基于抗裂性能的沥青混合料设计方法浅析

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室 陕西 西安 710064)

基于抗裂性能的沥青混合料设计方法浅析

焦丽亚

(长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室 陕西 西安 710064)

我国现行沥青混合料配合比设计方法以马歇尔法最为广泛，本文在马歇尔方法的基础上，在设计时加入表征抗裂性能的指标。而我国规范并没有表征抗反射裂缝性能的指标，研究人员提出了多个表征抗裂性能的指标，如冲击韧性、应力衰减率等，各有其优缺，为避免一个指标难以很好地表征抗裂性能，选择两个指标同时表征抗裂性能，相互比较以到达更好的效果。

沥青混合料；配合比设计；抗反射裂缝

一、沥青混合料设计方法概述

目前国内外沥青混合料的设计方法有两大类：体积设计法和GTM法^([1])。体积设计法根据控制标准的不同分为两种：一是用油量标准，求得与所选矿料刚好相适应的沥青用量即为最佳沥青用量，以现行的马歇尔法为代表。二是空隙率标准，以美国的Superpave设计方法为代表，求得满足空隙率要求和矿料间隙率要求的用油量为最佳沥青含量，该法更注重混合料整体上的结构特性。

马歇尔设计法的基本原理是体积设计法，即在分析研究沥青混合料性能时，以沥青结合料与集料成分的体积比例作为计算依据，最终要达到的主要指标也是体积指标。由于马歇尔法所采用的设备价格低廉、便于携带，在我国应用广泛。但这个带有经验性的方法有一定的局限性^([2])，如没有加入路用性能的指标，或考虑体积指标与路用性能之间的关系。

Superpave沥青混合料配合比设计成果在某种程度上预测了沥青路面的使用性能，因此同传统的马歇尔法相比有了很大的进步。但该法由于需要昂贵的设备和大量的气象资料，而且试验工作量又很大，试验比较复杂，一定程度上限制了该技术的推广，目前只使用于研究单位。而且，它所考虑的路用性能也仅限于常规的路用性能，没有考虑抗反射裂缝性能。

GTM是指美国工程兵团旋转压实机，GTM法通过混合料达被旋转压实到平衡状态时的各项参数来确定路面混合料的设计密度和最佳沥青用量。因此，GTM法具有较高的抗车辙能力，适用于对抗高温变形要求较高的重载道路。 但由于设备昂贵，试验复杂，目前在中国也仅限于研究。

目前国内在设计防治裂缝的沥青混合料方面还没有系统的研究，也没有相关的规范和试验规程，现行的级配设计方法即使有考虑路用性能，但均没有涉及通过调整级配及油石比等来提高抗裂性能，提高抗反射裂缝的性能还主要是通过设置应力吸收层。

二、抗裂性能评价指标

(一)断裂韧性

Rice于1968年提出了J积分理论，Mull等^([3])采用预切缝的半圆弯拉试验对沥青混合料的抗裂性能进行了研究。J积分理论可以避开分析裂纹尖端附近复杂的应力应变场，物理意义明确，可以有效的评价沥青混合料的抗裂性能，断裂韧度J_c可以很方便的预切缝的半圆弯拉试验直接获得。研究人员采用基于数字图像处理技术的有限元方法进行数值模拟^([4])，能较为真实的反映沥青混合料本身的不均匀性，在细观尺度上反映材料组成特性对断裂韧度J_c的影响，就可以从细观的角度考虑如何改善沥青混合料的抗裂能力。

采用断裂韧性J_c作为评价沥青混合料抗裂性能的有效指标，试验装置简单，成本低廉，试件的制作方便，既可以旋转压实或者马歇尔制件，也可以直接从现场钻芯获得半圆弯拉试件。而且以断裂韧性J_c作为指标，符合沥青混合料流体力学特性，能很好地表征抗反射裂缝性能。

(二)冲击韧性

有人提出用冲击韧性作为抗裂性能的评价指标。车轮荷载作用在混凝土路面裂缝相应位置的时间非常短，作用力比较大，具有明显的冲击荷载的特征。因此，如果能够测定出沥青混凝土试件在高速荷载作用下发生断裂的荷载变形曲线，则该曲线下的面积就代表材料发生断裂所需要的能量，并可以形式地将其称为冲击韧性^([5])。显然，冲击韧性值越大，材料抵抗反射裂缝的能力越强，通过室内试验验证，冲击韧性与疲劳寿命的相关性很好，而且冲击韧性的试验装置十分简单，采用静力压力机即可。

(三)OT试验应力损失率或循环次数

美国提出Overlay test试验检测沥青混合料抗裂性能。Overlay Tester (OT)是由Ly lion等^[6]在20世纪70年代设计的，用来模拟裂缝的张开与闭合的试验方法，而这两个行为正是导致裂缝产生和扩展的动力。后来，Fujie Zhou 等^([7])将其改进，用来作为预测和评价沥青面混合料的抗裂性能的简便的试验方法。该方法目前主要应用在美国，由美国德克萨斯州交通委员会制定了试验标准，近年来在全世界范围内逐步推广。OT试验以达到93%应力损失率时的循环次数或1200循环后的应力损失率作为指标，试验方便，但是若以达到93%应力损失率时的循环次数为指标，同组的测试结果变异性较大，而以1200循环后的应力损失率为指标测定不同级配的抗裂性能，不同组的测试结果变化很小，而且试验耗时太长。

三、基于抗裂性能的沥青混合料设计方法简述

沥青混合料马歇尔方法由于其设备廉价、试验简单，在我国应用广泛，而且我国现行规范沥青混合料设计方法也是马歇尔法。综合上述情况，应考虑在马歇尔法的基础上加以改进，以突出其抗裂性能。马歇尔设计法的指标是基于体积法的，和路用性能相关性较差，和抗反射裂缝性能更是相关甚少。所以为了设计出抗裂性能好的沥青混合料，需要选出抗裂性能的级配和最佳沥青用量。基于上述思路，提出改进的设计方法的基本思路：(1)控制控制筛孔的通过率及空隙率，以弹性模量及其他体积参数筛选出抗裂性能最好的一个或两个级配；(2)在马歇尔试验中加入应力衰减率(循环次数)和冲击韧性或应力衰减率(循环次数)和断裂韧性作为评价抗裂性能的指标，从而确定最佳油石比。

[1]薛小刚. 沥青混合料级配优化及配合比设计方法研究[M]. 西安:长安大学，2005.

[2]吴超凡,童光明.对马歇尔设计方法与设计标准的几点看法[J].湖南交通科技，2003,29(3):1-3.

[3]Mull M,K Stuart,A Yehia.Fracture resistance characterization of chemically modified crumb rubber asphalt pavement[J].Journal of Materials Science, 2002,37:557-566.

[4]刘宇，张肖宁，王端宜.沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命预测[J].华南理工大学学报(自然科学版)，2008,36(2):41-47.

[5]张肖宁，邹桂莲，贺志勇. 沥青混合料抵抗反射裂缝能力的评价方法研究[J]华南理工大学学报，2001, 29 (7)

[6]Germann F P, Lytton R L. Methodology for predicting the reflective cracking life of asphalt concrete overlays[R].Texas:Texas A&M University, 1979.

[7]Zhou Fujie Scullion T. Overlay tester: a simple performance test for thermal reflective cracking[C].Proceedings of the Association of Asphalt Pavement Technologists. Long Beach CA[USA]2005 (74) :443—484.

焦丽亚(1992-)，女，长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，研究生。