度的优化Table 6 Optimizing the specimen thickness

图3 不同厚度情况下的试验曲线Fig.3 Testing curve in different thicknesses

从表6中可以看出，厚度为45 mm的试件，其抗反射裂缝性能明显优于另外两种厚度试件的性能；38 mm和40 mm厚度的试件，它们的测试结果较接近，且试验结果稳定，变异系数都在可接受的范围之内.另一方面，图3显示出，在不同试件厚度的条件下，荷载周期最大拉应力值与周期数的关系趋势十分相近，说明各组试验的数据结果具有可靠性.考虑到我国实际路面结构中，40 mm是一般热拌沥青混合料的最小厚度，本文推荐40 mm作为OT试验的试件厚度.试件尺寸的宽度和长度，由于它们对试验结果的影响不明显，考虑到试件成型的便利性，维持不变.

3.2 初始裂缝宽度的评价与优化

初始裂缝宽度是指两块粘贴板最初的间距，模拟的是半刚性基层沥青路面基层的接（裂）缝.目前美国德州规范规定的初始裂缝宽度是人为的选取为2 mm，并没有合理的依据和解释.实际上，初始裂缝宽度，模拟的是旧路或者基层上，已经出现的裂缝的宽度.就我国而言，反射裂缝是沥青路面的一大病害，而且反射裂缝主要是由于旧的水泥板或者半刚性基层的接（裂）缝引起的.因此，可以先对0 mm、2 mm、4 mm、6 mm等假定的裂缝初始宽度试验结果进行对比分析，并探讨初始裂缝宽度的不同选取，对试验结果稳定性的影响.如果初始裂缝宽度的不同选取，对试验结果影响并不大，就参考德州交通部规范规定值为2 mm；反之，则根据现有路面最常见裂缝宽度来合理地选择初始裂缝宽度.

在实验室分别制作混合料AC－13和AC－20的试件各12个，将制备好的OT试件分别进行抗反射裂缝性能试验，试验结果表7所示.图4反映出了载不同初始裂缝宽度的情况下，每个荷载周期的最大拉力值与荷载周期数的关系.

表7 初始裂缝宽度的优化Table 7 Optimizing of the gap opening

图4 不同初始裂缝宽度情况下的试验曲线Fig.4 Testing curve in different gap openings

从表7可以看出，不同的裂缝初始宽度条件下，试验结果并没有很明显的差别，并且两组混合料试件的试验结果的稳定性都比较好.另一方面，图4显示出，在不同初始裂缝宽度的条件下，荷载周期最大拉应力值与周期数的关系趋势十分相近，说明各组试验的数据结果具有可靠性.因此，初始裂缝宽度的选取可以参考德州交通部的推荐值为2 mm.

3.3 加载频率的评价与优化

加载频率是指试验过程中对试件加载的快慢速度.频率越大，加载的速度越快，每个循环周期的时间越短.OT试验本身是采用加速试件破坏的方式，来快速测定沥青混合料的抗反射裂缝性能.美国德州交通部采用的是10秒1个周期，是通过不同频率的试验结合其稳定性，并考虑每个试验持续时间决定的.本节内容中，将研究3种不同加载频率对试验结果稳定性的影响，选取的3种加载频率分别为0．2 Hz、0．1 Hz和0．05 Hz.

在实验室分别制备沥青混合料AC－13和AC－20的试件各9个.将这些试件分别进行抗反射裂缝性能试验，试验结果如表8所示.图5反映出了在不同加载频率的情况下，每个荷载周期的最大拉力值与荷载周期数的关系.

表8 加载频率的优化Table 8 Optimizing of the loading frequency

图5 不同加载频率情况下的试验曲线Fig 5 Testing curve in different loading frequencies

从表8中可以看出，试验过程中加载频率的不同，对试件的测试结果影响并不大，并且试验结果都相对比较稳定；另一方面，图5显示出，在不同加载频率的条件下，荷载周期？最大拉应力值与周期数的关系趋势十分相近，说明各组试验的数据结果具有可靠性.考虑到试验过程的合理性、省时性，本文推荐将试验的加载频率定为0．2 Hz，也就是5 s／周期.

3.4 最大拉伸位移的评价与优化

最大拉伸位移是指试验过程中每个循环周期里，拉伸试件的最大距离，它的大小将会直接影响试件的测试结果.一般来说，拉伸位移越大，在试件底部所产生的应力就越大，试件被破坏的也就越快.美国德州规范规定的最大拉伸位移为0．025 inch，即0．625 mm.在相关的报告中，研究人员对最大拉伸位移的选取，并没有给出合理的理论依据.考虑到在实际半刚性基层沥青路面结构中，基层和面层两者之间因为温缩现象而产生位移差，本节将对OT试验基本参数中最大拉伸位移开展进一步的探讨和优化.

研究表明，用于基层的水泥混凝土和用于沥青面层的沥青混合料都是感温性材料，温度的变化会导致其进行热胀冷缩.合理的选取OT试验中最大拉伸位移，需要了解沥青路面材料的温缩特性，并计算出水泥稳定碎石基层和沥青面层的产生收缩差.

沥青路面因温差所产生的水平线性收缩量△L与其本身的收缩系数、温差和研究对象的线性长度有关.康海贵、郑元勋等［10］通过在沥青路面各个层次埋设NZWD型温度传感器对沥青路面温度进行实测，根据大量的数据研究了沥青路面温度场在整个昼夜的分布规律，并得出了依据气温预估路面任意深度处温度的预估公式：T＝1．1181 Ta－0．2258 h＋4．1076，该式中的T、Ta、h距路表某深度的沥青温度、空气温度和路面结构层距路表的深度；张艳聪等在其研究中指出，不同集料类型的水泥混凝土的线膨胀系数（CTE）分布在4．76×10－6／℃和12．1×10－6／℃之间，其中石灰岩型混凝土的膨胀系数为9．01×10－6／℃，且水泥混凝土在不同的温度区间其膨胀量基本相同；而沥青混凝土的温度收缩系数随沥青的种类、稠度、老化稠度及矿料级配而变化，其收缩系数大约是常见半刚性基层收缩系数的2．5倍.

不同的地区，其气温差也有很大的区别.以武汉地区为例，全年范围内，昼夜温差大部分处于10℃左右.另外，我国大部分的路用水泥混凝土都属于石灰岩型混凝土，且水泥混凝土面板沿行车方向的长度一般是5 m.通过计算，得出水泥面板的收缩量ΔL1为0．504 mm，沥青面层的收缩量ΔL2为1．26mm，两者的收缩差ΔL为0．756mm，约0．8mm.

通过计算水泥稳定碎石基层和沥青面层的收缩差，得出符合我国武汉地区道路与环境情况的，具有代表性的拉伸位移约为0．8 mm.另外，在本节内容中，将比较在3种不同的最大拉伸位移（0．3mm、0．625 mm、0．8 mm）的条件下，试验结果的稳定性情况.

在实验室分别制备混合料AC－13和AC－20的试件各9个.将准备好的试件分别进行抗反射裂缝性能试验，试验结果如表9所示.图6反映出了在不同最大拉伸位移的情况下，每个荷载周期的最大拉力值与荷载周期数的关系.

表9 最大拉伸位移的优化Table 9 Optimizing of the maximum tensile displacement

图6 不同最大拉伸位移情况下的试验曲线Fig 6 Testing curve in different maximum tensile displacements

从表9中可以看出，最大拉伸位移的不同，试验结果也有很大的变化，但试验结果的稳定性都在能接受的范围之内（COV≤25%）.另一方面，图6显示出，在不同最大拉伸位移的条件下，荷载周期最大拉应力值与周期数的关系趋势十分相近，说明各组试验的数据结果具有可靠性.因此，本文建议，对于OT试验的最大拉伸位移，可以结合当地的温差情况以及路面结构中基层、面层的材料类型，进行分析计算选取，比如武汉地区的最大拉伸位移可以确定为0．8 mm.

4 结语

本文采用了我国常用的两种沥青混合料AC－13和AC－20，用来评估Overlay Tester的试验参数.在充分考虑试件成型、试验耗时以及实际路面收缩量值特性的基础上，结合我国沥青路面特点，本文分析比较了各试验参数的变化对试验结果的影响，得出的主要结论如下：

a．本文使用的Overlay Tester试验设备是稳定可靠的.

b．厚度为45 mm的试件，其抗反射裂缝性能明显优于另外两种厚度试件的性能；38 mm和40 mm厚度的试件，它们的测试结果比较接近，且试验结果稳定.考虑到我国实际路面结构中，40 mm是一般热拌沥青混合料的最小厚度，本文推荐40 mm作为OT试验的试件厚度，试件尺寸的宽度和长度，由于它们对试验结果的影响不明显，考虑到试件成型的便利性，维持不变.

c．初始裂缝宽度的不同选取（0 mm、2 mm、4 mm和6 mm）对两组混合料试件的抗反射裂缝性能影响并不大，且试验结果的稳定性都比较好.本文建议参考美国德州规范所规定的初始裂缝宽度为2 mm.

d．试验过程中加载频率不同选取（0．2 Hz、0．1 Hz、0．05 Hz），对试验结果的稳定性影响并不大.考虑到试验过程的合理性、省时性，本文推荐采用0．2 Hz的加载频率，即5 s／周期.

e．最大拉伸位移的不同，试验结果会有很大的变化，但试验结果的稳定性都在可接受的范围之内.本文建议，对于OT试验的最大拉伸位移的选取，应该结合当地的温差情况以及路面结构中基层、面层的材料类型，计算出基层和面层之间的温缩差.以武汉地区为例，最大拉伸位移可以确定为0．8 mm.

致谢

本研究得到国家自然科学基金委员会、湖北省交通厅的资助，在此表示衷心感谢！

［1］VON Holdt C，SCULLION T．Methods of reducing joint reflection cracking：Field performance studies［R］．Technical Research Report，FHWA／TX－06／0－4517－3，2005．

［2］ZHOU Fu－jie，Scullion．Overlay Tester：A rapid performance related crack resistance test［R］.FHWA／TX－05／0－4467－2．Texas Transportation Institute，College Station，2005．

［3］CLEVELAND G S，LYTTON R L，BUTTON J W．Reinforcing benefits of geosynthetics materials in asphalt concrete overlays using pseudo strain damage theory［C］．TRB CD，2003．

［4］Tex－248－F．Test Procedure for Overlay Test［S］．

［5］ZHOU Fu－jie，HU Sheng，TOM Scullion．Development and verification of the overlay tester based fatigue cracking prediction approach［R］.Report No．Report 9－1502－01－8，Texas Transporta tion Institute，The Texas A＆M University System College Station，Texas，September 2006．

［6］HU Xiao－di，ZHOU Fu－jie，TOM Scullion．Pilot implementation of the overlay testerand double－blade saw［R］．Texas Transportation Institute：The Texas A＆M University System College Station，Texas，December 2007．

［7］Walubita L F，Faruk A N M，Das G，et al．The Overlay Tester：A sensitivity study to improve ot repeatability and minimize variability in the ot test results［R］．Technical Research Report FHWA／TX－12／0－6607－2．Texas Transportation Institute，2012．

［8］中华人民共和国交通部．JTG F40－2004公路沥青路面施工规范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

［9］贾渝，曹荣吉，李本京．高性能沥青路面（Superpave）基础参考手册［M］．北京：人民交通出版社，2005（5）：78－100．

JIA Yu，CAO Rong－ji，LI Ben－jing．Superpave fundamentals reference manual［M］．Beijing：China Communications Press，2005（5）：78－100．（in Chinese）

［10］康海贵，郑元勋，蔡迎春．实测沥青路面温度场分布规律的回归分析［J］．中国公路学报，2007，20（6）：13－18．

KANG Hai－gui，ZHENG Yuan－xun，CAI Yingchun，et al．Regression analysis of actual measurement of temperature field distribution rules of asphalt pavement［J］．China Journal of Highway and Transport，2007，20（6）：13－18．（in Chinese）

Optimizing basic test parameters for reflective crack evaluation in asphalt mixtures

HU Xiao－di，YUAN Cheng,Bai Tao
School of Resource and Civil Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430074，China

The Overlay Tester（OT）is a recently developed test method at the Texas Transportation Institute（TTI）that is used to evaluate and characterize the reflective cracking resistance potential of asphalt mixtures．The OT loading configuration and test conditions can effectively simulate the basic characteristics of reflective cracking in the asphalt pavement by applying cyclic loading and using the number of repetitive load cycles to evaluate and quantify the reflective cracking performance of asphalt mixtures．The basic OT loading parameters include specimen thickness of 38 mm，gap opening of 2 mm，loading frequency of 0．1 Hz，maximum tensile displacement of 0．625 mm and so on．These OT test parameters were derived and selected based on the experience，but no sensitivity evaluation has been conducted．In consideration of the different conditions and pavements in China，this laboratory study was undertaken to assess the influence of varying the OT test parameters on the cracking performance of the Chinese asphalt mixtures．An extensive laboratory testing was completed,including a comprehensive sensitivity evaluation of the basic OT test parameter．For optimization of the reflective cracking performance，the corresponding study results indicate that the optimum OT specimen thickness should be 40 mm，and the optimum loading frequency should be 0．2 Hz，while the recommended TTI gap opening of 2 mm is found to be satisfactory；the maximum tensile displacement should be selected and calculated according to the Chinese local temperature conditions，pavement structure and material type．

Overlay Tester；asphalt mixtures；parameters

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.05.006

1674-2869（2015）05-0028-07

本文编辑：龚晓宁

2015－04－10

国家自然科学基金项目（51278389）；湖北省交通运输厅科技项目（2013-731-2-5）

胡小弟（1971－），男，湖南常德人，教授，博士.研究方向：道路工程.*通信联系人