陈 璐，梁 巧

（1.杭州安通公路养护有限公司，浙江 杭州 310051；2.浙江交工高等级公路养护有限公司，浙江 杭州 310051）

0 引言

强基薄面的路面结构因良好的特性在我国广泛使用，但随着交通轴载的增加，反射裂缝始终是无法回避的问题。随着使用年限的增加，半刚性基层本身不强的抗疲劳性能会制约整体路面结构达到长寿命的使用要求[1]。因此随之而来的“开膛破肚”式的大修会降低公路工程设计寿命的经济效益。

而相比于半刚性基层，柔性基层本身优良的特性可以从源头消除反射裂缝[2]。从柔性基层的机理可知，车辙与开裂通常产生于沥青面层，不同于半刚性基层的结构性破坏。采用柔性基层可避免“开膛破肚”式的大修，而且运维成本较低，对通行的影响较小。在此基础上采用铣刨料可以缓解天然石料的紧缺，进一步提升技术经济性，符合道路长寿命的理念[3]，并且已有研究者在室内试验与试验段的基础上提出了再生柔性基层[4]。铣刨料的再生利用源自于20世纪70年代的石油危机，美国、西欧发达国家与日本自80年代至今都保持着较高的铣刨料利用率[5-8]。周志坚等发现，采用铣刨料不仅能节约新沥青的掺量，而且可提高高温稳定性和间接拉伸强度[9]。王松根等在研究与实践中验证了大粒径柔性基层可用过旧路改造，并且可以有效防止反射裂缝的产生[10]。对于铣刨料的再生使用，研究者用过路用性能、设计方法以及使用后的性能预估等，均有丰富的成果，推动了铣刨料的再生应用。鉴于此，本文采用缓裂型级配的设计思想，借助沥青路面面层铣刨料与大粒径粗骨料混合提出大粒径沥青混合料柔性基层的设计方法，通过数值试验设计级配，再确定新沥青与再生剂的掺量，验证大粒径抗裂再生柔性基层的适用性。

1 试验方案

1.1 抗裂性能评价

沥青路面的开裂多数是由于疲劳开裂引起，随着轴载作用次数的增加与损伤的加剧，超过一定界限会导致裂缝的出现，因此抗裂性能在一定程度上决定道路的使用寿命。对于抗裂性能的评价方法有很多，其中以断裂学评价方法最符合实际。半圆弯曲试验（SCB试验）操作简单，试件来源广泛，重复性好，是近年来评价沥青混合料开裂性能的主要方法[11]。因此本文基于SCB试验以线弹性断裂力学的方法，采用断裂能来评价柔性基层的抗裂性能。断裂能计算如式（1）：

式中：ufinal为试件破坏时对应的加载点位移；t为试件厚度，mm；r为试件半径，mm；a为SCB切口深度，mm；P为破坏荷载，kN。

1.2 试验方法

在级配设计中，拟定的不同级配对应的最佳油石比必然存在差异，而沥青用量会影响混合料的性能，因此为了减小油石比对试验结果的影响，采用离散元软件PFC 2D 5.0进行数值试验。

1.2.1 SCB试验

试验在-10℃进行，加载速率为5 mm/min，采用具有伺服机制的UTM试验机开展试验。为了减小平行试件的误差，采用150 mm的试件直径[12]。为了防止切口过大造成应力集中[13]，切口尺寸参照AASHTO TP124，长度和宽度分别为15 mm和1.5 mm，试件底部支撑点间距取120 mm。

1.2.2 单轴贯入试验

单轴贯入试验采用万能材料试验机，压头直径为38 mm，试验温度采用60℃，试验加载速率为1 mm/min，单轴强度按式（2）计算。

式中：τs为试件的单轴贯入剪切试验强度，MPa；P为试件破坏时的最大荷载，N；A为贯入杆的截面积，mm2。

1.3 数值试验方法

先绘制试件轮廓与底座、加载板，再生成墙体，在试件轮廓中生成颗粒，再删除试件轮廓的墙体，按照室内试验加载速率开始试验。虚拟试验本构参数以室内试验误差±10%进行标定，最终确定了一组较为理想的试验参数，见表1。

表1 数值试验本构参数

2 大粒径抗裂再生柔性基层级配设计

2.1 原材料

新掺入的沥青采用镇海重交通70号道路石油沥青，大粒径粗集料采用石灰岩，指标均符合规范要求。回收料为AC-13，设计级配与抽提后的级配见表2，抽提的油石比为4.4%.

表2 回收料抽提前后级配对比

由表2可知，相比于刚建成时期，各筛孔的通过率均有所提升，与建成后车辆反复作用相关。初期表现为混合料的进一步压密。而在重载车辆的作用之下，填充骨架的2.36 mm与1.18 mm破碎最为明显，细集料逐渐从骨架结构中剥落，而0.075 mm的通过率已超出规范上限，容易导致路面发生泛油、车辙等病害。

2.2 基于抗裂性能的柔性基层级配优化

本文采用正交试验进行级配设计提高试验效率，为了防止正交试验设计过程中出现小粒径筛孔的通过率高于次高级粒径筛孔的通过率，根据ATB-30的规范级配作出一定调整，结果见表3。

表3 初步调整的ATB-30级配

大粒径的颗粒通常对高温性能与力学性能影响较大，而细集料中4.75 mm、2.36 mm与0.075 mm通过率会对低温性能产生影响[14]，因此选定26.5 mm、19 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm 的通过率作为影响因素，影响水平取4个。在级配初步调整后，根据选择的试验因素和水平进行正交试验设计，试验水平与因素见表4。

表4 正交试验水平和因素

根据表4的试验水平和因素，采用SPSS软件设计正交试验计划，进行数值试验，正交试验设计与试验结果见表5，试验结果分析见表6。

表5 关键筛孔通过率正交试验设计与试验结果

表6 因素极差分析

通过正交试验的极差分析可知，粒径越大，对高温性能的影响程度越大；对于SCB的破坏荷载，0.075 mm通过率影响最大，26.5 mm次之；而抗裂性，0.075 mm通过率影响最大。验证了高温性能由粗骨料的占比决定，而数值试验参数是依据出厂沥青的性质进行标定，适量增加0.075 mm的通过率可提高耐久性，延长道路使用寿命，对基层抗裂性能有明显的影响。根据表3的抽提结果，说明可以充分利用破碎后的细料来提高基层的抗裂性能。根据正交试验的模拟结果，关键筛孔取试验值，其余筛孔取规范中值，ATB-30抗裂级配如表7所示。

表7 ATB-30抗裂级配

在已有级配的基础上，首先测试马歇尔试验结果，采用大马歇尔试验方法，结果见表8，以此作为确定新掺加沥青与再生剂的依据。

表8 不同成型方法下马歇尔试验结果

3 再生缓裂ATB-30油石比

3.1 回收料沥青的性质

通常回收料的再生设计是在回收料中掺入再生剂，目前旧料沥青的抽提通常采用旋转蒸发器法与阿布森法，但后者操作复杂且受主观影响较大，并且易产生较大的试验离散性[15]，因此采用旋转蒸发器法提取回收料中的沥青。新掺入的70号道路石油沥青与抽提后的沥青关键性指标测试结果见表9。

表9 重交通70号道路石油沥青技术性质

3.2 再生剂掺量的研究

再生剂掺量通常只研究了在旧料中的掺量，但与新料混合需要增加沥青时，对混合而成的沥青指标的变化规律也有必要研究。抽提的油石比为4.4%，根据马歇尔试验结果，换算后油石比增量为0.14%，以此研究再生剂掺量对沥青指标的影响规律，结果见表10，对比结果见表11。

表10 不同再生剂掺量下混合沥青的指标

表11 不同再生剂掺量下混合沥青的指标

由表10可知，随着再生剂掺量的增加，不满足70号沥青的指标逐渐恢复至规范要求。由表11可知，与抽提出的沥青相比，各指标在不同再生剂掺量下提升明显，但增幅逐渐减缓，结合表3的结果，再生剂掺量为6%时即可满足70号沥青的规范要求，比未掺入新沥青相比要少2%[16].

4 性能验证

在数值试验与再生沥青的研究基础上，通过室内试验与采用70号沥青的ATB-30级配中级进行性能对比，主要包括高温性能、低温性能、水稳定性与疲劳性能。其中疲劳试验参考文献[17]，综合考虑了试验结果的代表性与持续时间，采用文中的荷载水平2.5 kN、应力比0.32进行疲劳性能测试。试验结果见表12。

表12 不同再生剂掺量下混合沥青的指标

由表12可知，与ATB-30级配中值相比，由于细料的占比增加，平均动稳定度降低了9%，而SCB破坏荷载、TSR、疲劳寿命分别提升了43%、8%、72%，说明对比ATB-30沥青稳定碎石，缓裂ATB-30沥青稳定碎石的高温性能降低，低温性能、水稳定性和疲劳性能均显著提升。

5 结语

a）本文采用SCB试验与单轴贯入试验评价ATB-30级配的性能，应用PFC软件构建了数值试验以减少油石比的影响，以控制误差10%得出了一组模型参数。

b）以抗裂性与高温性能的影响，确定了26.5 mm、19 mm、4.75 mm、2.36 mm、0.075 mm 为关键筛孔，设计了正交试验进行验证，结果表明26.5 mm通过率对高温性能的影响程度大，0.075 mm通过率对抗裂性影响最大，应合理选择粗集料的占比，提高0.075 mm的通过率以提高抗裂性能，并可充分利用回收料中的细料，据此提出了ATB-30抗裂级配。

c）ATB-30抗裂级配中19 mm以下采用回收料，掺入粗颗粒与70号沥青。在沥青与再生剂的掺入下，各指标提升明显，增幅逐渐减缓，当再生剂掺量为6%时即可满足70号沥青的规范要求。

d）经室内试验与常规ATB-30级配中值相比，ATB-30抗裂级配由于细料的占比增加，高温性能降低了9%，而低温性能、水稳定性、疲劳性能分别提升了43%、8%、72%，说明再生缓裂ATB-30级配在高温性能衰减不超过10%，而低温性能与疲劳性能有显著提升。