关于超薄冷拌沥青混合料抗裂性能研究的学术报告
一、 研究团队与发表信息
本研究由华南理工大学土木与交通学院的Jiangmiao Yu, Zhihao Feng, Yanlin Chen, Huayang Yu, Guilian Zou, Yuan Zhang，俄罗斯圣彼得堡国立建筑大学的Evgeniy Korolev，以及俄罗斯莫斯科国立土木工程大学的Svetlana Obukhova共同合作完成。研究论文《Investigation of cracking resistance of cold asphalt mixture designed for ultra-thin asphalt layer》发表于国际学术期刊《Construction and Building Materials》第414卷（2024年），文章编号134941，已于2024年1月16日在线发表。
二、 研究背景与目标
本研究属于道路工程与建筑材料科学交叉领域，聚焦于沥青路面预防性养护技术。超薄沥青磨耗层（Ultra-thin Asphalt Layer）因其超薄、抗滑、降噪等优点，被视为城市道路沥青和水泥混凝土路面高效、经济的养护策略。然而，传统的超薄层通常采用热拌工艺（Hot-Mix Asphalt, HMA），其生产温度高达165–180°C，导致高能耗和沥青结合料额外老化，缩短了路面使用寿命。采用冷拌工艺（Cold-Mix Asphalt, CMA）可有效避免这些问题，但现有冷拌技术（如微表处，Micro-surfacing）普遍存在抗裂性能差、耐久性不足（使用寿命仅2-3年）等缺陷，严重限制了其在要求更高的超薄层中的应用。
因此，本研究的核心目标是：设计并开发一种适用于超薄层的、具有优异抗裂性能的冷拌沥青混合料（命名为GT-10 C），以解决传统冷拌混合料强度低、耐久性差的关键瓶颈，使其性能能够媲美甚至超越传统热拌超薄层，从而为路面养护提供一种高性能且环境友好的绿色技术方案。
三、 详细研究流程
本研究流程系统、严谨，涵盖了材料设计、试样制备、性能测试与对比分析、以及能耗评估等多个环节。
1. 材料设计与混合料制备 * 研究目标与对象：设计GT-10 C混合料，并与两种传统混合料进行对比：参照Novachip设计的常规热拌超薄层（Hot-UA）和参照微表处MS-III设计的常规冷拌超薄层（Cold-UA）。为了探究玄武岩纤维的增强效果，设置了不同纤维掺量（0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%）的GT-10 C组，以及添加了0.2%纤维的Cold-UA组（Cold-UA-0.2）作为对照。 * 材料选择： * 集料与填料：采用吸水率低、粘附性强的辉绿岩作为粗集料（公称最大粒径9.5mm），石灰岩作为细集料和填料，以确保骨架强度和耐磨性。 * 结合料：GT-10 C采用课题组自主研发的GT Tech高粘改性乳化沥青（GT HVA），其蒸发残留物具有高粘度和高弹性。Cold-UA采用SBS改性乳化沥青，Hot-UA采用SBS改性沥青（PG76-22）。 * 纤维：采用浙江石金玄武岩纤维，其具有高强度、耐酸碱、工作温度范围宽（-200–650°C）等特性。 * 配合比设计方法：采用CAVF（粗集料空隙填充法）进行GT-10 C的配合比设计。该方法基于粗集料形成嵌挤骨架，细集料和沥青胶浆填充空隙的理念，旨在减少细集料用量、增加沥青含量，从而形成更厚的沥青膜以增强应力吸收能力。 * 关键工艺——养生条件确定：由于冷拌混合料强度形成依赖于乳化沥青破乳和水分蒸发，其养生过程与热拌混合料截然不同。本研究创新性地通过预试验确定了实验室试件的养生条件：通过测试不同厚度试件（马歇尔试件和20mm薄板试件）在不同温度（60°C和110°C）下养生不同时间后的重量、强度及体积指标变化，发现“失水率达到98%”是强度形成满足交通需求的关键指标。根据拟合曲线，最终确定马歇尔试件（代表5cm结构层）需在110°C下养生40小时，薄层试件需在110°C下养生12小时。这一步骤确保了后续性能测试试件状态的准确性，是本研究的特色之一。
2. 抗裂性能试验方法 研究采用了四种试验方法，从不同加载模式和破坏机理全面评估混合料的抗裂性能： * 低温弯曲试验：依据ASTM标准，在-10°C下对尺寸为250 mm × 35 mm × 30 mm的小梁试件进行三点弯曲试验，加载速率50 mm/min。记录最大荷载和跨中挠度，计算弯拉强度和极限弯拉应变，评价低温抗裂性。 * 冲击韧性试验：基于低温弯曲试验改进，由华南理工大学张肖宁教授提出。在15°C下以500 mm/min的高速进行加载，模拟冲击荷载条件。通过计算荷载-位移曲线中最大荷载点之前的积分面积来表征混合料断裂所需吸收的能量，即冲击韧性，评价其抵抗冲击和瞬时变形的能力。 * 半圆弯曲试验：依据AASHTO TP105-13标准，测试混合料在低温拉伸荷载下的断裂韧性。使用直径150mm、厚50mm的半圆柱体试件，设置15mm、25mm、30mm三种不同切口深度，绘制切口深度与断裂能的关系曲线，评价其抵抗裂缝扩展的能力。 * 薄层抗裂试验（新型自创试验方法）：本研究为更好地模拟超薄层在实际路面结构中的疲劳开裂行为，特别是反射裂缝的发展，自主开发了一种基于车辙仪轮载重复加载的复合试件试验方法。这是本研究方法学上的主要创新点。 * 试件制备：制备尺寸为300 mm × 300 mm × 30 mm的水泥混凝土板，从中切开并预置3mm宽的裂缝，然后在上面铺筑超薄沥青混合料，形成“水泥板+裂缝+沥青层”的复合结构试件。这模拟了超薄层铺设在有裂缝的旧路面上这一典型工况。 * 试验过程：在室温下，将复合试件置于车辙仪轮下，使轮载方向与裂缝方向一致，并对准裂缝位置施加0.7 MPa的重复轮载，直至试件完全破坏。记录试件破坏时的轮载作用次数（时间）和压实深度变化。该试验能有效表征超薄沥青层在反复弯曲荷载下的耐久性和抗裂寿命。
3. 数据分析流程 对各项试验获取的原始数据（荷载、位移、应变、能量、作用次数等）进行统计分析，计算平均值和变异系数。通过对比不同混合料（GT-10 C不同纤维掺量组 vs. Hot-UA vs. Cold-UA）在各试验指标上的表现，系统分析GT-10 C的抗裂性能优势及玄武岩纤维的最佳掺量。最后，结合试验结果进行综合讨论和结论提炼。
四、 主要研究结果
1. 玄武岩纤维掺量对抗裂性能的影响 在所有抗裂试验中，GT-10 C的性能均随玄武岩纤维掺量的增加呈现先提高后降低的趋势，最佳掺量为0.2%。 * 低温弯曲试验：与未掺纤维的GT-10 C-0相比，掺加0.2%和0.3%纤维的试件，其极限弯拉应变分别显著提高了约35%和25%。GT-10 C-0.2的极限弯拉应变分别是Hot-UA和Cold-UA的1.76倍和5.13倍。这表明适量纤维大幅提升了混合料的低温变形能力。但过量纤维（0.4%）会导致团聚，削弱沥青-纤维界面，反而使性能下降。 * 冲击韧性试验：在0.2%最佳掺量下，GT-10 C-0.2的冲击韧性比GT-10 C-0提高了48.7%。尽管其临界荷载低于Hot-UA和Cold-UA（因高沥青含量和空隙率），但其临界位移远大于后者，表现出更高的韧性。GT-10 C-0.2的冲击韧性分别是Cold-UA-0.2和Hot-UA的2.08倍和3.20倍。 * 半圆弯曲试验：随着切口深度增加，所有混合料的临界荷载下降，但添加纤维的GT-10 C和Cold-UA荷载-位移曲线下降更平缓，表明纤维在不利条件下仍能有效延缓裂缝扩展。GT-10 C-0.2在三种切口深度下均具有最高的断裂能和断裂韧性（Jc）。即使不掺纤维，GT-10 C-0的断裂韧性也高于Cold-UA-0.2和Hot-UA，这归功于高粘改性乳化沥青的使用。
2. GT-10 C与传统混合料的综合性能对比 * 常规破坏试验：综合低温弯曲、冲击韧性和半圆弯曲试验结果，在最佳纤维掺量（0.2%）下，GT-10 C在极限应变、冲击韧性、断裂韧性等关键指标上全面优于传统的Hot-UA和Cold-UA。Hot-UA虽承载能力较高但变形能力差，易发生脆性破坏；Cold-UA因使用水泥而具有较高刚度，但塑性变形能力不足。GT-10 C则表现出优异的韧性和抗裂性。 * 薄层抗裂试验（疲劳性能）：该试验结果更具工程意义。试件的破坏轮载寿命顺序为：GT-10 C-0.2 > GT-10 C-0 > Hot-UA > Cold-UA-0.2。GT-10 C-0.2的平均破坏寿命为206,489秒，比GT-10 C-0提高了16.8%，分别是Hot-UA和Cold-UA-0.2的5.1倍和7.9倍。这表明GT-10 C在模拟实际路面反复荷载和反射裂缝的恶劣条件下，具有远超传统混合料的抗疲劳开裂能力和耐久性。试验过程中，GT-10 C试件的压实深度变化率也显著低于其他两种混合料，说明其结构在初始压实后能长期保持稳定。
3. 能耗与排放评估 基于文献数据，研究简要对比了GT-10 C与Hot-UA在生产施工过程中的能耗和温室气体排放。计算表明，对于单位厚度（15mm）的铺层，GT-10 C的总能耗为17.75 MJ/m²，仅为Hot-UA（25.90 MJ/m²）的68.5%；其温室气体总排放为1.28 kg CO₂/m²，仅为Hot-UA（2.03 kg CO₂/m²）的63.1%。这主要得益于冷拌工艺在生产环节极低的能耗和排放。
五、 研究结论与价值
本研究成功设计并验证了一种高性能的冷拌超薄沥青混合料GT-10 C。主要结论如下： 1. 玄武岩纤维能有效提升GT-10 C的刚度和延性，但存在最佳掺量（0.2%），过量掺加会因纤维团聚导致性能下降。 2. 通过采用高粘改性乳化沥青和特殊的CAVF级配设计，GT-10 C在多种试验中均表现出优异的抗裂性能，满足了传统热拌沥青层的技术要求。 3. 自主研发的薄层抗裂试验能很好地表征薄层沥青混合料的抗裂性和耐久性，其结果与低温弯曲、冲击韧性、半圆弯曲等试验的规律高度一致，验证了该方法的有效性。 4. GT-10 C的总能耗和温室气体排放显著低于热拌超薄层，在提供可比拟路面性能的同时，具有突出的环境效益，为路面养护提供了一种潜在的绿色替代技术。
科学价值与应用价值： * 科学价值：系统揭示了高粘改性乳化沥青、玄武岩纤维和骨架密实级配在协同提升冷拌沥青混合料抗裂性能方面的作用机制；创新性地提出了针对冷拌混合料特点的室内养生制度确定方法，以及更贴合超薄层实际受力状态的复合试件抗疲劳开裂试验方法，为相关研究提供了新思路。 * 应用价值：开发出的GT-10 C混合料配方和设计方法，为工程实践提供了一种高性能、长寿命、低能耗的冷拌超薄层铺装技术，有助于推动冷拌技术在高质量路面预防性养护中的广泛应用，符合道路工程绿色、可持续发展的方向。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究中对冷拌混合料养生制度的深入探讨具有重要参考价值。明确了以“98%失水率”作为强度形成关键指标，并通过实验建立了不同厚度试件在特定温度下的养生时间曲线，这为冷拌材料实验室研究的规范性提供了重要依据，确保了性能测试结果能准确反映材料在实际使用中的状态。