油石比對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響分析

韓武松

（邯鄲市交通運(yùn)輸局公路工程二處，河北 邯鄲 056000）

0 引言

瀝青路面的開(kāi)裂是國(guó)內(nèi)外道路界普遍關(guān)注的問(wèn)題，也是世界各國(guó)都存在的普遍現(xiàn)象，其危害在于大量裂縫的存在使得路表水、空氣及其它有害物質(zhì)可通過(guò)裂隙浸入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并沿著混合料的空隙滲入路面基層和路基，使路面基層和路基發(fā)軟，路面結(jié)構(gòu)承載力下降，在行車荷載作用下產(chǎn)生唧漿、唧泥和沖刷，界面層出現(xiàn)局部脫空，進(jìn)而在路面形成局部凹陷，最終導(dǎo)致路面發(fā)生網(wǎng)裂與坑槽，嚴(yán)重地影響車輛的行駛質(zhì)量，大大地降低了路面的使用壽命。而且，在冰凍地區(qū)當(dāng)溫度降至冰點(diǎn)時(shí)，滯留在路面結(jié)構(gòu)空隙中的水分還會(huì)產(chǎn)生凍脹，進(jìn)一步可能發(fā)生混合料內(nèi)部的凍融循環(huán)，這些將導(dǎo)致路面材料的內(nèi)部損傷和損傷累積，進(jìn)一步加速路面的破壞[1]。因此，提高路面的抗裂性能是瀝青路面設(shè)計(jì)的重要研究?jī)?nèi)容。本文通過(guò)瀝青混合料劈裂抗拉試驗(yàn)，研究溫度和油石比對(duì)瀝青混合料劈裂性能的影響及變化規(guī)律。

1 原材料

瀝青材料采用SBS改性瀝青。各項(xiàng)指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中技術(shù)要求，具體檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

粗集料要求選用質(zhì)地堅(jiān)硬、表面粗糙、抗磨耗、耐磨光、形狀接近立方體的破碎石料，破碎率一般為100%。本試驗(yàn)粗集料采用石灰?guī)r碎石。具體檢測(cè)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

細(xì)集料采用由制砂機(jī)專門生產(chǎn)的石灰機(jī)制砂，要求不得有泥土、雜物。

填料采用石灰?guī)r經(jīng)磨制的新鮮礦粉，要求不含有泥土雜質(zhì)和團(tuán)粒，礦粉要求干燥、潔凈，顆粒松散，無(wú)結(jié)團(tuán)，遭雨淋或受潮結(jié)團(tuán)的礦粉不得使用。

試驗(yàn)所用級(jí)配為AC—16規(guī)范中值，最佳油石比通過(guò)馬氏方法確定為6.5%。

2 試驗(yàn)分析

采用馬氏方法成型劈裂試驗(yàn)試件六組，每?jī)山M為同一油石比，對(duì)三種油石比試件分別在-10℃、0℃下進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，加載速度1mm/min，針對(duì)一種溫度、一種油石比取有效試件4個(gè)。利用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，溫度控制裝置為環(huán)境箱，溫控精度±0.1℃。

2.1 劈裂強(qiáng)度分析

對(duì)制備的劈裂試件在-10℃和0℃進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，劈裂強(qiáng)度結(jié)果如圖1。

圖1 油石比與劈裂強(qiáng)度關(guān)系

圖1 表明：在試驗(yàn)的兩個(gè)溫度下，瀝青混合料劈裂強(qiáng)度曲線呈單調(diào)變化。0℃條件下的劈裂強(qiáng)度曲線近似一條直線，其變化為單調(diào)遞減，隨著油石比的增大劈裂強(qiáng)度減小；就-10℃劈裂曲線整體而言，劈裂強(qiáng)度隨油石比的增大而增加，但增大速率在6.0%~6.5%變化幅度較緩，增加約4.5%；在6.5%~7.0%之間變化較快，提高約11%。分析三種油石比可知，-10℃瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度均大于0℃的值，且兩種溫度下的差值隨著油石比的增大而增加，6.5%油石比對(duì)應(yīng)的劈裂強(qiáng)度為6.0%的1.2倍，而7.0%的油石比對(duì)應(yīng)的劈裂強(qiáng)度為6.0%的1.5倍。說(shuō)明在所研究的溫度及油石比范圍內(nèi)，溫度對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響隨油石比的增大而增大。

已有研究表明，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度主要由集料間嵌擠力與內(nèi)摩阻力和瀝青與集料交互作用而產(chǎn)生的粘聚力組成[2]。嵌擠力和內(nèi)摩阻力的大小主要取決于礦質(zhì)集料的尺寸、均勻度、顆粒形狀和表面粗糙度，此外瀝青膜對(duì)摩阻力也有影響。瀝青混合料的粘聚力主要取決于下列兩個(gè)因素：一是瀝青與集料之間的相互作用力；二是瀝青材料本身的粘結(jié)力，其與瀝青的性質(zhì)、礦料的性質(zhì)以及瀝青含量等有關(guān)。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因可能是：在較低溫度下，裹附集料表面的瀝青膜厚度隨著油石比的增大而變厚，集料間的瀝青除了起到粘結(jié)作用外，同時(shí)也有潤(rùn)滑作用，在瀝青膜增厚的情況下，集料間潤(rùn)滑作用增強(qiáng)，劈裂強(qiáng)度變小。隨著溫度降低，瀝青膠結(jié)料由粘彈性體向彈性體轉(zhuǎn)化，瀝青的勁度模量增加，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度除了依賴瀝青粘度和由瀝青與集料的相互作用而產(chǎn)生的作用力外，還有自由瀝青所提供的粘結(jié)力。隨著溫度的降低，自由瀝青的粘聚力的貢獻(xiàn)率逐漸增大，所以出現(xiàn)了劈裂強(qiáng)度受油石比影響明顯的情況。

2.2 拉伸應(yīng)變分析

在0℃和-10℃下對(duì)制備的瀝青混合料試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，拉伸應(yīng)變結(jié)果如圖2所示。

圖2 油石比與拉伸應(yīng)變關(guān)系圖

由圖2可得：油石比對(duì)拉伸應(yīng)變的影響較大，兩個(gè)溫度下的拉伸應(yīng)變曲線隨油石比呈線性變化。溫度不同，其增減變化不同，0℃的拉伸應(yīng)變隨油石比的增加而增加，且其增加速率較大；-10℃的拉伸應(yīng)變隨油石比的增加而減小，減小幅度較緩。溫度對(duì)瀝青混合料拉伸應(yīng)變的影響隨油石比的增大而增大，且增大幅度逐漸提高，6.5%的油石比對(duì)應(yīng)的兩個(gè)溫度下拉伸應(yīng)變差值為6.0%的3.3倍，而7.0%油石比對(duì)應(yīng)值為6.0%的7.8倍。

原因主要是：瀝青為溫度敏感性材料，其性狀受溫度影響較大，隨著溫度的升高，瀝青混合料的黏性增大，彈性減小，使瀝青混合料在受到荷載時(shí)，其應(yīng)變?cè)龃骩3]，所以瀝青混合料在0℃下拉伸應(yīng)變高于-10℃的值。溫度不同，瀝青及瀝青混合料的力學(xué)性能亦不同，在較低溫度時(shí)，瀝青混合料為粘彈性體，應(yīng)變量隨裹附集料表面的瀝青膜厚度的增大而增加，而低溫時(shí)，瀝青接近于彈性體，性狀向脆性方向發(fā)展，其應(yīng)變減小。溫度對(duì)瀝青混合料拉伸應(yīng)變的影響由溫度對(duì)瀝青及瀝青膠漿作用決定，所以油石比對(duì)兩種溫度下瀝青混合料的拉伸應(yīng)變的差值影響較大[5]。

2.3 勁度模量分析

對(duì)試件在0℃和-10℃下進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，勁度模量結(jié)果如圖3所示。

圖3 油石比與勁度模量關(guān)系圖

圖3 表明：瀝青混合料的勁度模量受溫度及油石比的影響規(guī)律與劈裂強(qiáng)度相似，其升降性和升降速率近同。兩個(gè)試驗(yàn)溫度下勁度模量的差值整體及局部變化與劈裂強(qiáng)度差值亦相似。由于瀝青混合料勁度模量性質(zhì)與瀝青的勁度模量規(guī)律相似，由劈裂強(qiáng)度及拉伸應(yīng)變決定[4]，所以，出現(xiàn)以上結(jié)論亦可由上述劈裂強(qiáng)度及拉伸應(yīng)變的解釋說(shuō)明。

綜合三個(gè)試驗(yàn)參數(shù)結(jié)果，溫度對(duì)瀝青混合料劈裂特性有顯著影響；油石比對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響較大，而對(duì)拉伸應(yīng)變和勁度模量的影響較?。粌烧叩慕换プ饔脤?duì)劈裂強(qiáng)度和勁度模量影響顯著，而對(duì)拉伸應(yīng)變的影響不明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

由此可見(jiàn)，在進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮冰凍地區(qū)實(shí)際溫度條件對(duì)混合料劈裂性能的影響。同時(shí)，在低溫地區(qū)施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況及施工經(jīng)驗(yàn)，在確定的最佳油石比用量基礎(chǔ)上適當(dāng)增加瀝青用量，以提高低溫條件下瀝青混合料的低溫性能，從而減少裂縫的產(chǎn)生。

[1]沈金安.瀝青與瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]R.C.G.Haas.瀝青路面低溫收縮開(kāi)裂的設(shè)計(jì)方法[J].李福普，譯.石油瀝青，1994， （2）： 41－49.

[3]Weixin Shen and David J.Kirkner.Thermal Cracking of Viscoelastic Asphalt-Concrete Pavement[J].J.Engrg.Mech.,2001， 127（7）： 700－709.

[4]葛折圣，黃曉明，許國(guó)光.用彎曲應(yīng)變能方法評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2002， 32（4）： 1－3.