沥青稳定碎石（ATB）柔性基层低温抗裂性能研究

王建华

（山西路桥集团国际交通建设工程有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

沥青路面基层开裂是沥青路面早期病害形式之一，在低温条件温度应力的作用下基层产生裂缝，经过冻融循环作用基层承载力大幅降低，裂缝反射到沥青面层，在重载作用下导致沥青路面产生坑槽、塌陷等破坏现象。半刚性基层由于水泥、石灰的剂量、温缩及干缩作用极易产生裂缝，而ATB柔性基层可弥补半刚性基层易产生早期病害的不足，且在道路改建工程中原破损路面的面层及基层材料可被全部利用[1-2]，ATB柔性基层与沥青路面面层形成全厚式路面结构，同半刚性基层相比养护周期大幅缩短，可提早开放交通[3-4]。

本文结合合肥某公路改建工程，其路面结构设计方案为：20 cm水泥稳定砂砾+16 cm水泥稳定碎石+16 cm水泥稳定碎石+10 cm沥青稳定碎石（ATB-30/ATB-25）+6 cm AC-20+4 cm AC-13，交通等级为重交通，中型以上货车及大客车交通量为4 000～10 000辆/日，通过室内试验研究ATB柔性基层在不同设计方法、成型方法下的低温抗裂性能。

1 原材料试验和级配选择

1.1 原材料试验

本研究采用合肥宝盈石化厂生产的70号A级道路石油沥青，沥青各项技术指标见表1；碎石采用庐江某石料厂石灰岩，压碎值为20.5%，最大粒径为37.5 mm；砂采用机制砂，由5～10 mm碎石再次粉碎而得到；矿粉为强基性岩石经过磨细处理所得，矿粉的表观密度为2.68 g/cm3，其加热安定性、含水量等指标均符合规范要求，集料及矿粉密度见表2、表3所示。

表1 合肥宝盈70号沥青试验结果

表2 粗集料密度表

表3 细集料及矿粉密度表

1.2 矿料级配

本试验选用两种典型级配类型ATB-30、ATB-25沥青稳定碎石进行对比，其级配范围及实际级配见表4，ATB-30、ATB-25级配曲线如图1所示。由图可知，ATB-30属于特粗粒式混合料类型，ATB-25属于粗粒式混合料类型，级配中含有较多的粗集料，应用于基层可以起到骨架承重作用。其中ATB-30 的矿料级 配组成为：20～40 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶矿粉 =34∶19∶14∶30∶3；ATB-25 的矿料级配组成为：10～30 mm∶10～20 mm∶5～10 mm∶0～5 mm∶矿粉 =30∶22∶20∶25∶3。

表4 ATB-30、ATB-25级配范围及实际级配

图1 ATB-30、ATB-25级配曲线图

1.3 油石比

本试验采用不同的设计方法及成型方式对沥青稳定碎石低温弯曲性能进行对比分析研究，即常规马歇尔法及力学指标设计方法与沥青稳定碎石试件不同的成型方式进行正交组合设计，组合方案如表5所示。比较4种方案，力学指标设计法比马歇尔设计法得到的最佳油石比偏低，力学指标设计方法旋转压实成型试件得到的最佳油石比最低，比方案一降低了0.3%，降低了沥青用量；方案一与方案二、方案三与方案四相对比，采用同一种设计方法旋转压实成型试件比击实成型试件得到的最佳油石比低；采用相同的试件成型方式，力学指标设计方法比马歇尔设计方法得到的油石比偏低。ATB-30与ATB-25相比较，同一组合方案中级配对油石比的影响较小。采用力学指标设计法并选用旋转压实成型试件更具有一定的经济性。

2 低温抗裂性能研究

2.1 低温弯曲破坏试验

低温弯曲试验可以评价沥青混合料的低温拉伸性能，对上述4种不同组合方案的ATB-30、ATB-25试件进行低温弯曲破坏试验，试验温度为0℃和-10℃，加载速率为 50 mm/min，试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm的棱柱体小梁，破坏时抗弯拉强度、最大弯拉应变及弯曲劲度模量计算如式（1）～式（3）所示。

表5 ATB配合比设计及试件成型组合方案

式中：RB为抗弯拉强度，MPa；PB为破坏荷载，N；εB为最大弯拉应变，%；SB为弯曲劲度模量。由式（3）εB与SB为反比例关系，εB越小，SB越大，则沥青稳定碎石的低温拉伸性能越差，低温抗裂性能越差，低温天气状况下产生的裂缝越多[5-6]。

表6 低温弯曲试验数据表

根据以上试验结果分析可知：

a）对于ATB-30，4种方案的弯拉劲度模量SB排序为方案四大于方案一大于方案三大于方案二，采用方案二马歇尔设计法旋转压实成型试件的条件下，弯拉劲度模量SB在0℃、15℃最小，低温抗裂性能最优；力学指标设计法旋转压实成型的试件低温抗裂性能最差。即对于ATB-30马歇尔设计法优于力学指标设计法，旋转压实成型试件优于马歇尔击实成型。

b）对于ATB-30，在0℃、-10℃及最佳油石比相同的情况下，方案二马歇尔设计法旋转压实成型的试件低温抗裂性能优于方案一马歇尔设计法击实成型的试件；对于ATB-25，在0℃、-10℃及最佳油石比相同的情况下，方案二马歇尔设计法旋转压实成型的试件低温抗裂性能优于方案三力学指标设计法击实成型的试件。

c）对于ATB-30，在0℃时，油石比变化对各方案ATB-30试件低温抗裂性能影响不大；但在-10℃时，随着油石比的降低，ATB-30试件低温抗裂性能逐渐降低。由此可知：在0℃时，影响ATB-30低温抗裂性能的主要因素是矿料的级配；在-10℃时，影响ATB-30低温抗裂性能的主要因素是沥青用量，低温状态下结构沥青的黏结性和延性对ATB-30低温抗裂性能影响较大。

d）在-10℃时，ATB-30的弯拉劲度模量范围在3 100～4 100 MPa之间，ATB-25的弯拉劲度模量范围在4 500～6 500 MPa；ATB-25弯拉劲度模量变化幅度较大，而ATB-30弯拉劲度模量变化则较稳定，可知ATB-30的低温抗裂性能优于ATB-25的低温抗裂性能。同样在0℃时，ATB-30低温抗裂性能也优于ATB-25低温抗裂性能。可知，ATB混合料中矿料公称最大粒径对ATB混合料低温性能有较大的影响，选用公称最大粒径较大的石料可提高ATB的低温性能。

e）ATB-30在0℃及-10℃的弯拉劲度模量相差不大，但ATB-25在0℃及-10℃的弯拉劲度模量相差较大，ATB-25在温度变化较大时，低温性能较差，ATB-30低温抗裂性能更稳定。

2.2 低温弯曲蠕变试验

对采用方案二马歇尔设计法旋转压实成型的ATB-30、ATB-25试件进行0℃低温弯曲蠕变试验，试件尺寸为：250 mm×30 mm×35 mm，支点间距为200 mm，加载速率与低温弯曲试验速率相同，P0为10%×PB，对ATB-30、ATB-25试件进行3次平行试验。

对沥青稳定碎石采用方案二的设计与成型方法，ATB-30弯曲蠕变速率εs在40×10-6（1/s/MPa）左右，ATB-25弯曲蠕变速率εs在17×10-6（1/s/MPa）左右，ATB-30的弯曲蠕变速率是ATB-25的弯曲蠕变速率的一倍以上，而εs越大，则沥青混合料低温性能越稳定，即ATB-30的低温抗裂性能优于ATB-25的低温抗裂性能，与前述ATB-30、ATB-25低温弯曲试验所得的结论相一致。

表7 低温弯曲蠕变试验数据表

3 结语

a）采用同一种设计方法旋转压实成型试件比击实成型试件得到的最佳油石比低；采用相同的试件成型方式，力学指标设计方法比马歇尔设计方法得到的油石比偏低。力学指标设计法并选用旋转压实成型方式具有一定的经济性。

b）马歇尔设计法旋转压实成型试件ATB低温抗裂性能最优，力学指标设计法旋转压实成型的试件低温性能最差。在0℃时，影响ATB-30低温抗裂性能的主要因素是矿料的级配；在-10℃时，影响ATB-30低温抗裂性能的主要因素是沥青用量，低温状态下结构沥青的黏结性和延性对ATB-30低温抗裂性能影响较大。

c）ATB-30的低温性能优于ATB-25的低温性能，在工程中宜选用公称最大粒径较大的石料并采用马歇尔设计法旋转压实成型方式，可显著提高沥青稳定碎石（ATB）混合料的低温抗裂性能。