基于强度特性的沥青混合料设计参数

张　苛， 张争奇， 姚晓光

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安　710064)



基于强度特性的沥青混合料设计参数

张苛， 张争奇， 姚晓光

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安710064)

为了改善沿海含盐高湿环境下沥青路面的水稳定性，首先，分析间接拉伸强度(ITS)用于沥青混合料沥青用量设计的可行性；然后,在不同条件下进行间接拉伸试验，分析温度、加载速率和沥青用量对ITS的影响；最后，对不同条件下混合料的ITS与冻融劈裂试验结果的相关性进行分析. 研究结果表明：沥青混合料的ITS随试验温度的升高逐渐减小，随加载速率的增加逐渐增大，随沥青用量的增多先增大后减小，并在区间内某一用量下达到峰值；在温度40 ℃、加载速率5 mm/min的条件下，混合料的ITS与冻融劈裂强度比(TSR)的相关性最高，可以利用该条件下的ITS作为沿海地区混合料最佳沥青用量设计的力学参数.

道路工程；沥青混合料；间接拉伸试验；水稳定性

公路网建设作为江苏沿海地区开发的重要组成部分正在如火如荼地开展. 但是，沿海地区海雾频发，高浓度的海雾往往成为NaCl的载体[1]，当海雾在沥青路面上凝结时，水分及其内部含有的Cl-会渗入到沥青路面结构中. 在行车荷载形成的动水压力作用下水分和Cl-对沥青混合料产生侵蚀，加速了沥青的老化，沥青与集料的黏附性减弱，降低了沥青混合料的黏聚力，导致混合料整体强度下降，引发沥青路面产生松散、坑槽等一系列早期损坏[2～4]. 出现这种现象，与选用的沥青、矿料及施工质量有一定关系[5～8]，但主要原因是现行的沥青混合料设计方法并不适用于沿海含盐高湿地区.

马歇尔设计法是我国应用最广泛的沥青混合料设计方法，但其稳定度等设计参数与混合料的强度特性相关性较差，在马歇尔最佳沥青用量下无法保证沥青路面具有较高的整体强度. 除马歇尔设计法外，GTM设计法[9-10]、Superpave设计法[11]及国内李红梅[12]、冯新军等[13]提出的沥青用量设计法大多从混合料的高、低温性能入手，并未注重混合料的强度特性. 黏聚力大的沥青混合料中集料表面裹覆着完整的结构沥青膜，且黏聚力越大结构沥青膜越厚，较厚的结构沥青膜可以更好地抵抗含盐高湿环境中水分和盐分的侵蚀，进而保证混合料具有较高的整体强度，不易出现坑槽和松散等早期病害. 因此，在含盐高湿地区进行沥青混合料设计时，引入适当的力学参数保证混合料拥有足够的黏聚力就显得尤为重要.

本文选择能够反映沥青混合料黏聚力的间接拉伸强度(ITS)，分析其用于混合料最佳沥青用量设计的可行性；在不同的温度和加载速率条件下开展间接拉伸试验，分析不同条件下ITS与表征混合料水稳定性的冻融劈裂强度比的相关性，以确定用于混合料最佳沥青用量设计的力学参数的试验条件.

1　间接拉伸试验原理及其可行性

间接拉伸试验采用劈裂条沿着圆柱体试件的径向按一定的加载速率持续加载直至试件发生破坏，通过力及位移传感器可以读取试验过程中的最大荷载和试件的最大变形，试验的力学加载模式如图1所示. 在间接拉伸试验模式下，圆柱体试件处于拉压两向受力状态，破坏时试件处于极限受拉状态，这与沥青路面的实际受力状态一致.

Anderson等[14]研究了沥青混合料的ITS同黏

聚力的相关性，发现在一定试验条件下沥青混合料的ITS(用F表示)与黏聚力(用C表示)的相关系数达0.98以上(见图2)，二者之间有着良好的线性相关性，说明ITS大的沥青混合料其黏聚力就大. 而沥青混合料的整体强度与黏聚力有直接的关系，沥青混合料的黏聚力越大，则集料表面的有效沥青膜越厚，混合料内部沥青与粗细集料的整体黏聚效果越好，沥青路面能更好地抵抗松散、坑洞、辙槽、开裂等病害的产生. 可见，ITS大的沥青混合料在含盐高湿环境下能够更好地抵抗盐溶液的侵蚀作用.

混合料的沥青用量与黏聚力等参数的关系如图3所示[14]，可以看出黏聚力随着沥青用量的增加先增大后减小并存在峰值，即在合适的沥青用量下混合料的黏聚力达到最大值，黏聚力随沥青用量的变化具有良好的敏感性. 另外，在黏聚力达到最大值时混合料的无侧限抗压强度也接近最大值，内摩擦角随沥青用量的改变无明显变化. 在混合料级配确定的情况下，沥青混合料的整体强度主要由混合料的黏聚力控制，以ITS作为设计参数确定含盐高湿地区混合料的最佳沥青用量是可行的.

2　间接拉伸试验结果及分析

文中的粗细集料选用江苏境内产玄武岩，矿粉为磨细的石灰岩，沥青为科氏SBS成品改性沥青，混合料级配为常用的AC-13级配. 按照规范要求制备油石比为4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%的标准马歇尔试件，采用SANS万能试验机在试验温度为20、30、40、50 ℃，加载速率为5、 20、50 mm/min的条件下进行间接拉伸试验，试验结果如表1所示. 可以看出：

1) 温度对ITS的影响

试验过程中的温度对沥青混合料的ITS有显著影响，在温度较低时，沥青混合料的ITS较大，当温度升高后混合料的ITS逐渐减小，且在各加载速率条件下混合料ITS变化均表现出相同的趋势. 随着试验温度的升高，不同油石比下沥青混合料的ITS值越来越接近，油石比对沥青混合料ITS的影响逐渐减弱. 当试验温度低于40 ℃时，不同油石比下沥青混合料的ITS值相差较大，区分度较高，但是当试验温度升至40 ℃以上时，不同油石比混合料的ITS越来越接近，难以区分油石比变化对混合料ITS值的影响.

以上现象是因为沥青属于温度敏感性材料，随着试验温度的升高，裹覆在混合料中矿料颗粒周围的沥青逐渐变软，沥青与矿料的逐渐减弱，软化后的沥青还会在矿料间充当润滑剂的角色，沥青混合料从弹性体逐渐发展为弹塑性体，引起沥青混合料ITS的降低. 同时，温度较高时沥青的黏度较低，由沥青用量即集料表面沥青膜厚度差异带来的黏聚力变化很小. 高温时的试验结果受到试验误差等因素影响所占的比重较大，不能正确反映沥青混合料的力学性能. 因此，为保证混合料的ITS与沥青用量的变化有足够的敏感性和精确性，进行间接拉伸试验时选用的试验温度不能太高.

2) 加载速率对ITS的影响

在几种不同的试验温度时，混合料的ITS均随着加载速率的增加而增大. 沥青混合料是典型的黏弹性材料，加载速率越快，荷载作用在沥青混合料试件上的时间越短，沥青混合料来不及发生柔性变形就发生破坏. 加载速率较快时混合料更多地体现出脆性性质，当加载速率由高向低过渡时，沥青混合料的破坏逐渐向柔性破坏过渡，故而加载速率越快时混合料的ITS越大.

表1　不同试验条件下混合料的ITS

在不同的加载速率阶段，沥青混合料ITS值增加的趋势并不一致. 当试验温度为20、30、40 ℃时，加载速率从5 mm/min增加至20 mm/min时，混合料的ITS急剧增大，随后ITS随加载速率的增大缓慢增加. 而在50 ℃的试验条件下，沥青混合料的ITS随着试验加载速率的增加急剧增大，在加载速率由慢至快的全程增加范围内近乎呈线性增长. 可见，选择合适的试验温度和加载速率，对分析混合料的ITS至关重要.

在加载速率为5 mm/min时，沥青混合料ITS值最小，说明当实际行车荷载作用在路面上时，加载速率越小对路用性能越不利，越容易引起沥青路面病害的产生. 为了更好地模拟沥青路面上实际行车荷载的作用，在进行试验时不宜采用过大的加载速率.

3) 油石比对ITS的影响

在不同的试验条件下，混合料的ITS随油石比的增加均先增大后减小，并在油石比变化区间内出现峰值. 说明只有当混合料中的沥青用量合适时，才能保证沥青混合料的ITS最大. 究其原因，是由于当混合料中的沥青含量较低时，在矿质集料表面无法形成完整的结构沥青膜. 随着沥青用量的增加，混合料中矿料表面的结构沥青膜的面积逐渐增大，此时ITS随沥青用量的增加显著增大. 当沥青用量刚好为矿料表面形成完整结构沥青膜所需的沥青用量时，ITS达到最大值. 此后，随着沥青用量的继续增大，在矿料表面结构沥青膜的周围逐渐产生自由沥青，混合料的ITS随着自由沥青含量的增加逐渐减小.

在不同的试验温度及加载速率条件下，混合料的ITS在沥青用量变化区间内均能达到最大值，ITS对沥青用量的变化具有良好的敏感性. 但试验条件不同，ITS达到最大值时所需要的沥青用量是不一样的，说明确定合理的间接拉伸试验条件至关重要.

3　ITS与冻融劈裂试验结果的相关性

在沿海地区，由于含盐高湿环境的侵蚀作用，沥青路面在行车荷载的作用下易出现严重的坑槽、松散等早期水损坏，显著降低沥青路面的使用寿命和服务水平. 因此，在沿海地区修建沥青路面应保证良好的水稳定性. 本文从沥青混合料的水稳定性入手，将不同温度及加载速率条件下沥青混合料的ITS与冻融劈裂试验的冻融劈裂强度化(TSR)进行相关性分析，以确定适合含盐高湿环境下混合料沥青用量设计参数的间接拉伸试验条件.

按照中国现行试验规程JTG E20-2011的要求，分别对油石比为4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%的沥青混合料进行冻融劈裂试验. 不同试验温度及加载速率条件下沥青混合料ITS与TSR的线性相关关系如图4所示.可以看出，不同试验条件下沥青混合料的ITS与表征混合料水稳定性的TSR的相关性是不同的，在不同试验温度和加载速率时混合料的ITS与TSR的相关性差异很大. 在不同的试验温度及加载速率组合条件中，试验温度为40 ℃、加载速率为5 mm/min时混合料的ITS与TSR的线性相关性最高，达到0.98以上，即混合料的TSR随着ITS的增大逐渐增加，表明在此试验条件下沥青混合料的ITS越大，其抗水损害的能力就越强.

综上分析，在温度40 ℃、加载速率5 mm/min的条件下可以保证间接拉伸试验的ITS对沥青用量的变化足够敏感，且ITS与混合料的TSR相关性良好. 因此，推荐温度为40 ℃、加载速率为5 mm/min的试验条件为间接拉伸试验的最佳试验条件，并以此时的ITS作为混合料最佳沥青用量设计的力学参数，以保证基于ITS参数设计的沥青混合料具有较高的整体强度，进而更好地抵抗含盐高湿环境的侵蚀作用.

4　结论

1) 在间接拉伸试验的加载模式下，沥青混合料破坏时处于极限受拉状态，ITS可以反映混合料的黏聚力；ITS越大，混合料的黏聚力越大，沥青混合料具有较高的整体强度.

2) 沥青混合料的ITS随试验温度的升高逐渐减小，随加载速率的增加逐渐增大；在不同的试验条件下，ITS随油石比的增加均先增大后减小，并在油石比变化区间内达到最大值.

3) 在温度为40 ℃、加载速率为5 mm/min的试验条件下，沥青混合料的ITS与TSR的线性相关性最好，推荐温度40 ℃、加载速率5 mm/min为间接拉伸试验的测试条件，并以此时的ITS作为沿海地区混合料最佳沥青用量设计的力学参数.

[1] 张苛， 张争奇. 含盐高湿环境对沥青混合料性能及内部形态的影响[J]. 武汉理工大学学报， 2014， 36(9)： 48-53.

ZHANG K， ZHANG Z Q. Influence of salty and humid environment on asphalt mixture performance and microstructure [J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2014， 36(9)： 48-53.

[2] 张苛， 张争奇. 含盐高湿地区沥青抗剥落剂的应用[J]. 武汉大学学报(工学版)， 2015， 48(1)： 64-68.

ZHANG K， ZHANG Z Q. Application of anti-stripping agents to salty and humid area [J]. Engineering Journal of Wuhan University， 2015， 48(1)： 64-68.

[3] STARCK P， LOFGREN B. Influence of de-icing agents on the viscoelastic properties of asphalt mastics [J]. Journal of Material Science， 2007， 42(2)： 676-685.

[4] 张苛， 张争奇. 沥青与集料黏附性的定量评价[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版)， 2015， 38(6)： 810-815.

ZHANG K， ZHANG Z Q. Quantitative evaluation of the adhesion between asphalt and aggregate [J]. Journal of Hefei University of Technology( Natural Science)， 2015， 38(6)： 810-815.

[5] AIREY G D， COLLOP A C， ZOOROB S E， et al. The influence of aggregate， filler and bitumen on asphalt mixture moisture damage [J]. Construction and Building Materials， 2008， 22(9)： 2015-2024.

[6] ABO-QUDAIS S， AI-SHWEILY H. Effect of aggregate properties on asphalt mixtures stripping and creep behavior [J]. Construction and Building Materials， 2007, 21(9)： 1886-1898.

[7] KOK B V， YILMAZ M. The effects of using lime and styrene-butadiene-styrene on moisture sensitivity resistance of hot mix asphalt [J]. Construction and Building Materials， 2009, 23(5)： 1999-2006.

[8] NEJAD F M， AZARHOOSH A R， HAMEDI G H， et al. Influence of using nonmaterial to reduce the moisture susceptibility of hot mix asphalt [J]. Construction and Building Materials， 2012, 31： 384-388.

[9] 唐秀明. 沥青混合料马歇尔设计方法与GTM设计方法的对比研究[J]. 公路， 2009 (3)： 66-69.

TANG X M. Comparative study on Marshall and GTM design methods of asphalt mixture [J]. Highway， 2009 (3)： 66-69.

[10] 张争奇， 陶晶， 杨博. 沥青混合料高温性能试验参数研究[J]. 中国公路学报， 2009， 22(1)： 23-28.

ZHANG Z Q， TAO J， YANG B. Research on design parameter for high temperature performance of asphalt mixture [J]. China Journal of Highway and Transport， 2009， 22(1)： 23-28.

[11] 王昌衡， 龚平. Superpave与马歇尔方法沥青混合料设计方法对比研究[J]. 公路， 2005， 25(2)： 115-117.

WANG C H， GONG P. Comparative study on superpave and marshall design methods of asphalt mixture [J]. Highway， 2005， 25(2)： 115-117.

[12] 李红梅. 基于路用性能的沥青混合料最佳油石比确定方法研究[D]. 西安： 长安大学， 2009.

LI H M. Research on designing optimal asphalt content of asphalt mixture based on road performance [D]. Xi’an： Chang’an University， 2009.

[13] 冯新军， 查旭东， 汪文渊. 基于抗车辙和抗开裂的沥青混合料平衡设计[J]. 武汉理工大学学报， 2011， 33(5)： 86-89.

FENG X J， ZHA X D， WANG W Y. Study on new mix design method for balancing anti -rutting and anti- cracking [J]. Journal of Wuhan University of Technology， 2011， 33(5)： 86-89.

[14] ANDERSON R M， CHRIST E W， BONAQUIST R. Estimating the rutting potential of asphalt mixtures using superpave gyratory compaction properties and indirect tensile strength [J]. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists， 2003， 72(3)： 1-26.

(责任编辑郑筱梅)

Design Parameter of Asphalt Mixture Based on Strength Characteristic

ZHANG Ke, ZHANG Zhengqi, YAO Xiaoguang

(Key Laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education,Chang’an University, Xi’an 710064, China)

To improve the water stability of asphalt pavement under the condition of salty and humid environment in coastal areas, the feasibility of applying indirect tensile strength to asphalt mixture design was analyzed first. Then, the indirect tensile tests under different conditions were carried out, and the influences of test temperature, loading rate and asphalt content on ITS were analyzed. Finally, the correlative analysis of ITS under different conditions and results of freeze-thaw splitting test was carried out. The results show that ITS of asphalt mixture decreases with the increasing of test temperature and increases with the increasing of loading rate. ITS increases with increasing of asphalt content at first and then decreases, and ITS gets its peak at certain asphalt content. Under the temperature of 40℃ and loading rate of 5mm/min, the correlation of ITS and TSR is the highest. The ITS under that condition can be regarded as a mechanical parameter for optimum asphalt content design of asphalt mixture in coastal areas.

highway engineering; asphalt mixture; indirect tensile test; water stability

2015- 05- 04

国家自然科学基金资助项目(51008031); 交通运输部应用基础研究资助项目(2014319812151)

张苛(1989—)， 男， 博士研究生， 主要从事沥青路面结构与材料方面的研究， E-mail: zhangke_365@126.com

U 416.217

A

0254-0037(2016)05-0748-05

10. 11936/bjutxb2015050008