大粒径透水性沥青混合料基层路用性能分析

摘要：大粒径透水性沥青混合料（LSPM）能有效防止反射裂缝，并迅速排出沥青路面内的水分，具有很高的回弹模量和抵抗变形的能力。本文结合试验路段，对LSPM的材料要求、配合比设计和温度应力进行分析，探讨了沥青路面结构层参数对温度应力的影响规律，其结论LSPM可直接用于旧路改造或新建沥青路面的柔性基层中。

Abstract: LSPM can effectively prevent reflective cracking, and rapid discharge of water within the asphalt pavement with a high modulus, which has the ability to resist deformation. This paper is combined with test sections of the material requirements of the LSPM, mix design and thermal stress to analyze the law of the LSPM on temperature stress. At last, it makes a conclusion that LSPM transformation of the old road can be directly used or new flexible asphalt pavement Grassroots.

关键词：大粒径沥青混合料；反射裂缝；配合比；温度应力

Key words: LSPM；reflective cracking；mix design；temperature stress

中图分类号：TU5文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）11-0062-02

0引言

大粒径透水性沥青混合料一般指混合料最大公称粒径大于26.5mm，一定量的细集料填充空隙的骨架型沥青混合料。由于在目前全国200万公里的通车总里程中，沥青路面占大多数，半刚性基层沥青路面又是已建沥青路面的主要结构形式。作者通过对这类路面的大修和改造进行了长时间研究。对于大粒径透水性沥青混合料柔性基层的应用（简称LSPM），经历了从认识到研究，从研究到实践的长期应用研究和实践验证的过程，基本上形成了一个相对完整的体系。该结构层的应用，目前已初见成效。但并不是说，LSPM是万能的惟一的方法，要达到的预期目标是一致的，可采取的技术路线是不同的。LSPM就是其中的一种。 目前全国公路沥青路面占了大多数，由于经济、技术等原因，半刚性基层沥青路面是目前已建沥青路面的主要结构形式。半刚性基层由于其整体强度高、板体性好，使沥青路面具有较高的承载能力，而且材料容易获得，为提高我国公路交通的整体水平发挥了重要作用。

半刚性基层沥青路面经过几年的使用后，必须进行加铺改造，以恢复路面的使用功能，尤其当路面出现早期损害后，加铺改造往往更早。旧沥青路面常用的加铺方案一般是在其上铺设半刚性基层，再铺设沥青面层，此种加铺方案具有结构承载力强、结构层材料设计简单等优点；但同时也存在工程量大、高程增加多，以及未能充分利用旧路面等缺点。特别是不能避免反射裂缝及无法排水的缺陷，使加铺后的路面重新面临早期损害的可能。

1LSPM配合比设计

1.1 LSPM对原材料的要求

1.1.1 粗集料 由于粗集料在LSPM中的骨架作用，它的质量及其物理性能将影响着LSPM的使用性能，要求LSPM的粗集料颗粒性状接近立方体、坚固性好，压碎值和针片状颗粒含量都小于20％。

1.1.2 细集料LSPM允许使用人工砂和石屑作为细集料，不得采用河砂、天然砂。细集料棱角性必须大于40％，砂当量不小于65％。

1.1.3 填充料 为提高LSPM的抗水损害能力，填充料宜用干燥消石灰粉和生石灰粉，填充料技术要求至少应满足Ⅲ级要求。

1.1.4 沥青结合料 采用改性沥青MAC－70＃，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JT052－2000）对改性沥青进行各常规指标测试，其各项性能指标应满足表1要求。

1.1.5 集料级配采用原材料为20~40mm、10~20mm、5~10mm、3~5mm与0~3mm石灰岩五种集料以及石灰粉做填充料。

首先对原材料进行水洗筛分，同时测定原材料各项物理指标。原材料各项密度指标和筛分结果见表2、表3。

1.2 LSPM级配作为柔性基层的LSPM除承受重载作用外，还兼有排水功能。因此，级配组合设计时混合料不仅要形成骨架结构，而且保证空隙率不小于15％。各档集料之间比例与合成级配通过百分率见表4。

2LSPM反射裂缝影响分析

2.1LSPM基层模量LSPM路面结构层温度均匀升降，产生胀缩变形，其受阻时产生胀缩应力；结构层内存在温度坡差（梯度）时，产生翘曲变形，其受限制而产生翘曲应力。有时温度应力对路面结构的不利影响比荷载应力更大。我国幅员辽阔，各地气候条件千差万别，有的地区昼夜温差很大，而有的地区昼夜温差较小，不同的降温幅度对沥青路面的温度应力会有不同的影响。

路面在交通荷载作用下导致基层或旧路面中的裂缝向沥青面层反射的主要原因裂缝尖端剪应力的奇异性。无论是对称荷载还是非对称荷载作用，裂缝尖端的应力强度因子都将随着加铺基层模量的增大而增大。沥青混合料是一种温度敏感性材料，其模量随温度的变化十分明显，因此冬季出现反射裂缝的概率远大于夏季。

根据断裂力学分析，混合料中没有孔隙或空隙非常小时无论是对称荷载还是非对称荷载作用，裂缝尖端应力状态都有很大的奇异性，当存在较大空隙时将极大的消减了裂缝尖端的应力集中，这就说明在裂缝扩展过程中，大空隙的存在能阻碍其进一步的发展。

根据以上分析，LSPM模量较低，而且空隙率较大，混合料中存在较大连通空隙，因此其具有较强的抵抗反射裂缝的能力。大量的工程实践证明，应用LSPM的道路，出现反射裂缝而导致路面破损的病害极大减少，而在同一条道路上，同样的路面结构组合，没有应用LSPM结构层的，反射裂缝大量出现。这一点完全可以证明LSPM抗反射裂缝的优良性能。

图1为LSPM温度应力随其自身模量由400MPa增加到800MPa时的变化情况。

2.2 LSPM基层厚度图2所示为LSPM基层温度应力随其自身厚度由6cm增加到12cm时的变化情况。LSPM基层厚度对其自身温度应力影响显著。当LSPM基层厚度由6cm变化到12cm时，其自身最大主应力σ1、最大剪应力τmax及等效应力σe均呈单调下降。σ1由0.056MPa降低至0.034MPa，减少39％，基本呈凹形曲线单调下降；τmax由0.027MPa降低至0.021MPa，减少29％，基本呈线性单调下降；σe由0.099MPa降低至0.076MPa，减少23％，呈凹型曲线单调下降。

当LSPM基层厚度由6cm变化到12cm时，厚度每增加1cm所对应的等效应力σe减少量依次为0.006MPa（6～7cm）、0.005MPa（7～8cm）、0.005MPa（8～9cm）、0.003MPa（9～10cm）、0.002MPa（10～11cm）、0.003MPa（11～12cm），厚度每增加1cm所对应的最大主应力σ1减少量依次为0.010MPa（6～7cm）、0.007MPa（7～8cm）、0.003MPa（8～9cm）、0.001MPa（9～10cm）、0.001MPa（10～11cm）、0.001MPa（11～12cm），当LSPM基层厚度大于9cm时，等效应力σe、最大主应力σ1的降幅逐渐趋于平缓。因此，LSPM基层厚度对其自身温度应力影响显著，增加LSPM基层厚度对减小其自身温度应力起到了很大的作用，对试验路段的路面结构组合，LSPM基层厚度不宜小于9cm，这一推荐厚度也满足LSPM基层实际施工最小厚度要求。

2.3 LSPM基层空隙率LSPM不同级配的空隙率有所差异，LSPM不同空隙率的弹性模量也不相同。为了探寻LSPM空隙率与其自身弹性模量之间的相关性，根据三种不同级配LSPM（空隙率分别为15%、17%、20%）的抗压回弹模量试验结果进行相关性分析。LSPM的回弹模量试验采用静压法成型直径150mm、高150mm的圆柱体试件。试件的密度采用马歇尔试验的最佳沥青含量的试件密度，试件空隙率采用设计空隙率。在有空调的试验室内测试，将室温调至要求的温度，试件放置12小时以上。三种不同级配LSPM抗压回弹模量试验结果（20℃）见表5。

图3所示为LSPM温度应力随其自身空隙率由15%增加到20%时的变化情况。当LSPM基层空隙率由15%变化到20%时，其自身的最大主应力σ1、最大剪应力τmax及等效应力σe基本呈线性单调降低趋势。当LSPM缓解层空隙率由15%变化到20%时，最大主应力σ1由0.036MPa降低至0.030MPa，降幅17％；最大剪应力τmax由0.023MPa降低至0.020MPa，降幅13％；等效应力σe由0.083MPa降低至0.068MPa，减少18％。因此，LSPM基层空隙率对其自身温度应力影响显著，随着LSPM基层空隙率的变化，其自身等效应力σe的变化幅度最大，最大主应力σ1的变化幅度次之，最大剪应力τmax的变化相对较小。

当LSPM基层空隙率逐渐增大时，在LSPM基层中孔隙分布更为均匀，这种均匀分布的多空隙结构可更为有效地阻断裂尖扩展路径，削弱拉应力和拉应变的传递能力，从而消散和吸收温度应力。但是，LSPM基层空隙率并非越大越好，当空隙率过大时混合料拌和、摊铺及碾压质量不易控制。

3结论

3.1 级配良好的LSPM粗集料形成骨架结构能够抵抗较大的塑性和剪切变形，特别适宜于低速、重载、超载车辆通过路段。

3.2 LSPM模量与温度应力呈正比关系；LSPM厚度与温度应力呈反比关系；LSPM空隙率与温度应力呈反比关系。当LSPM空隙率逐渐增大时，在LSPM基层中孔隙分布更为均匀，从而消散和吸收温度应力。

3.3 由于LSPM空隙率较大，透水能力强，兼有路面排水层的功能。但是LSPM空隙率并非越大越好，当空隙率过大时混合料拌和、摊铺及碾压施工质量不易控制。

3.4 大粒径的粗集料的含量多和矿粉用量的减少，减少比表面积，降低了沥青总用量，从而降低了工程造价。

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