黃衛(wèi)東，張家偉，呂 泉，蔡 琪

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

熱拌超薄磨耗層［1］是指厚度為0.8～1.5 cm 的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層，適用于各等級(jí)瀝青路面，水泥路面、橋面以及隧道養(yǎng)護(hù)改造。超薄磨耗層獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其能直接在原路面進(jìn)行加鋪而無(wú)需銑刨，幾乎不會(huì)對(duì)原路面標(biāo)高產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而不會(huì)影響到路面附屬結(jié)構(gòu)設(shè)施與排水。同時(shí)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(shí)對(duì)橋梁荷載的增加可忽略不計(jì)。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(chē)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(hù)工程中首選的技術(shù)手段［2-3］。

然而超薄磨耗層在使用過(guò)程中很容易出現(xiàn)路面開(kāi)裂問(wèn)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(hù)，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(jìn)而產(chǎn)生路面裂縫［5-6］。而部分原路面存在的裂縫也會(huì)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(kāi)裂，出現(xiàn)反射裂縫的現(xiàn)象［7-9］。因此，對(duì)超薄磨耗層混合料進(jìn)行抗裂性能研究對(duì)于提升磨耗層使用壽命具有很重要的意義。

目前，評(píng)價(jià)瀝青混合料抗裂性能的室內(nèi)試驗(yàn)包括：間接拉伸試驗(yàn)（劈裂試驗(yàn)），四點(diǎn)彎曲疲勞小梁（four-point beam，4PB）試驗(yàn)，加鋪層（overlay test，OT）試驗(yàn)，半圓彎拉（semi-circular bend，SCB）開(kāi)裂試驗(yàn)以及間接拉伸開(kāi)裂（indirect tensile asphalt cracking test，IDEAL-CT）試驗(yàn)等。其中劈裂試驗(yàn)多用于評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性能，且評(píng)價(jià)指標(biāo)為力學(xué)性能指標(biāo)［10］。4PB試驗(yàn)主要評(píng)價(jià)混合料由于彎曲應(yīng)變而產(chǎn)生的疲勞開(kāi)裂［11］。OT 試驗(yàn)是德州交通研究中心開(kāi)發(fā)的一套評(píng)價(jià)瀝青混合料加鋪層抗裂性能的試驗(yàn)方法［12］，能較好地模擬實(shí)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(guó)內(nèi)并沒(méi)有普及，并有研究表明［13］試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)比較大。SCB 試驗(yàn)是對(duì)半圓形試件進(jìn)行預(yù)先開(kāi)縫，而后沿裂縫方向進(jìn)行加載，其中靜態(tài)加載模式根據(jù)加載過(guò)程中裂縫發(fā)展情況來(lái)評(píng)價(jià)混合料的抵抗開(kāi)裂的能力，多用來(lái)評(píng)價(jià)低溫抗裂性［14］，而動(dòng)態(tài)加載模式可用來(lái)評(píng)價(jià)混合料的抵抗疲勞開(kāi)裂的能力［15］。以上幾種評(píng)價(jià)方法，其中4PB，OT和SCB試驗(yàn)所需試件均需要進(jìn)行切割加工，試驗(yàn)結(jié)果受加工精度所影響，而且試驗(yàn)耗時(shí)比較長(zhǎng)，需要數(shù)個(gè)小時(shí)來(lái)完成。

IDEAL-CT試驗(yàn)是德州交通研究中心開(kāi)發(fā)的一種用于評(píng)價(jià)瀝青混合料抗裂性能新的試驗(yàn)方法［16-17］。該方法直接對(duì)直徑150 mm 的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)加載過(guò)程在1 min 以?xún)?nèi)，試驗(yàn)結(jié)果可程序化處理。相較于其他幾種評(píng)價(jià)開(kāi)裂的試驗(yàn)方法，具有簡(jiǎn)單，快速，實(shí)用，高效的特點(diǎn)，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)比較小，試驗(yàn)可重復(fù)性高。研究表明［16］該方法對(duì)于混合料抗裂性能的評(píng)價(jià)與實(shí)際路面結(jié)果相符。

本文將基于IDEAL-CT 試驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)不同級(jí)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(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合分析級(jí)配以及油石比變化對(duì)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(jìn)行相關(guān)性分析，用于指導(dǎo)超薄磨耗層混合料設(shè)計(jì)。

1 材料與試驗(yàn)

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(jí)（performance grade，PG）為PG76-22，瀝青的基本指標(biāo)見(jiàn)表1.相應(yīng)的技術(shù)要求參照《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》［18］中超薄罩面對(duì)高粘度改性瀝青的技術(shù)要求。

表1 高粘度SBS改性瀝青基本指標(biāo)Tab.1 Basic parameters of modified asphalt

1.1.2 集料

本文所用粗集料為江蘇溧陽(yáng)產(chǎn)3～5 mm 玄武巖，細(xì)集料為浙江湖州產(chǎn)0～5 mm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(jiàn)表2.

表2 三檔集料的篩分結(jié)果Tab.2 Passing rate of three aggregates

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)方案

由于本研究中超薄磨耗層混合料最大工程粒徑為4.75 mm，因而在級(jí)配設(shè)計(jì)中通過(guò)控制2.36 mm關(guān)鍵篩孔通過(guò)率來(lái)調(diào)整，通過(guò)調(diào)整三檔集料的使用比例，使2.36 mm 篩孔通過(guò)率分別為13%，19%和25 %，來(lái)擬定三種級(jí)配方案，級(jí)配各篩孔通過(guò)率見(jiàn)表3.

對(duì)于上述三種級(jí)配，每種級(jí)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(shí)a 成型，根據(jù)Superpave 設(shè)計(jì)方法，混合料壓實(shí)次數(shù)選擇均為100 次，試件直徑為150 mm，高度為62 mm，混合料拌和與成型溫度均控制在170 ℃。

表3 三種級(jí)配的各篩孔通過(guò)率Tab.3 Passing rate of three gradations

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 孔隙率

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

1.3.2 瀝青膜厚度計(jì)算

混合料的瀝青膜厚度計(jì)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(kāi)級(jí)配抗滑磨耗層（open-graded friction course，OGFC）混合料設(shè)計(jì)方法關(guān)于瀝青膜厚度計(jì)算公式，如下：

式中：S為混合料中集料的總表面積；a，b，c，d，e，f，g分別為4.75，2.36，1.18，0.6，0.3，0.15，0.075 mm 篩網(wǎng)通過(guò)率百分?jǐn)?shù)；Pb為混合料的油石比；h為瀝青膜厚度。

1.3.3 IDEAL-CT試驗(yàn)方法

根據(jù) ASTM D8225—2019［21］中推薦的試驗(yàn)方法，IDEAL-CT試驗(yàn)夾具選擇劈裂試驗(yàn)夾具，夾條寬度為2 cm，試驗(yàn)在MTS（material testing system）試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沿試件直徑方向進(jìn)行加載，試驗(yàn)溫度為25 ℃，試驗(yàn)開(kāi)始前，試件需在25 ℃環(huán)境箱內(nèi)保溫2 h，試驗(yàn)加載速率為50 mm·min-1，試驗(yàn)停止條件為加載力小于0.1 kN。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程由MTS 試驗(yàn)機(jī)記錄荷載與位移數(shù)據(jù)，每秒鐘記錄100 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。典型的IDEAL-CT試驗(yàn)荷載-位移曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 IDEAL-CT試驗(yàn)典型的荷載-位移曲線(xiàn)（圖片來(lái)源［16］）Fig.1 Typical load-displacement of IDEAL-CT test(Source [16])

荷載-位移曲線(xiàn)反映的是加載過(guò)程中試件的受力與位移情況，其中峰值力P100為加載過(guò)程中最大力，反應(yīng)混合料的整體強(qiáng)度，混合料的最終位移為加載力等于0.1 kN時(shí)的位移，反應(yīng)混合料的抗變形能力。混合料的斷裂功Wf為荷載-位移曲線(xiàn)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(kāi)始到加載破壞整個(gè)過(guò)程中的抵抗能力。一般Gf越大，混合料的抗裂性能越強(qiáng)，Gf通過(guò)式（3）進(jìn)行計(jì)算。

式中：Gf為斷裂能，J·m-2；P為荷載，kN；l為位移，mm；D為試件直徑，150 mm；t為試件厚，mm。

荷載-位移曲線(xiàn)75%峰值力處斜率絕對(duì)值|m75|反映的是混合料發(fā)生開(kāi)裂后裂縫的擴(kuò)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(guò)內(nèi)插法進(jìn)行計(jì)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(yàn)中評(píng)價(jià)抗裂性能最重要的試驗(yàn)指標(biāo)，通過(guò)Gf和|m75|指標(biāo)計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

式中：l75為75%峰值力處位移，mm；m75為荷載-位移曲線(xiàn)75%峰值力處斜率，N·m-1。

為避免人工處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，本研究中所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Matlab程序化自動(dòng)處理，每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行4次平行試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)各指標(biāo)結(jié)果取平均值，并以誤差棒來(lái)表示數(shù)據(jù)浮動(dòng)情況。5.5%油石比條件下三種不同級(jí)配混合料的IDEAL-CT試驗(yàn)結(jié)果的荷載-位移曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 5.5%油石比三種級(jí)配混合料的IDEAL-CT荷載-位移曲線(xiàn)Fig.2 Three gradation mixtures at an asphalt content of 5.5%

2 試驗(yàn)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(jí)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(jí)配1到級(jí)配3孔隙率逐漸減小，這是由于三種級(jí)配的2.36 mm 篩孔通過(guò)率逐漸增大，混合料變密，因而孔隙率降低。而相同級(jí)配下隨著油石比的增加，混合料的孔隙率也會(huì)小幅降低，表明級(jí)配對(duì)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(jí)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(jí)配變密后細(xì)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。

表4 不同級(jí)配以及油石比條件下混合料的孔隙率與瀝青膜厚度結(jié)果Tab.4 Air voids and asphalt film thickness results of mixtures

2.2 峰值力P100

將不同級(jí)配及油石比條件下混合料進(jìn)行IDEAL-CT 試驗(yàn)，根據(jù)不同試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析。峰值力是試驗(yàn)加載過(guò)程中的最大荷載，反映混合料的整體強(qiáng)度，屬于力學(xué)指標(biāo)范疇。峰值力結(jié)果如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著級(jí)配逐漸變密，混合料的峰值力逐漸變大，表明混合料整體強(qiáng)度增強(qiáng)。而且級(jí)配3混合料的峰值力明顯高于級(jí)配1和級(jí)配2，說(shuō)明混合料變密后整體強(qiáng)度迅速提升。而在相同級(jí)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(dòng)狀態(tài)，說(shuō)明混合料整體強(qiáng)度變化受油石比變化影響不大。

圖3 混合料IDEAL-CT試驗(yàn)的峰值力結(jié)果Fig.3 Peak force of IDEAL-CT test of mixtures

2.3 最大位移

最大位移是試件從開(kāi)始加載到破壞過(guò)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(yàn)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(jí)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(duì)于相同級(jí)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(jí)配由粗變密，油石比增加帶來(lái)的抗變形能力的提升效果越來(lái)越不明顯。因而從最大位移角度來(lái)看，混合料的抗變形性能受級(jí)配和油石比影響均比較顯著。

圖4 混合料IDEAL-CT試驗(yàn)的最大位移Fig.4 Max displacement of IDEAL-CT test of mixtures

2.4 |m75|

|m75|是混合料加載過(guò)程中，荷載由峰值下降到75%最大荷載處，荷載-位移曲線(xiàn)的斜率絕對(duì)值，反映的是混合料開(kāi)裂后的裂縫擴(kuò)展速度。不同級(jí)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(jí)配變密，混合料的|m75|逐漸增大，表明級(jí)配變密使得混合料開(kāi)裂后裂縫擴(kuò)展速度加快，觀(guān)察發(fā)現(xiàn)級(jí)配3的|m75|結(jié)果明顯高于級(jí)配1和級(jí)配2，說(shuō)明級(jí)配越密實(shí)，裂縫擴(kuò)展速度增加越明顯。而在相同級(jí)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(shì)，說(shuō)明提高混合料的油石比有助于延緩裂縫的擴(kuò)展。

圖5 混合料IDEAL-CT試驗(yàn)的|m75|結(jié)果Fig.5 |m75|results of IDEAL-CT test of mixtures

2.5 斷裂能

斷裂能是指混合料加載至完全破壞的過(guò)程中，單位面積所消耗的能量，也屬于力學(xué)指標(biāo)。混合料IDEAL-CT試驗(yàn)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(jí)配變密整體上會(huì)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(kāi)裂的。而在級(jí)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(qiáng)。單從斷裂能的角度來(lái)考慮，顯然混合料級(jí)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(biāo)選取上，要綜合各方面指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖6 混合料IDEAL-CT試驗(yàn)的斷裂能結(jié)果Fig.6 Failure energy results of IDEAL-CT test of mixtures

2.6 抗裂指數(shù)

抗裂指數(shù)是IDEAL-CT試驗(yàn)方法中推薦的用于評(píng)價(jià)混合料抗裂性能的指標(biāo)（量綱一），結(jié)果越大表明抗裂性能越好。根據(jù)其計(jì)算公式可知，混合料較大的斷裂能以及較小的|m75|值會(huì)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(jí)配1向級(jí)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(jí)配條件下，隨著油石比的增加，混合料的抗裂指數(shù)變大，說(shuō)明抗裂性能增強(qiáng)，而且級(jí)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(jí)配2和級(jí)配3，對(duì)于孔隙率較大的混合料，提升瀝青用量對(duì)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(yàn)各指標(biāo)與級(jí)配和油石比的關(guān)系，分析了混合料抗裂性能指標(biāo)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(biāo)是孔隙率，對(duì)于OGFC，瀝青膜厚度也是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，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(yàn)各指標(biāo)進(jìn)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(duì)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(biāo)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(duì)應(yīng)的峰值力越小，最大變形位移越大，|m75|值越小，同時(shí)抗裂指數(shù)也越大，說(shuō)明混合料整體較軟，抗變形能力較強(qiáng)，同時(shí)裂縫發(fā)生后擴(kuò)展的速度也比較低，因此可以認(rèn)為混合料的抗裂性能越好，然而其斷裂能指標(biāo)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(duì)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(jí)配1混合料的峰值力比較下，然而抗變形能力提升，級(jí)配3混合料的峰值力較大，而抗變形能力下降，對(duì)應(yīng)的斷裂能級(jí)配3 是要大于級(jí)配1 的，因此斷裂能變化規(guī)律較為復(fù)雜，從這個(gè)角度來(lái)看，并不適用于評(píng)價(jià)超薄磨耗層混合料的抗裂性能。對(duì)于瀝青膜厚度，隨著混合料瀝青膜厚度增加，對(duì)應(yīng)的峰值力降低，最大變形位移增大，|m75|值降低，同時(shí)抗裂指數(shù)也提高，說(shuō)明混合料整體變軟，抗變形能力增強(qiáng)，裂縫擴(kuò)展速度也下降，因此混合料的抗裂性能提升，與其他指標(biāo)的變化規(guī)律相悖，因此也進(jìn)一步說(shuō)明斷裂能不適用于評(píng)價(jià)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(biāo)，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(duì)值大于孔隙率對(duì)應(yīng)的結(jié)果，僅有峰值力指標(biāo)是與之相反，因此，可以認(rèn)為超薄磨耗層混合料的抗裂性能對(duì)瀝青膜厚度變化較為敏感。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究基于IDEAL-CT 試驗(yàn)方法，分析了不同級(jí)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(gè)結(jié)論。

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

（2）在級(jí)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(qiáng)度變化不大，抗變形能力提升，裂縫擴(kuò)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(qiáng)度降低，抗變形能力提升，裂縫開(kāi)裂速度下降，混合料整體抗裂性能增強(qiáng)。針對(duì)抗裂性能超薄磨耗層混合料的設(shè)計(jì)可以適當(dāng)提升孔隙率和瀝青膜厚度指標(biāo)。

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