应力吸收层沥青混合料体积参数及抗压回弹模量研究

(湖南中大建设工程检测技术有限公司， 湖南 长沙 410215)

应力吸收层沥青混合料体积参数及抗压回弹模量研究

刘斌

(湖南中大建设工程检测技术有限公司， 湖南 长沙 410215)

在沥青层与下层间设置应力吸收层，优化层间接触条件，有效吸收裂缝处的应力集中现象，是缓解沥青加铺层反射裂缝的关键措施。选取6条矿料合成级配，3个油石比，对比研究不同级配及油石比条件下应力吸收层混合料的体积参数及抗压回弹模量，探究抗压回弹模量及体积参数与矿料级配之间的关系。研究结果表明：随着1.18 mm筛孔通过率的增大，1.18 mm筛孔通过率对空隙率的影响敏感性降低；随着油石比的增大，应力吸收层混合料空隙率降低；8.0%、9.0%和10.0%油石比时，1.18 mm通过率分别为50.5%、45.9%和45.9%时抗压回弹模量达到极大值；随着空隙率的增大(油石比降低)，应力吸收层混合料抗压回弹模量逐渐增大。

应力吸收层； 沥青混合料； 体积参数； 抗压回弹模量； 旋转压实

0 引言

路面裂缝及路面混合料中的不连续、不传力或不完全传力现象。由于沥青路面行车舒适性好、维修快捷，我国90%以上等级公路均为沥青路面。我国沥青路面以半刚性基层作为主要基层结构类型，甚至是唯一的基层结构类型。半刚性基层材料强度高、刚度大，但在湿度及温度骤降过程易形成干缩和温缩裂缝。旧水泥混凝土路面的提质改造工程(白加黑工程)，旧水泥板难免出现裂缝(结构布设纵横缝、疲劳裂缝等)[1]。若沥青层与路面基层或旧水泥混凝土路面层间处置不当，残留裂缝产生应力集中，进而在车载和雨水的作用下，裂缝向上贯穿至沥青面层，而形成反射裂缝。采用模量较低的富沥青材料作为沥青层与下承层之间的过渡层[2]，基于其良好的流塑性起到消散裂缝处的应力集中作用，并能够缓解车辆荷载的冲击荷载；加之其空隙率较低(1.0%～2.5%)，具有良好的雨水阻隔性能[3]，有效防止路表水下渗，阻止水分对基层混合料的冲刷破坏。故在沥青层与下层间设置应力吸收层，优化层间接触状态，有效吸收裂缝处的应力集中现象，是缓解反射裂缝形成的关键措施。

应力吸收层混合料同传统沥青混合料不同，模量太大起不到缓解应力集中的效果，模量太小则容易产生层间滑移及永久变形，故需要有适中的抗压回弹模量；应力吸收层混合料沥青含量高、空隙率小，油石比一般在8.0%以上、空隙率一般不超过2.5%，在此体积参数下，有效沥青饱和度必然较高，大于常态沥青混合料VFA范围65%～75%。美国科氏材料公司研发了应力吸收层材料，并给出了其体积参数的推荐范围[4]，研究表明其推荐的VFA较小，需要改善[5]。我国也尚缺乏应力吸收层混合料配合比设计的行业标准。选取了美国科氏材料公司推荐的应力吸收层材料级配范围内的6条矿料合成级配，3个油石比，对比研究不同级配及油石比条件下混合料的体积参数及抗压回弹模量，探究抗压回弹模量及体积参数同矿料级配之间的关系，意义较大。

1 原材料

采用SBS聚合物改性沥青结合料，沥青技术指标检测结果见表1。集料采用玄武岩集料，最大工程粒径NMAS=4.75 mm，矿料的技术指标满足我国现行沥青路面施工技术规范要求，不一一列举。矿粉为石灰岩磨细的矿粉，无团粒结块现象。

表1 沥青指数指标检测结果原样沥青RTFOT后针入度(25℃，5s，100g)/(0．1mm)软化点(环与球)/℃5℃延度/cm密度(15℃)/(g·cm-3)闪点/℃弹性恢复/%PG等级针入度(25℃，5s，100g)/(01mm)5℃延度/cm质量变化/%PG等级809798615101025897PG82-22684420009PG82-16

2 应力吸收层材料的设计指标

文献[3]在160 ℃，通过测定5个油石比水平、 0～70次旋转压实次数下应力吸收层混合料的体积参数，研究表明在旋转压实次数为40次时，混合料密度与旋压次数现行关系良好，相关系数R2达0.9819，且表明油石比及旋压次数为影响混合料体积参数的关键因素。美国科氏公司提出的应力吸收层混合料的矿料级配范围和体积参数见表2、表3。表3知在设计旋转压实次数下，空隙率推荐范围为1.5%～2.5%，建议不宜过大。文献[6]针对设计空隙率为1.3%的应力吸收层混合料进行了渗水试验，检测结果表明仅有5%的测点渗水系数在10 mL/min以内，而95%的测点为基本不渗，渗水系数为0，表明应力吸收层材料抗渗性能很好。文献[7]采用3种应力吸收层材料，设计空隙率为1.0%～2.0%，检测混合料的水稳定性，检测结果表明3种混合料的水稳定性均良好(浸水马歇尔残留稳定度均不小于90%，冻融劈裂强度比均大于85%)。

文献[3]采用有限元方法，拟定应力吸收层混合料抗压回弹模量取值为200～1000 MPa，分析了混合料模量变化与沥青面层混合料接缝处的荷载应力及温度应力的关系。研究结果表明应力吸收层混合料抗压回弹模量取值范围应在400～600 MPa范围。综上所述，应力吸收层混合料压实次数为40次时，混合料密度与旋压次数现行关系良好；空隙率在1.0%～2.0%范围时，能够满足水稳定性及抗渗性能的要求；抗压回弹模量在400～600 MPa范围时，能够起到缓解裂缝处应力集中及不出现过大塑性变形的功能。

表2 推荐应力吸收层沥青混合料矿料合成级配范围各筛孔(mm)的通过百分率/%954752361180603015007510080～10060～8540～7025～5518～358～206～14

表3 推荐应力吸收层沥青混合料体积指标控制标准VV/%VMA/%VFA/%Ndesign=25Nmax=50Ndesign=25Nmax=50Ndesign=25Nmax=5015～2505～2018～2418～2475～8575～85 注：Ndesign、Nmax分别为旋转压实次数的设计值与最大值。

3 体积参数及抗压回弹模量检测

3.1 试验方案

根据美国科氏材料公司推荐应力吸收层沥青混合料矿料合成级配范围，由下至上选取走势大致平行的6条级配曲线，见表4和图1。其中3条位于推荐级配范围中值(关键筛孔1.18 mm)上方，3条位于下方，级配A到级配F依次偏细；根据其推荐油石比范围7.5%～10.0%，拟定8.0%、9.0%和10.0%这3个油石比水平。

分别采用旋转压实仪成型100 mm×100 mm的柱形试件，每个配合比成型3个试件，设计旋转压实次数为40次。混合料的最大理论密度采用计算法确定[6]，试件成型24 h后，检测其毛体积相对密度，计算体积参数。采用MTS万能材料试验机，在20 ℃条件下测定各试件的抗压回弹模量，平行试验3次，以3次模量的平均值作为检测结果。

表4 6种矿料合成级配级配各筛孔(mm)的通过百分率/%9547523611806030150075级配A10086066042829821211392级配B10090170245931923112898级配C100930746505352260142101级配中值100900725550400265140100级配D100950783552397287160113级配E100976810593431304172117级配F100987832647492328186129

图1 6种矿料合成级配曲线

3.2 试验结果及分析

不同配合比的应力吸收层混合料体积参数及抗压回弹模量检测结果见表5。

由于有效沥青饱和度VFA=(VMA-AA)/VMA×100%，由表3知，试假设在推荐体积参数范围中VV=2.0%、VMA=24.0%时，得VFA=91.7%，此时VV和VMA均满足要求，而计算出来的VFA却大于推荐的高限。由表5中VFA计算结果值，VFA均在85%以上，且80%检测结果均处于90%以上，表明表3中推荐的VFA值偏小。

油石比是影响混合料空隙率的关键因素，绘制油石比与空隙率的曲线图，见图2。参照贝雷法第1关键筛孔(粗细集料分界筛孔)，粗细集料分界筛孔应为最大公称粒径的0.22倍附近[8]，故对于NMAS=4.75 mm的应力吸收层混合料，其第1关键筛孔应为1.18 mm，绘制1.18 mm通过率同空隙率的关系图，见图3。

表5 不同配合比的应力吸收层混合料体积参数及抗压回弹模量检测结果油石比/%混合料体积参数及模量最大理论相对密度毛体积相对密度VV/%VMA/%VFA/%抗压回弹模量/MPa级配A2．4212．3632．420．388．2571级配B2．4242．3732．120．089．559280级配C2．4262．3821．819．890．8612级配D2．4292．3881．719．691．3588级配E2．4312．3921．619．491．7572级配F2．4342．3931．719．591．4548级配A2．3922．3392．221．489．7468级配B2．3952．3491．921．291．04929．0级配C2．3972．3581．620．692．1479级配D2．4002．3641．520．492．8462级配E2．4032．3711．320．393．5439级配F2．4052．3721．420．693．4374级配A2．3572．3201．622．592．9403级配B2．3592．3291．322．294．241510．0级配C2．3622．3371．121．995．1379级配D2．3652．3430．921．895．7346级配E2．3692．3510．821．696．5315级配F2．3722．3540．821．896．4284

图2 油石比与混合料空隙率

由图2可知，6种级配应力吸收层混合料的空隙率随着油石比的增大均减小，油石比由8.0%增加至9.0%、10%，空隙率降低幅度分别为12.6%、35.2%，表明油石比对空隙率的影响较大。图2中级配A、级配B和级配C空隙率走势线之间间隔较大，级配B～级配F空隙率走势线之间间隔逐渐变小；级配A到级配B，1.18 mm通过率每增加1%空隙率变化幅度为9.9%，级配D到级配E，1.18 mm通过率每增加1%空隙率变化幅度仅为3.3%，表明随着1.18mm筛孔通过率的增大，1.18 mm筛孔通过率对空隙率的影响敏感性降低。

图3 1.18 mm通过率与混合料空隙率

由图3可知: 在不同油石比条件下，应力吸收层混合料空隙率随1.18 mm筛孔通过率的增大(级配的偏细)而降低，即呈负相关关系；但在级配F时，空隙率出现了反向增大，关键筛孔1.18 mm的通过率达64.7%，此时细集料含量过多，细集料与细集料之间开始产生干涉现象。油石比为8.0%、9.0%和10.0%时，应力吸收层混合料空隙率处于1.0%～2.0%的1.18 mm通过率范围分别为47.6%～70.0%、44.9%～70%和40.0%～52.9%。油石比为8.0%的空隙率走势线在图中最上方，10.0%走势线处于图中最下方，表明随着油石比的增大，混合料空隙率降低。

由图4知，随着1.18 mm通过率的增大抗压回弹模量先增大再减小，8.0%、9.0%和10.0%油石比时，1.18 mm通过率分别为50.5%、45.9%和45.9%时抗压回弹模量为极大值。原因是随着1.18 mm通过率的增大，矿料级配逐渐偏细，趋于密实，抗压回弹模量区域增大；而随着油石比偏大，混合料趋于软化，抗压回弹模量区域降低；在极大值以前，矿料级配对混合料抗压回弹的影响处于主导地位，抗压回弹模量增大；在极值点以后，油石比对抗压回弹模量的增加处于主导地位，抗压回弹模量降低。

图4 1.18 mm通过率与混合料抗压回弹模量

由图5知: 随着空隙率的增大(油石比降低)，应力吸收层混合料抗压回弹模量逐渐增大，与常规工程实例空隙率降低混合料区域密实抗压回弹模量增大的趋势相反。原因是由于应力吸收层混合料油石比较大，一般为7.5%～10.0%；此时空隙率在1.0%～2.0%范围，油石比的增加(空隙率降低)在混合料间起到了润滑剂的作用，使得混合料刚度降低，故抗压回弹模量降低。

图5 空隙率与混合料抗压回弹模量

4 结论

1) 随着1.18 mm筛孔通过率的增大，1.18 mm筛孔通过率对空隙率的影响敏感性降低。

2) 油石比为8.0%、9.0%和10.0%时，应力吸收层混合料空隙率处于1.0%～2.0%的1.18 mm通过率范围分别为47.6%～70.0%、44.9%～70%和40.0%～52.9%。随着油石比的增大，混合料空隙率降低。

3) 随着1.18 mm通过率的增大抗压回弹模量先增大再减小，8.0%、9.0%和10.0%油石比时，1.18 mm通过率分别为50.5%、45.9%和45.9%时抗压回弹模量为极大值。

4) 随着空隙率的增大(油石比降低)，应力吸收层混合料抗压回弹模量逐渐增大。

[1] 廖卫东. 基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构与材料研究 [D]. 武汉: 武汉理工大学, 2007.

[2] 谭忆秋, 石昆磊, 朱峰, 等. 级配对应力吸收层沥青混合料性能的影响[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2009, 29(2): 33-36.

[3] 李鑫, 黄正雄. 沥青路面渗水试验检测的影响因素分析[J]. 湖南交通科技, 2007, 33(3): 14-16.

[4] 曾凡, 胡永平. 矿物加工颗粒学[M]. 北京：中国矿业大学出版社, 1995.

[5] 李祖仲. 应力吸收层沥青混合料组成设计及抗裂性能研究 [D].西安: 长安大学, 2009.

[6] 梅向东, 江山平, 张邦爱. 罩面处治后的沥青路面常见病害及养护维修技术[J]. 湖南交通科技, 2007, 33(1): 28-29.

[7] 李祖仲. 应力吸收层沥青混合料路用性能研究[D]. 西安：长安大学, 2005.

[8] Vavrik W, Pine W, Carpenter S. Aggregate blending for asphalt mix design: Bailey method[J]. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, 2002 (1789): 146-153.

1008-844X(2017)03-0042-05

U 414

A

2016-12-28

刘 斌(1989-)，男，硕士，主要从事公路桥梁工作。