丛林 徐肖龙 吴敏
(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)
摘要 由于路面施工技术、设备、管理等方面的原因，沥青混合料容易出现不同程度的离析，进而导致路面早期损坏出现。其中，混合料级配的离析对路用性能影响甚大。文中提出了直接客观的级配偏差度概念，并通过室内SPT试验，测定动态模量和动态模量组合参数来评价沥青混合料的抗车辙性能，通过回归分析，定性且定量研究了SMA-13集料级配离析对其抗车辙性能的影响。
关键词 SMA级配离析 SPT抗车辙性能
我国部分高速公路在通车仅1～3年后就出现不同程度的局部车辙、坑槽、泛油等早期病害。对于某一段路面自然条件、材料因素都相同，并且由同一队伍施工，部分路况早期损坏，部分路况多年良好的情况，沥青混合料的离析便是造成路面局部损坏的罪恶之源。黄杨华分析了沥青混合料在原料生产、运输、摊铺、以及压实过程中可能造成的离析，这说明了沥青混合料的离析是难以避免的，因此必须引起高度重视。
集料的级配离析是对路用性能影响较大的一种沥青混合料离析的形式。集料的级配离析是指在沥青混合料施工过程中粗、细集料颗粒分离，沥青路面部分区域粗集料集中称为粗集料离析，部分区域细集料集中称为细集料离析。在这些区域内，沥青混合料实际配合比与设计配合比之间存在较大的差异，从而对使用性能产生影响。
沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)的特点是“三多一少”，级配设计为骨架密实结构，容易产生级配离析，SMA级配的离析必然会造成粗集料的局部集中和细集料的局部集中，相应会产生的主要早期病害是局部水损坏和局部车辙。本文主要通过室内试验，研究级配离析对SMA-13路面抗车辙性能的影响程度。
1 集料级配离析
1.1 集料级配离析试验设计
SMA-13集料级配设计采用0～3，3～5 mm2档石灰岩，5～10，10～15 mm 2档玄武岩和矿粉，其规格见表1。
首先，设计级配按照规范推荐的马歇尔试件体积设计法进行，结果如表2中级配0。
其次，离析级配的设计按照均匀设计理论进行。均匀设计理论是考虑试验点在试验范围内均匀散布的一种试验设计思想，并且均匀设计中每个试验点具有较好的典型性与代表性。根据均匀设计理论，调整4档集料的比例来模拟典型不同程度的SMA-13离析级配。文中设计了8组离析级配，如表2中级配1～8。所有级配曲线见图1。
1.2级配离析偏差度的计算
级配离析实质定义是离析级配的各组粒径的比例与设计级配的偏离程度，因此本文引入各筛孔通过率与设计级配的偏差绝对值之和即级配偏差度来定量评价级配的离析程度。
式中：S为级配偏差度；A。为析级配第i号筛孔的通过率；Ao。为设计级配第i号筛孔的通过率；i为不同尺寸筛孔的编号，筛孔按尺寸由小到大分别编号为1，2，3，…，i。
很显然，当级配偏差度S较小时，说明级配离析程度较小；相反，当级配发生离析较为严重时，偏差度S越大。对以上设计的几种集料级配的偏差度计算结果见表3。
2 混合料抗车辙性能评价
我国《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2006在进行路面结构设计与计算时是以静载抗压回弹模量为输入参数的，而NCHRP（美国公路合作研究组织）项目1. 37A《沥青路面力学经验设计方法指南》是将动态模量列为设计的基本输入参数之一。由于路面所受荷载是动载，越来越多的道路工作者意识到将抗压回弹模量作为路面设计参数稍显不足，多种频率下的动态模量值更能全面反映材料在路面中所受的不同荷载情况。因此，动态模量是沥青混合料的一个重要参数。
美国NCHRP Project 9-19通过几个州的多条路的试验路车辙深度数据，并结合室内3轴动态模量试验研究，发现沥青混合料的动态模量E*和动态模量组合参数E*/sin妒与车辙深度指标存在着很好的相关性，沥青混合料的动态模量参数可以用来准确评价沥青混合料的抗车辙性能。由于SPT试验设备简单，试验成本低，与现场实测车辙深度之间的相关性好，因此本文选择采用SPT试验来评价混合料的抗车辙性能。
2.1 SPT试验设计
按以上设计的级配0～8配备集料，油石比采用5.8%，混合料添加0. 3%木质纤维。采用Su-perpave旋转压实仪成型试件。沥青混合料的动态模量采用Superpave简单性能试验机(SPT)测定。试验规程为AASHTO TP-62。采用应力控制方式，对试件施加无侧限正弦荷载，加载频率为5 Hz，试验温度控制在40℃。试验结果见表4。
2.2抗车辙性能偏差度计算
沥青混合料级配的设计综合考虑了高温、低温、疲劳、水稳定等多方面的性能，这些性能彼此是制约的，因此其路用性能不是某个指标越高越好，而是多个指标均满足使用要求。混合料级配离析导致一处的某性能偏高，势必会导致另一处的该性能偏低。因此，本文采用级配离析混合料各性能指标与设计级配性能指标偏差的绝对值进行量纲归一化，即性能偏差度来反映混合料级配离析程度，比较合理。针对SPT试验评价抗车辙性能，试验指标偏差度见式(2)，式(3)。
3级配偏差度与抗车辙性能偏差度相关关系
建立级配偏差度与动态模量和动态模量组合参数偏差度的相关关系见图2。
从回归结果可以看出，动态模量和动态模量组合参数偏差度与级配偏差度存在良好的相关关系，其中动态模量组合参数偏差度与级配偏差度的相关关系更好。随着级配偏差度的增大，动态模量和动态模量组合参数偏差度也增大，其中动态模量组合参数偏差度增大幅度要更大。因此推荐采用动态模量组合参数偏差度来评价抗车辙性能的偏差度。
4结语
本文针对级配离析的本质定义提出了级配偏差度概念，直接客观并且定量的反映了级配离析情况。设计了8组离析程度不同的离析级配，并通过SPT试验测量了设计级配和各组离析级配混合料的动态模量和相位角指标。SPT试验结果表明，动态模量和动态模量组合参数偏差度与级配偏差度存在良好的正相关关系，其中动态模量组合参数偏差度与级配偏差度的正相关关系更好。
由于本文试验对象是高速公路上面层最常用的SMA-13，故具有一定的局限性，后续研究可以拓展到SMA-16，AC-13，AC-16等沥青混合料。此外，还可以探究级配离析对其他路用性能的影响。
