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摘 要

通過間接拉伸開裂(IDEAL-CT)試驗方法，研究了不同級配及油石比條件下超薄磨耗層混合料的抗裂性能。結(jié)果顯示，級配變密會導(dǎo)致混合料整體強度上升，抗變形能力下降，同時會加快裂縫擴展速度，混合料抗裂性能下降。油石比的增加會使混合料抗變形能力提升，延緩裂縫擴展速度，使得混合料抗裂性能增強瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果表明，隨著超薄磨耗層混合料的孔隙率和瀝青膜厚度的增加，混合料整體強度降低，抗變形能力提升，裂縫開裂速度下降，混合料整體抗裂性能增強，因而超薄磨耗層混合料設(shè)計過程中可通過提升孔隙率和瀝青膜厚度來增強混合料的抗裂性能。對于IDEAL-CT試驗指標，斷裂能不適用于評價超薄磨耗層混合料抗裂性能。

關(guān)鍵詞 超薄磨耗層 | 開裂 | 間接拉伸開裂試驗 | 級配 | 瀝青膜厚度

熱拌超薄磨耗層[1]是指厚度為0.8~1.5cm的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層，適用于各等級瀝青路面，水泥路面、橋面以及隧道養(yǎng)護改造。超薄磨耗層獨特的結(jié)構(gòu)使其能直接在原路面進行加鋪而無需銑刨，幾乎不會對原路面標高產(chǎn)生較大影響，進而不會影響到路面附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施與排水。同時超薄的路面結(jié)構(gòu)也大大減輕了磨耗層混合料的質(zhì)量，用于橋面加鋪時對橋梁荷載的增加可忽略不計。超薄磨耗層的加鋪可有效改善原路面的平整度，增加路面抗滑性能，降低行車噪聲，從而提升路面的服務(wù)質(zhì)量，是公路預(yù)防性養(yǎng)護工程中首選的技術(shù)手段[2-3]。

然而超薄磨耗層在使用過程中很容易出現(xiàn)路面開裂問題[4]，從而降低磨耗層的服務(wù)壽命，這是由于原路面基礎(chǔ)存在結(jié)構(gòu)性缺陷導(dǎo)致的。一般情況下超薄磨耗層多用于水泥路面黑色化改造或者中輕微病害路面養(yǎng)護，水泥路面板塊之間存在板縫，由于溫度變化板塊發(fā)生伸縮變形造成板縫寬度變化，進而產(chǎn)生路面裂縫[5-6]。而部分原路面存在的裂縫也會在交通荷載的作用下出現(xiàn)受力不均的情況，使得磨耗層沿原路面裂縫開裂，出現(xiàn)反射裂縫的現(xiàn)象[7-9]。因此，對超薄磨耗層混合料進行抗裂性能研究對于提升磨耗層使用壽命具有很重要的意義。

目前，評價瀝青混合料抗裂性能的室內(nèi)試驗包括：間接拉伸試驗(劈裂試驗)，四點彎曲疲勞小梁(four-pointbeam，4PB)試驗，加鋪層(overlaytest，OT)試驗，半圓彎拉(semi-circularbend，SCB)開裂試驗以及間接拉伸開裂(indirecttensileasphaltcrackingtest，IDEAL-CT)試驗等。其中劈裂試驗多用于評價混合料的低溫抗裂性能，且評價指標為力學(xué)性能指標[10]。4PB試驗主要評價混合料由于彎曲應(yīng)變而產(chǎn)生的疲勞開裂[11]。OT試驗是德州交通研究中心開發(fā)的一套評價瀝青混合料加鋪層抗裂性能的試驗方法[12]，能較好地模擬實際路面裂縫的反射裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，然而該方法在國內(nèi)并沒有普及，并有研究表明[13]試驗結(jié)果變異系數(shù)比較大。SCB試驗是對半圓形試件進行預(yù)先開縫，而后沿裂縫方向進行加載，其中靜態(tài)加載模式根據(jù)加載過程中裂縫發(fā)展情況來評價混合料的抵抗開裂的能力，多用來評價低溫抗裂性[14]，而動態(tài)加載模式可用來評價混合料的抵抗疲勞開裂的能力[15]。以上幾種評價方法，其中4PB，OT和SCB試驗所需試件均需要進行切割加工，試驗結(jié)果受加工精度所影響，而且試驗耗時比較長，需要數(shù)個小時來完成。

IDEAL-CT試驗是德州交通研究中心開發(fā)的一種用于評價瀝青混合料抗裂性能新的試驗方法[16-17]。該方法直接對直徑150mm的旋轉(zhuǎn)壓實試件進行測試，整個加載過程在1min以內(nèi)，試驗結(jié)果可程序化處理。相較于其他幾種評價開裂的試驗方法，具有簡單，快速，實用，高效的特點，同時試驗結(jié)果變異系數(shù)比較小，試驗可重復(fù)性高。研究表明[16]該方法對于混合料抗裂性能的評價與實際路面結(jié)果相符。

本文將基于IDEAL-CT試驗方法，評價不同級配及油石比條件下超薄磨耗層混合料的抗裂性能，從峰值力，斷裂能，最大位移，75%峰值力處斜率以及抗裂指數(shù)ICT指標進行評價，綜合分析級配以及油石比變化對混合料抗裂性能的影響，并與孔隙率和瀝青膜厚度結(jié)果進行相關(guān)性分析，用于指導(dǎo)超薄磨耗層混合料設(shè)計。

1、材料與試驗

1.1材料

1.1.1瀝青

本文所用瀝青為高粘度苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青，其中SBS摻量為6.0%，瀝青性能分級(performancegrade，PG)為PG76-22，瀝青的基本指標見表1。相應(yīng)的技術(shù)要求參照《公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》[18]中超薄罩面對高粘度改性瀝青的技術(shù)要求。

1.1.2集料

本文所用粗集料為江蘇溧陽產(chǎn)3~5mm玄武巖，細集料為浙江湖州產(chǎn)0~5mm石灰?guī)r，礦粉為石灰?guī)r研磨加工而成，三檔集料的篩分結(jié)果見表2。

1.2級配設(shè)計方案

由于本研究中超薄磨耗層混合料最大工程粒徑為4.75mm，因而在級配設(shè)計中通過控制2.36mm關(guān)鍵篩孔通過率來調(diào)整，通過調(diào)整三檔集料的使用比例，使2.36mm篩孔通過率分別為13%，19%和25%，來擬定三種級配方案，級配各篩孔通過率見表3。

對于上述三種級配，每種級配分別采用5.0%，5.5%和6.0%油石比拌和混合料，試件采用旋轉(zhuǎn)壓實a成型，根據(jù)Superpave設(shè)計方法，混合料壓實次數(shù)選擇均為100次，試件直徑為150mm，高度為62mm，混合料拌和與成型溫度均控制在170℃。

1.3試驗方法

1.3.1孔隙率

混合料孔隙率測試參照現(xiàn)行規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[19]，其中最大理論密度采用T0705方法計算得到，毛體積密度采用T0708方法測試。

1.3.2瀝青膜厚度計算

混合料的瀝青膜厚度計算方法參照規(guī)范《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[20]中開級配抗滑磨耗層(open-gradedfrictioncourse，OGFC)混合料設(shè)計方法關(guān)于瀝青膜厚度計算公式，如下：

1.3.3IDEAL-CT試驗方法

根據(jù)ASTMD8225-2019[21]中推薦的試驗方法，IDEAL-CT試驗夾具選擇劈裂試驗夾具，夾條寬度為2cm，試驗在MTS(materialtestingsystem)試驗機上進行，沿試件直徑方向進行加載，試驗溫度為25℃，試驗開始前，試件需在25℃環(huán)境箱內(nèi)保溫2h，試驗加載速率為50mm·min^-1，試驗停止條件為加載力小于0.1kN。整個試驗過程由MTS試驗機記錄荷載與位移數(shù)據(jù)，每秒鐘記錄100個數(shù)據(jù)點。典型的IDEAL-CT試驗荷載-位移曲線如圖1所示。

荷載-位移曲線反映的是加載過程中試件的受力與位移情況，其中峰值力P100為加載過程中最大力，反應(yīng)混合料的整體強度，混合料的最終位移為加載力等于0.1kN時的位移，反應(yīng)混合料的抗變形能力?；旌狭系臄嗔压f為荷載-位移曲線下方的面積，如圖1所示，斷裂能Gf為破壞面單位面積下的斷裂功，反映的是混合料從開始到加載破壞整個過程中的抵抗能力。一般Gf越大，混合料的抗裂性能越強，Gf通過式(3)進行計算。

荷載-位移曲線75%峰值力處斜率絕對值|m75|反映的是混合料發(fā)生開裂后裂縫的擴展速度，一般情況|m75|值越小，表明混合料的抗裂性能越好，m75通過內(nèi)插法進行計算，即85%峰值力與65%峰值力差值比上85%峰值力處位移與65%峰值力處位移差值，如圖1所示。

抗裂指數(shù)ICT是IDEAL-CT試驗中評價抗裂性能最重要的試驗指標，通過Gf和|m75|指標計算得到，計算公式如下：

為避免人工處理試驗數(shù)據(jù)過程中產(chǎn)生的誤差，本研究中所有試驗數(shù)據(jù)均采用Matlab程序化自動處理，每組實驗進行4次平行試驗，實驗各指標結(jié)果取平均值，并以誤差棒來表示數(shù)據(jù)浮動情況。5.5%油石比條件下三種不同級配混合料的IDEAL-CT試驗結(jié)果的荷載-位移曲線如圖2所示。

2、試驗結(jié)果分析

2.1孔隙率與瀝青膜厚度

超薄磨耗層混合料在不同級配及油石比條件下的孔隙率與瀝青膜厚度結(jié)果如表4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同油石比條件下，級配1到級配3孔隙率逐漸減小，這是由于三種級配的2.36mm篩孔通過率逐漸增大，混合料變密，因而孔隙率降低。而相同級配下隨著油石比的增加，混合料的孔隙率也會小幅降低，表明級配對混合料孔隙率的影響要大于油石比的影響。瀝青膜厚度結(jié)果顯示，隨著級配逐漸變密，相同油石比下混合料的集料表面瀝青膜厚度逐漸減小，這是由于級配變密后細料增多，因而比表面積增大，在相同瀝青用量下，集料表面的瀝青膜厚度降低。

2.2峰值力P100

將不同級配及油石比條件下混合料進行IDEAL-CT試驗，根據(jù)不同試驗指標進行分析。峰值力是試驗加載過程中的最大荷載，反映混合料的整體強度，屬于力學(xué)指標范疇。峰值力結(jié)果如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著級配逐漸變密，混合料的峰值力逐漸變大，表明混合料整體強度增強。而且級配3混合料的峰值力明顯高于級配1和級配2，說明混合料變密后整體強度迅速提升。而在相同級配下混合料隨著油石比的增加，峰值力呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的波動狀態(tài)，說明混合料整體強度變化受油石比變化影響不大。

2.3最大位移

最大位移是試件從開始加載到破壞過程中總的變形量，反映的是混合料的抗變形性能?；旌狭螴DEAL-CT試驗的最大位移結(jié)果如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)在油石比確定的情況下，隨著級配逐漸變密，混合料的最大變形逐漸減小，表明抗變形能力變差，且在油石比較高的情況下這種變化更為顯著，對于相同級配，增加油石比可使得混合料的最大位移增加，提高混合料的抗變形能力，而且隨著混合料級配由粗變密，油石比增加帶來的抗變形能力的提升效果越來越不明顯。因而從最大位移角度來看，混合料的抗變形性能受級配和油石比影響均比較顯著。

2.4 |m75|

|m75|是混合料加載過程中，荷載由峰值下降到75%最大荷載處，荷載-位移曲線的斜率絕對值，反映的是混合料開裂后的裂縫擴展速度。不同級配及油石比條件下混合料的|m75|結(jié)果如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)，在相同油石比條件下，隨著級配變密，混合料的|m75|逐漸增大，表明級配變密使得混合料開裂后裂縫擴展速度加快，觀察發(fā)現(xiàn)級配3的|m75|結(jié)果明顯高于級配1和級配2，說明級配越密實，裂縫擴展速度增加越明顯。而在相同級配情況下發(fā)現(xiàn)，隨著油石比的增加，混合料的|m75|值整體出現(xiàn)下降的趨勢，說明提高混合料的油石比有助于延緩裂縫的擴展。

2.5斷裂能

斷裂能是指混合料加載至完全破壞的過程中，單位面積所消耗的能量，也屬于力學(xué)指標?；旌狭螴DEAL-CT試驗斷裂能結(jié)果如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在相同油石比條件下混合料級配變密整體上會導(dǎo)致斷裂能增加，即混合料試件發(fā)生完全破壞需要消耗更多的能量，這種變化是有利于混合料抵抗開裂的。

而在級配相同的條件下，混合料的斷裂能結(jié)果隨著油石比的增加而增大，表明混合料的抗裂性能增強。單從斷裂能的角度來考慮，顯然混合料級配越密，油石比越高，越有利于混合料的抗裂性能，這與2.3節(jié)和2.4節(jié)分析結(jié)果并不一致，因而在混合料抗裂性能指標選取上，要綜合各方面指標進行評價。

2.6抗裂指數(shù)

抗裂指數(shù)是IDEAL-CT試驗方法中推薦的用于評價混合料抗裂性能的指標(量綱一)，結(jié)果越大表明抗裂性能越好。根據(jù)其計算公式可知，混合料較大的斷裂能以及較小的|m75|值會導(dǎo)致更高的抗裂指數(shù)結(jié)果?；旌狭系目沽阎笖?shù)結(jié)果如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)在油石比相同的條件下，隨著級配1向級配3變化，混合料的抗裂指數(shù)下降，即孔隙率較大的混合料其抗裂性能較好，這與2.3節(jié)最大位移和2.4節(jié)|m75|得到的結(jié)果相一致，而與斷裂能結(jié)果相反。在相同級配條件下，隨著油石比的增加，混合料的抗裂指數(shù)變大，說明抗裂性能增強，而且級配1隨著油石比增加其抗裂指數(shù)的增大速率是要快于級配2和級配3，對于孔隙率較大的混合料，提升瀝青用量對于混合料抗裂性能的提升更為顯著。

2.7相關(guān)性分析

2.2~2.6節(jié)分析了混合料IDEAL-CT試驗各指標與級配和油石比的關(guān)系，分析了混合料抗裂性能指標分別受兩者變化的影響。然而瀝青混合料最重要的體積指標是孔隙率，對于OGFC，瀝青膜厚度也是一個重要的設(shè)計指標，下面將混合料孔隙率與瀝青膜厚度與2.2~2.6節(jié)IDEAL-CT試驗各指標進行皮爾遜相關(guān)性分析，結(jié)果如圖8所示，相關(guān)性系數(shù)r的絕對值大小代表了兩者的相關(guān)程度越大。限于篇幅，本研究將僅給出分析結(jié)果，圖中橫縱軸代表的數(shù)據(jù)2.2~2.6節(jié)均已列出，故不再標注。

皮爾遜相關(guān)性分析結(jié)果顯示，首先，混合料的孔隙率越大，其對應(yīng)的峰值力越小，最大變形位移越大，|m75|值越小，同時抗裂指數(shù)也越大，說明混合料整體較軟，抗變形能力較強，同時裂縫發(fā)生后擴展的速度也比較低，因此可以認為混合料的抗裂性能越好，然而其斷裂能指標逐漸降低，這是由于斷裂能是由加載力和加載位位移積分求解得到，混合料孔隙率增大，對應(yīng)的加載力減小而變形位移增加，而兩者的共同變化導(dǎo)致了斷裂能降低的情況。如前述圖2所示，級配1混合料的峰值力比較下，然而抗變形能力提升，級配3混合料的峰值力較大，而抗變形能力下降，對應(yīng)的斷裂能級配3是要大于級配1的，因此斷裂能變化規(guī)律較為復(fù)雜，從這個角度來看，并不適用于評價超薄磨耗層混合料的抗裂性能。對于瀝青膜厚度，隨著混合料瀝青膜厚度增加，對應(yīng)的峰值力降低，最大變形位移增大，|m75|值降低，同時抗裂指數(shù)也提高，說明混合料整體變軟，抗變形能力增強，裂縫擴展速度也下降，因此混合料的抗裂性能提升，與其他指標的變化規(guī)律相悖，因此也進一步說明斷裂能不適用于評價超薄磨耗層混合料的抗裂性能。相關(guān)性系數(shù)大小表明，除去斷裂能指標，混合料的最大變形位移，|m75|值以及抗裂指數(shù)與瀝青膜厚度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)大小的絕對值大于孔隙率對應(yīng)的結(jié)果，僅有峰值力指標是與之相反，因此，可以認為超薄磨耗層混合料的抗裂性能對瀝青膜厚度變化較為敏感。

3、結(jié)語

本研究基于IDEAL-CT試驗方法，分析了不同級配及油石比條件下超薄磨耗層混合料抗裂性能，根據(jù)以上分析結(jié)果，得出以下幾個結(jié)論。

(1)對于超薄磨耗層混合料，在油石比不變的情況下，級配越密，混合料整體強度越高，抗變形能力越差，裂縫開裂速度越快，混合料整體抵抗開裂能力越差。

(2)在級配不變的情況下，隨著油石比增加，超薄磨耗層混合料整體強度變化不大，抗變形能力提升，裂縫擴展速度變緩，因而混合料抗裂性能提升。

(3)隨著超薄磨耗層混合料的孔隙率和瀝青膜厚度的增加，混合料整體強度降低，抗變形能力提升，裂縫開裂速度下降，混合料整體抗裂性能增強。針對抗裂性能超薄磨耗層混合料的設(shè)計可以適當提升孔隙率和瀝青膜厚度指標。

(4)斷裂能指標分析結(jié)果與IDEAL-CT試驗其他指標分析結(jié)果相悖，不適用于評價超薄磨耗層混合料抗裂性能。