瀝青混合料低溫性能評價指標(biāo)研究

劉 坤

（中交通力建設(shè)股份有限公司，陜西 西安 710075）

現(xiàn)在國內(nèi)外對于瀝青混合料低溫抗裂性能的試驗研究方法主要有[1]：等應(yīng)變加載的破壞試驗（間接拉伸試驗、彎曲、壓縮試驗）、直接拉伸試驗、彎曲拉伸蠕變試驗、受限試件溫度應(yīng)力試驗、三點(diǎn)彎曲J積分試驗、C*積分試驗、收縮系數(shù)試驗、應(yīng)力松弛試驗等。其中應(yīng)用較為廣泛的是彎曲試驗和劈裂試驗。本文采用低溫彎曲試驗和劈裂試驗對所選級配的混合料的低溫性能進(jìn)行研究，檢驗兩個試驗是否具有相關(guān)性，并提出適合我國的瀝青面層低溫抗裂性能評價方法和指標(biāo)。

1 原材料性質(zhì)

本文的試驗研究采用克拉瑪依瀝青，兩種級配：A—13、S—12.5，兩種試驗溫度：0℃、－10℃，分別測定瀝青混合料在低溫彎曲試驗和劈裂試驗方法下其各項力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律。

試件采用的級配數(shù)據(jù)見表1－1。

表1-1 礦料級配

2 瀝青混合料低溫彎曲試驗過程與結(jié)果分析

低溫彎曲試驗一般采用小梁試件，通過對其施加一定的荷載，使小梁發(fā)生彎曲，產(chǎn)生彎拉應(yīng)變和彎拉應(yīng)力，一般通過計算得到的彎拉應(yīng)變來評價瀝青混合料小梁的低溫變形能力。本文采用小梁低溫彎曲破壞試驗，對不同級配瀝青混合料進(jìn)行試驗。

2.1 0℃下的瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果分析

0℃下的瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果見圖2－1～圖2－3。

圖2-1 0℃彎曲試驗中試件的抗彎拉強(qiáng)度

圖2-2 0℃彎曲試驗中試件的最大彎拉應(yīng)變

圖2-3 0℃彎曲試驗中試件的彎拉勁度模量

對于瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度，從圖2－1可以看出，A—13的彎拉強(qiáng)度隨油石比的增加呈線形上升趨勢，上升幅度較緩；由S—12.5的彎拉強(qiáng)度趨勢線來看，其數(shù)值隨油石比的增大也呈上升趨勢，只是在個別油石比下有波動現(xiàn)象，這可能與試驗的誤差有關(guān)。在油石比為4.3%、5.0%和5.6%時，兩個級配瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度排序為A—13＞S—12.5，在油石比為4.6%和5.3%時，兩者排序為S—12.5＞A—13。因此，總的來講，A—13表現(xiàn)出稍高的抗彎拉強(qiáng)度。

對于瀝青混合料的彎拉應(yīng)變，從圖2－2可以看出，A—13的彎拉應(yīng)變隨油石比的增加呈線形上升趨勢，上升幅度較緩；由S—12.5的彎拉應(yīng)變趨勢線來看，除了在油石比為5.0%時出現(xiàn)突變（出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能與試驗條件的控制不嚴(yán)有關(guān)），其數(shù)值猛然下降外，在其余油石比下，其彎拉應(yīng)變都是隨油石比的增大呈上升趨勢。總的來說，兩種級配的瀝青混合料其彎拉應(yīng)變大小排序為S—12.5＞A—13。

彎拉模量是彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變的比值，一定程度反映了混合料整體的柔性，一般來說，其值越小表明混合料柔性越好。從圖2－3可以知道，在油石比為5.0%時，兩種級配瀝青混合料的彎拉模量數(shù)值接近，在其余油石比下，隨著油石比的增大，彎拉模量變化趨勢均很緩，幾乎呈水平線，其彎拉模量排序為A—13＞S—12.5。

2.2 －10℃下的瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果分析

－10℃下的瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果見圖2－4～圖2－6。

圖2-4 -10℃彎曲試驗中試件的抗彎拉強(qiáng)度

圖2-5 -10℃彎曲試驗中試件的彎拉應(yīng)變

圖2-6 -10℃彎曲試驗中試件的彎拉勁度模量

對于瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度，從圖2－4可以看出，在油石比為5.0%時，兩種級配瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度數(shù)值基本相同；除了在油石比為5.0%時外，在其余油石比時，兩者的排序均為A—13＞S—12.5；從變化趨勢上看，A—13在油石比為5.0%時彎拉強(qiáng)度有小幅下降，之后又增大，在油石比為5.3%時達(dá)到最大值，然后一直下降，而S—12.5的彎拉強(qiáng)度值隨油石比的增加一直在增大，當(dāng)油石比為5.3%時達(dá)到最大，之后一直下降。因此，在不同的油石比下，兩種級配的變化趨勢基本一致。總的來講，A—13表現(xiàn)出稍高的抗彎拉強(qiáng)度。

對于瀝青混合料的彎拉應(yīng)變，從圖2-5可以看出，A—13和S—12.5除了在油石比為4.3%時測得的彎拉應(yīng)變數(shù)據(jù)相近外，都是隨著油石比的增加表現(xiàn)出相同的變化趨勢。在相同的油石比下，兩種級配瀝青混合料的彎拉應(yīng)變大小排序為A—13＞S—12.5。

從圖2－6可以知道，當(dāng)油石比為4.3%時，兩個級配的彎拉模量排序為A—13＞S—12.5，當(dāng)油石比為5.6%時，兩個級配的彎拉模量數(shù)值相近。除了以上兩種情況，在其余油石比時，兩個級配的彎拉模量均隨油石比的增加呈基本相似的變化趨勢，且S—12.5＞A—13。彎拉模量值在油石比為4.3%～4.6%的范圍內(nèi)有交叉現(xiàn)象。

3 瀝青混合料劈裂試驗過程與結(jié)果分析

劈裂試驗，是通過加載條加靜載于圓柱形試件的軸向，試件按一定的變形速率加載，施加的壓縮荷載與垂直、水平變形通過LVDT得到，從而可獲得瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和變形數(shù)據(jù)。劈裂試驗的評價指標(biāo)主要有：劈裂強(qiáng)度、破壞變形及勁度模量。本文對不同級配的瀝青混合料進(jìn)行劈裂試驗，加載速率為5mm／min，試驗結(jié)果見圖3－1～圖3－6。

3.1 0℃下的瀝青混合料劈裂試驗結(jié)果分析

0℃下的瀝青混合料劈裂試驗結(jié)果見圖3－1～圖3－3。

圖3-1 0℃劈裂試驗中試件的劈裂強(qiáng)度

圖3-2 0℃劈裂試驗中試件的破壞應(yīng)變

圖3-3 0℃劈裂試驗中試件的勁度模量

對于瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，從圖3－1可以看出，兩個級配混合料的變化趨勢是大致相似的，均隨油石比的增加呈上升趨勢，其中A—13表現(xiàn)出較高的抗劈裂強(qiáng)度。

對于瀝青混合料的破壞應(yīng)變，從圖3-2可以看出，在油石比為5.0%時，S—12.5的破壞應(yīng)變有所減小，并且A—13和S—12.5在油石比為5.0%時測得的破壞應(yīng)變數(shù)據(jù)相近，在其余油石比下，這兩個級配都是隨著油石比的增加表現(xiàn)出較為相同的變化趨勢。在相同的油石比下，兩種級配的混合料其破壞應(yīng)變排序為S—12.5＞A—13。

對于勁度模量的變化，從圖3-3可以知道，兩個級配混合料的勁度模量隨油石比的增加，其變化趨勢基本相似，且A—13＞S—12.5。

3.2 －10℃下的瀝青混合料劈裂試驗結(jié)果分析

－10℃下的瀝青混合料劈裂試驗結(jié)果見圖3－4～圖3－6。

圖3-4 -10℃劈裂試驗中試件的劈裂強(qiáng)度

圖3-5 -10℃劈裂試驗中試件的破壞應(yīng)變

圖3-6 -10℃劈裂試驗中試件的勁度模量

對于瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，從圖3－4可以看出，總體上S—12.5的劈裂強(qiáng)度隨油石比的增加呈上升趨勢，只是在油石比為5.3%時有略微的降低，隨后又呈上升趨勢，不過上升趨勢變緩；A—13的劈裂強(qiáng)度隨著油石比的增大呈上升趨勢，但趨勢很緩?？偟膩碇v，S—12.5表現(xiàn)出較高的抗劈裂強(qiáng)度。

對于瀝青混合料的破壞應(yīng)變，從圖3－5可以看出，A—13和S—12.5除了在油石比為5.6%時測得的破壞應(yīng)變數(shù)據(jù)相近外，在其余油石比下，兩者的破壞應(yīng)變都是隨著油石比的增加表現(xiàn)出相同的變化趨勢。在相同的油石比下，兩種級配的混合料其破壞應(yīng)變排序為A—13＞S—12.5。

對于勁度模量的變化，從圖3－6可以知道，隨著油石比的增加，兩個級配瀝青混合料的勁度模量變化趨勢基本相似（變化趨勢線的走向幾乎完全一致），且S—12.5＞A—13。

4 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)離散程度與變化范圍分析

4.1 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)離散程度分析

通過瀝青混合料的彎曲試驗和劈裂試驗得到三類指標(biāo)——彎拉強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變和破壞應(yīng)變、彎拉模量和勁度模量，目前一般重點(diǎn)考察彎拉應(yīng)變，因為它在很大程度上反映了混合料的真實變形能力。從以上的分析可以知道，隨著瀝青含量的變化，應(yīng)變的變化并不明顯，與理論上的“增大瀝青含量，則瀝青混合料的柔性增加、變形能力增強(qiáng)”的結(jié)論并不完全一致。為了深入地分析試驗結(jié)果，從試驗數(shù)據(jù)離散程度的角度對數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。數(shù)據(jù)離散程度一般用變異系數(shù)來衡量，變異系數(shù)按下式計算：

式中：σ——樣本均方差；

n——重復(fù)（平行）試驗的次數(shù)；

xi——每次試驗的結(jié)果。

變異系數(shù)的大小反映了試驗數(shù)據(jù)的離散程度。變異系數(shù)越小表明平行試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果相差越小，數(shù)據(jù)越可靠；反之，則表示重復(fù)試驗的數(shù)據(jù)相差比較大，數(shù)據(jù)的離散性大，數(shù)據(jù)的可靠性也差。為了集中反映兩類試驗數(shù)據(jù)的離散程度，計算其變異系數(shù)，將這些計算結(jié)果匯總為表4－1。

從表4－1中的數(shù)據(jù)可以看出，對于彎曲試驗，變異系數(shù)都較大，最大的超過22%，一般也都在15%左右；而對于劈裂試驗，最大的只為15.8%，一般都在10%左右。劈裂試驗的數(shù)據(jù)離散程度較彎曲試驗數(shù)據(jù)的離散程度小得多。依據(jù)數(shù)理統(tǒng)計知識，數(shù)據(jù)的離散性越?。ㄗ儺愊禂?shù)越小），在二元方差分析中的誤差就會越小，產(chǎn)生錯誤推斷的可能性也就越小，結(jié)論也就越可靠；反之，產(chǎn)生錯誤推斷的可能性就越大，結(jié)論也就越不可靠。因此，根據(jù)劈裂試驗數(shù)據(jù)更容易總結(jié)出規(guī)律，實際上，它確實表現(xiàn)出了良好的規(guī)律性。

表4-1 兩類試驗數(shù)據(jù)變異系數(shù)匯總表

通過分析可知，部分彎曲數(shù)據(jù)的變化偏離整體數(shù)據(jù)的大趨勢呈現(xiàn)突變狀。分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，一方面是試驗操作和試驗條件的控制上不夠嚴(yán)格，另一方面是試件成型過程中瀝青混合料的拌和不均勻，壓實成板后再將其切割成試驗所需的試件尺寸，這種二次成型的方式勢必會影響試驗的準(zhǔn)確性和試驗結(jié)果。彎曲破壞試驗所用的小梁高度為30mm，本次試驗用的集料最大粒徑為13mm，在試驗中采用中間點(diǎn)加載的過程中，小梁梁底承受拉力，如果正好有大粒徑的集料顆粒位于中間位置，小梁的破壞面會沿著這些顆粒的破碎面展開，這樣測得的試驗數(shù)據(jù)就會存在極大的誤差。由此看來，就評價瀝青混合料的低溫性能而言，小梁彎曲破壞試驗沒有劈裂試驗的穩(wěn)定性好。

4.2 試驗結(jié)果變化范圍分析

本文選用了5種油石比進(jìn)行試驗研究，取油石比為4.3%和5.0%時的數(shù)據(jù)（主要研究應(yīng)變的數(shù)據(jù)變化），比較油石比為5.0%時的數(shù)據(jù)相對于油石比為4.3%時的數(shù)據(jù)的變化幅度范圍，結(jié)果如表4－2所示。

表4-2 瀝青混合料彎曲試驗和劈裂試驗結(jié)果比較表

從表4－2中可以明顯地看出，在瀝青含量做相同的變化時，兩種試驗的結(jié)果范圍顯著不同，劈裂試驗的破壞應(yīng)變指標(biāo)對瀝青和混合料級配的敏感程度高于彎曲試驗的彎拉應(yīng)變指標(biāo)。因此，從這個角度上講，劈裂試驗對研究不同瀝青結(jié)合料、不同瀝青含量和不同的礦料級配對混合料低溫抗裂性能的影響更加有利。

綜合上面兩個試驗的結(jié)果可知，低溫彎曲試驗和劈裂試驗得到的結(jié)果基本一致，即油石比對試驗結(jié)果的影響是顯著的，而級配對結(jié)果的影響較油石比而言稍弱，由應(yīng)變和勁度模量的試驗數(shù)據(jù)可以看出，A—13瀝青混合料的低溫抗裂性能要優(yōu)于S—12.5瀝青混合料。兩個試驗均得出這樣的結(jié)論，由此可見，這兩個試驗具有一定的相關(guān)性。

5 結(jié)語

劈裂試驗和低溫彎曲試驗在評價瀝青混合料低溫性能時的結(jié)論是一致的，而劈裂試驗以其試驗方法簡單、試件制備容易、數(shù)據(jù)離散度小、各力學(xué)指標(biāo)對試驗條件的變化更敏感等特點(diǎn)，相比低溫彎曲試驗有一定的優(yōu)越性。

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

[2]JTJ 052—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程[S].