基于多目标加权的不同集料沥青砂浆性能评价研究*

陈鑫， 姚佳良

(长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114)

沥青砂浆作为沥青混合料的重要组成部分，其性能直接影响沥青混合料的路用性能。钱国平等通过抗拉和抗压强度试验，研究了集料粒径对沥青砂浆力学性能的影响，发现沥青砂浆的力学性能随着集料最大公称粒径的减小而变差。Tan Y.等研究了细集料特性对沥青砂浆黏性的影响，结果表明沥青砂浆的抗变形能力随着集料形状的扁平和棱角结构的减少而降低。Nejad F. M.等研究了水泥乳化沥青砂浆的力学性能、耐久性、疲劳性能和流变特性，发现采用低火山灰活性矿渣对其单轴抗压强度无显著影响，间接抗拉强度略有降低。崔亚楠等采用正交试验对沥青砂浆的愈合性能进行研究，得到老化程度对沥青砂浆愈合度的影响显著。Fu Q.等研究了CA砂浆在不同初始应变水平下的应力松弛行为，建立了基于热力学的应力松弛模型，发现CA砂浆的松弛应力随着应变水平的增加而增大。Riara M.等研究了温度和湿度对AC-13沥青混合料及砂浆长期老化后裂缝愈合能力的影响，结果表明温度升高会增加沥青材料的裂缝愈合程度。目前关于沥青混合料性能单一指标评价的研究较多，而关于其综合性能评价的研究较少。黄晓明等基于灰色理论模型，从多个角度评价了沥青砼与水泥砼两种路面的适用性，找到了适用于隧道环境的路面结构类型。张华等对4种掺加不同纤维的沥青混合料进行试验，采用加权灰色理论优选性能最佳的纤维沥青混合料。于新等利用有限元法分析多因素对桥面防水黏结层的力学响应，采用灰色理论优选最佳防水黏结层材料。宋亮等基于灰色决策方法，评价了不同种类玄武岩纤维沥青碎石封层的黏结性能。沥青砂浆的性能与沥青路面的使用性能紧密相关，且综合性能评价直接影响沥青混合料原材料的优选。该文基于等体积换算原则，在AC-13 SBS沥青混合料的基础上，根据规范计算并分别成型石灰岩、玄武岩、辉绿岩和钢渣沥青砂浆试件，对其进行高温性能、低温性能、水稳定性和疲劳性能测试，对比研究不同类型集料沥青砂浆的性能，为沥青路面原材料选择提供参考。

1 原材料

1.1 沥青

试验所用沥青为SBS (I-D)改性70#沥青，其性能参数测试结果见表1。

表1 SBS改性沥青的基本性能指标

1.2 集料

选用石灰岩、玄武岩、辉绿岩和钢渣4种集料，填料均采用磨细的石灰岩矿粉，其技术性能见表2、表3，均符合相关要求。

表2 矿粉的基本性能指标

表3 集料的表观相对密度和毛体积相对密度

2 沥青砂浆配合比设计

2.1 级配设计

以AC-13沥青混合料的级配为基础(见表4)，去除沥青混合料中的粗集料部分，剩余4.75 mm以下部分，计算沥青砂浆矿料级配。假定沥青砂浆中集料筛余百分率与原AC-13沥青混合料一致，计算得到沥青砂浆的级配(见表5)。

表4 AC-13沥青混合料的设计级配

表5 沥青砂浆的级配

基于等体积换算原则，分别计算石灰岩、玄武岩、辉绿岩和钢渣沥青砂浆的各档集料用量，结果见表6、表7。

表6 等体积换算公式

表7 等体积换算后沥青砂浆各档用量

2.2 沥青砂浆中沥青用量

根据马歇尔击实试验结果，结合依托工程沥青路面沥青混合料配合比，确定AC-13 SBS改性沥青混合料最佳油石比为5.2%。根据JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》，先计算沥青混合料中有效沥青含量Pbe、被集料吸收的沥青含量Pba和粉胶比FB。假设沥青砂浆中粉胶比与其对应的沥青混合料相同，计算不同沥青砂浆试件中有效沥青含量，进而计算沥青砂浆试件中沥青含量。各种沥青混合料的相关参数见表8。

表8 各种集料组成的AC-13沥青混合料的参数

式中：P0.075为级配中0.075 mm筛孔通过率(%)。

同理可计算得到各种沥青砂浆最佳油石比和最佳沥青用量(见表9)。

表9 沥青砂浆最佳油石比和最佳沥青用量

3 沥青砂浆路用性能评价

3.1 高温性能

结合沥青砂浆的性能特点和级配设计，重点研究不同类型集料对沥青砂浆高温稳定性的影响，通过单轴压缩试验和三轴重复荷载压缩蠕变试验对沥青砂浆的高温性能进行评价。

3.1.1 单轴压缩试验

采用旋转压实仪成型直径100 mm×高度100 mm沥青砂浆试件，利用UTM试验机(万能材料试验机)进行单轴压缩试验，选用压缩荷载模式，加载速率1 mm/min，预加载荷载0.05 kN，预加载时间20 s，试验温度40 ℃。每组设置3个平行试验，以其平均值作为试验结果(见图1)。

图1 不同细集料类型沥青砂浆的应力-应变曲线

由图1可知：4种沥青砂浆的抗压强度曲线变化规律相近，均为先迅速增大，到达峰值后减小，最后趋于平缓。辉绿岩和玄武岩沥青砂浆的应力-应变关系相差不大，均在应变5%时应力达到最大值，分别为11.56和11.52 MPa，峰值后曲线基本重合；石灰岩沥青砂浆在应变5%时应力最大，为10.52 MPa；钢渣沥青砂浆在应变6%时应力最大，为9.47 MPa。峰值应力后，砂浆试件的承载能力已达到极限，继续加载后发生破坏，并产生裂缝。相比工业废渣类细集料(钢渣)，机制砂类细集料(石灰岩、玄武岩和辉绿岩)对沥青砂浆抗压能力的影响较小。

3.1.2 三轴重复荷载压缩蠕变试验

采用UTM试验机，对不同集料类型沥青砂浆进行三轴重复荷载压缩蠕变试验，试验围压取138 kPa，加载应力500 kPa，试验温度为40、50、60 ℃，分析温度对沥青砂浆应变的影响，结果见图2。

图2 不同温度下沥青砂浆的时间-应变曲线

由图2可知：试验温度为40 ℃时，蠕变曲线随时间的延长先增大后趋于平缓，玄武岩沥青砂浆的蠕变曲线变化最小，其次是辉绿岩沥青砂浆，钢渣沥青砂浆的蠕变变形最大；试验温度为50 ℃时，钢渣沥青砂浆的变形仍最大，石灰岩沥青砂浆次之，玄武岩沥青砂浆的蠕变曲线与辉绿岩沥青砂浆相当；试验温度60 ℃时，钢渣沥青砂浆的变形最大，石灰岩沥青砂浆居中，玄武岩和辉绿岩沥青砂浆依旧最不易发生变形。

3.1.3 高温性能评价

综上，在相同试验温度下，玄武岩和辉绿岩沥青砂浆的稳定性比石灰岩和钢渣沥青砂浆的好；随着温度的升高，钢渣沥青砂浆的蠕变增长幅度最大，其次为石灰岩沥青砂浆，辉绿岩和玄武岩沥青砂浆的增长幅度最小。4种沥青砂浆高温稳定性的排序为玄武岩沥青砂浆≈辉绿岩沥青砂浆>石灰岩沥青砂浆>钢渣沥青砂浆。

3.2 低温性能

沥青砂浆的低温抗裂性能直接影响沥青路面的使用性能。根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，对各集料类型沥青砂浆进行小梁弯曲试验，沥青砂浆采用25 mm×25 mm×150 mm棱柱形试件，试验温度-10 ℃，加载速度50 mm/min，分析各集料类型沥青砂浆的低温性能，试验结果见表10和图3。

由表10和图3可知：1) 玄武岩沥青砂浆的弯拉强度最大，其次是辉绿岩和钢渣沥青砂浆，石灰岩沥青砂浆的弯拉强度最小。其中玄武岩与辉绿岩沥青砂浆的弯拉强度相差不大；玄武岩与石灰岩沥青砂浆的弯拉强度相差10.4%；玄武岩与辉绿岩沥青砂浆的弯拉强度相近，相差约3.3%，且小于石灰岩和钢渣沥青砂浆；钢渣沥青砂浆的弯拉应变比石灰岩的高11.3%。2) 石灰岩、玄武岩、辉绿岩和钢渣沥青砂浆的劲度模量分别为1 032、1 154、1 167和982 MPa。其中玄武岩与辉绿岩沥青砂浆的劲度模量相近，相差约1.1%；石灰岩与钢渣沥青砂浆的劲度模量相差约5.1%；模量最大的辉绿岩沥青砂浆与最小的钢渣沥青砂浆相差约18.8%。说明钢渣和石灰岩沥青砂浆比玄武岩和辉绿岩沥青砂浆具有更好的柔韧性，可更好地抵抗低温开裂破坏。低温抗裂能力排序为石灰岩沥青砂浆>钢渣沥青砂浆>玄武岩沥青砂浆≈辉绿岩沥青砂浆。

表10 沥青砂浆小梁弯曲试验结果

图3 沥青砂浆弯拉强度试验结果

3.3 水稳定性

根据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，通过冻融劈裂试验对4种类型集料沥青砂浆进行水稳定性评价，每组设置3个平行试验，试验结果见表11和图4。

由表11和图4可知：1) 在未冻融情况下，石灰岩、玄武岩、辉绿岩和钢渣沥青砂浆的劈裂强度均值分别为0.331、0.347、0.348和0.339 MPa，辉绿岩沥青砂浆的劈裂强度最大，玄武岩和钢渣沥青砂浆的劈裂强度相近且大于石灰岩沥青砂浆。冻融循环后，沥青砂浆的劈裂强度均明显下降，其中石灰岩沥青砂浆的劈裂强度最大，玄武岩沥青砂浆的劈裂强度小于辉绿岩和钢渣沥青砂浆。2) 石灰岩、玄武岩、辉绿岩和钢渣沥青砂浆的冻融劈裂抗拉强度比分别为79.5%、71.8%、75.3%和76.1%，石灰岩沥青砂浆的冻融劈裂抗拉强度分别比玄武岩、辉绿岩、钢渣沥青砂浆提高10.7%、5.6%、4.5%。在水和温度共同作用下，石灰岩集料与沥青的黏附性优于辉绿岩和玄武岩，沥青与石灰岩集料结合更紧密，故在劈裂荷载作用下其抗拉强度较大，水稳定性较优。

表11 沥青砂浆的冻融劈裂试验结果

图4 沥青砂浆的冻融劈裂抗拉强度比

石灰岩沥青砂浆的水稳定性即抗水损害能力优于玄武岩、辉绿岩和钢渣沥青砂浆，4种沥青砂浆的水稳定性排序为石灰岩沥青砂浆>钢渣沥青砂浆>辉绿岩沥青砂浆>玄武岩沥青砂浆。

3.4 疲劳性能

采用MTS试验机进行四点弯曲疲劳试验，分析不同集料类型沥青砂浆的疲劳性能，试验温度5、15 ℃，加载频率10 Hz，应变水平为700和1 000 με，试验结果见表12。

表12 沥青砂浆四点弯曲疲劳试验结果

由表12可知：在5 ℃、700 με的条件下，石灰岩、玄武岩、辉绿岩和钢渣沥青砂浆的疲劳寿命分别为183 501、202 879、198 693和219 142 次，相对于石灰岩、玄武岩和辉绿岩沥青砂浆，钢渣沥青砂浆的疲劳寿命分别增加19.4%、8%和10.3%；在5 ℃、1 000 με的条件下，石灰岩、玄武岩、辉绿岩和钢渣沥青砂浆的疲劳寿命分别为42 817、47 396、46 202和49 358次，相对于石灰岩、玄武岩和辉绿岩沥青砂浆，钢渣沥青砂浆的疲劳寿命分别增加15.3%、4.1%和6.8%；在15 ℃、1 000 με的条件下，石灰岩、玄武岩、辉绿岩和钢渣沥青砂浆的疲劳寿命分别为153 610、167 160、165 717和167 736 次，相对于石灰岩、玄武岩和辉绿岩沥青砂浆，钢渣沥青砂浆的疲劳寿命分别增加9.2%、0.3%和1.2%。沥青混合料疲劳开裂始于沥青砂浆结构，且大部分裂缝处于沥青砂浆结构中，沥青混合料的疲劳性能在一定程度上可通过沥青砂浆的疲劳性能来表征，改变沥青混合料中细集料类型对提高沥青路面耐疲劳性能有一定作用。

综上，钢渣沥青砂浆的疲劳寿命最大，玄武岩和辉绿岩沥青砂浆的疲劳寿命相近，石灰岩沥青砂浆疲劳寿命最小。4种沥青砂浆疲劳性能排序为钢渣沥青砂浆>玄武岩沥青砂浆≈辉绿岩沥青砂浆>石灰岩沥青砂浆。

4 基于多目标加权的沥青砂浆性能评价

基于不同集料类型沥青砂浆的高温性能、低温性能、水稳定性和疲劳性能，采用灰色系统理论中的多目标加权决策模型，分析集料类型对沥青砂浆综合性能的影响。三轴重复荷载压缩蠕变以60 ℃最大变形结果为例，疲劳性能以应变水平1 000 με的疲劳寿命为例，不同集料类型沥青砂浆的性能指标参数见表13。

表13 不同集料类型沥青砂浆的性能指标参数

(1) 建立事件集、对策集及决策方案集。以哪种集料类型沥青砂浆路用性能最优作为事件a1，则事件集A={ai}={a1}；选择石灰岩、玄武岩、辉绿岩、钢渣分别作为对策b1、b2、b3、b4，则对策集B={b1，b2，b3，b4}；由事件集和对策集构成决策集S={Sij=(ai,bj)|ai∈A,bj∈B,i=1,j=1,2,3,4}={s11,s12,s13,s14}。

(2) 确定决策目标。将沥青砂浆高温性能(抗压强度和60 ℃时最大应变)、破坏弯拉应变、水稳定性能和疲劳性能(5和15 ℃)共6个指标作为决策目标。

(3) 确定决策目标的决策权重。设置各决策目标的权重分别为0.125、0.125、0.25、0.25、0.125、0.125。

(4) 求决策目标效果样本矩阵。根据表13得目标效果样本矩阵如下：

(6) 求效果测度矩阵。测度矩阵是决策目标效果样本矩阵经过量纲化处理后的矩阵。根据效益型目标效果函数测度公式[见式(1)]和成本型目标效果函数测度公式[见式(2)]，结合步骤5设定的目标效果临界值，对效果样本矩阵Uk进行效果测度矩阵计算，得到测度效果矩阵[见式(3)]。

(1)

(2)

(3)

(7) 计算综合效果测度矩阵。根据式(4)计算综合效果测度矩阵，结果见式(5)。

(4)

R=[r11r12r13r14]=[0.503 6 0.685 3

0.618 8 0.663 4]

(5)

(8) 决策。由步骤7的计算结果，得到各沥青砂浆的靶心距离(见表14)。

表14 不同类型沥青砂浆综合性能的靶心距离

由表14可知：4种集料类型沥青砂浆中，玄武岩沥青砂浆的综合性能最优，钢渣沥青砂浆次之，石灰岩沥青砂浆的综合性能最差。

5 结论

(1) 4种集料类型沥青砂浆的综合性能排序为玄武岩沥青砂浆>钢渣沥青砂浆>辉绿岩沥青砂浆>石灰岩沥青砂浆。

(2) 根据不同集料类型沥青砂浆的路用性能，在重交通和夏季多高温的地区，应优先选择玄武岩或辉绿岩集料；在重交通和多低温的地区，可优先选择钢渣集料；在降雨量大的地区，应优先选择石灰岩集料。