膠粉改性瀝青混合料低溫特性試驗(yàn)研究

郝俊杰

(內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

針對(duì)瀝青面層開裂問題，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的調(diào)查和研究。對(duì)于瀝青混合料低溫性能的評(píng)價(jià)方法有多種方法，主要有間接拉伸試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、蠕變?cè)囼?yàn)、受限試件的溫度應(yīng)力試驗(yàn)、切口小梁試件的彎曲試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)等［1-4］。經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者的研究分析，造成瀝青混合料低溫裂縫的原因主要有:冬期溫度驟降出現(xiàn)橫向收縮裂縫;凍融循環(huán)產(chǎn)生的裂縫;凍縮裂縫;由于上述原因綜合作用造成的橫向裂縫［5，6］。低溫蠕變?cè)囼?yàn)按其加載方式的不同可以分為直接拉伸蠕變、劈裂拉伸蠕變和彎曲蠕變?cè)囼?yàn)。由于直接拉伸蠕變?cè)囼?yàn)的試驗(yàn)條件困難，故多選用劈裂蠕變?cè)囼?yàn)和彎曲蠕變?cè)囼?yàn)。其中彎曲蠕變?cè)囼?yàn)是“八五”攻關(guān)專題提出的評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能的試驗(yàn)方法。在同一試驗(yàn)條件下，蠕變速率越大表明其抗裂性能越好［7］。以彎曲蠕變速率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)與瀝青路面抗裂性能有良好的關(guān)系，因此本試驗(yàn)以低溫彎曲蠕變作為試驗(yàn)方法，來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫開裂性能。

1 基本理論

瀝青混合料低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)由加載至蠕變完成共分三個(gè)階段，圖1為蠕變破壞全過程。

圖1 瀝青混合料蠕變曲線

第1階段——不穩(wěn)定階段(遷移階段)，在這一階段開始時(shí)變形增加很快，材料撓度響應(yīng)外力時(shí)幾乎呈線性變化，材料發(fā)生硬化的同時(shí)蠕變速率不斷降低。

第2階段——穩(wěn)定階段，瀝青混合料的蠕變速率達(dá)到最小值，而且持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)。

第3階段——破壞階段，瀝青混合料的蠕變速率迅速上升，蠕變變形突然增大，直到破壞［8］。

其中蠕變遷移階段反映了瀝青混合料的瞬時(shí)彈性變形與粘彈特性，第三階段反映的是試件已出現(xiàn)裂縫破壞的情況。一般而言，瀝青路面在實(shí)際使用中不會(huì)出現(xiàn)很大的荷載使瀝青混合料出現(xiàn)直接破壞，所以，對(duì)于蠕變?cè)囼?yàn)加載水平較小時(shí)，試驗(yàn)曲線基本只會(huì)出現(xiàn)前兩個(gè)階段。試驗(yàn)考察的重點(diǎn)階段是蠕變穩(wěn)定階段的彎曲蠕變速率，其計(jì)算可按公式:εs=(ε2－ε1)σ0/(t2－t1)計(jì)算。從彎曲蠕變速率εs的關(guān)系式中可以發(fā)現(xiàn)，其值實(shí)際反映的是由蠕變應(yīng)力σ0在t2時(shí)刻到t1時(shí)刻區(qū)間內(nèi)，彎曲應(yīng)變之差與σ0的乘積亦即彎曲應(yīng)變能在整個(gè)穩(wěn)定期內(nèi)的變化值，其含義已經(jīng)綜合表達(dá)了瀝青混合料在低溫狀態(tài)下應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，能夠反映瀝青混合料的低溫抗裂性能。粘彈性材料的蠕變性能常用勁度模量S(t)和蠕變?nèi)岫饶Ａ縅(t)表示，記輸入的一個(gè)恒定應(yīng)力為σ0，響應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣?t)。則有 S(t)=1/J(t)，J(t)=ε(t)/σ0。

其中，σ0為試件的蠕變彎拉應(yīng)力，MPa;ε(t)為試件梁底的彎拉應(yīng)變;S(t)為試件彎曲蠕變勁度模量，MPa;J(t)為試件彎曲蠕變?nèi)岫饶Ａ浚?/MPa;εs為試件彎曲蠕變速率，1/s/MPa;t1，t2分別為蠕變穩(wěn)定期直線段起始點(diǎn)和終止點(diǎn)時(shí)間，s;ε1，ε2分別為對(duì)應(yīng)于時(shí)間t1，t2時(shí)的蠕變應(yīng)變;b為跨中斷面試件的寬度，m;h為跨中斷面試件的高度，m;L為試件的跨徑，m;F為試件在實(shí)驗(yàn)過程中承受的荷載，N;d(t)為試件在加載過程中隨時(shí)間t變化的跨中撓度，m;d1為蠕變穩(wěn)定期起始點(diǎn)撓度，m;d2為蠕變穩(wěn)定期終止點(diǎn)撓度，m;S1為t1時(shí)刻材料的蠕變勁度模量，MPa;S2為t2時(shí)刻材料的蠕變勁度模量，MPa。

2 試驗(yàn)方案

彎曲蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)采用高低溫彎曲蠕變系統(tǒng)TLD-LZG，進(jìn)行蠕變?cè)囼?yàn)時(shí)利用儀器自帶的環(huán)境箱進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)和控制。本試驗(yàn)分別對(duì)膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青混合料在20℃，10℃，0℃，－10℃，－20℃進(jìn)行彎曲蠕變?cè)囼?yàn)。在不同溫度條件下對(duì)比彎曲蠕變的試驗(yàn)結(jié)果，分析它們的低溫抗裂性能?？刂萍虞d速率為50 mm/min，取彎曲試驗(yàn)得到的破壞力的10%作為彎曲蠕變?cè)囼?yàn)的荷載，保持荷載不變測(cè)定小梁跨中撓度隨時(shí)間的變化。

試驗(yàn)過程:將需要進(jìn)行彎曲蠕變?cè)囼?yàn)的試件在環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行恒溫1 h，使其試件內(nèi)部達(dá)到試驗(yàn)要求的溫度。然后對(duì)稱安放在儀器支座上，試件上下方向應(yīng)與試件成型時(shí)方向一致。在軟件中設(shè)置荷載為破壞荷載的10%，加載速率為50 mm/min，其余參數(shù)歸零。開始試驗(yàn)，觀察荷載變化過程及跨中撓度曲線，直到變形進(jìn)入直線穩(wěn)定發(fā)展的時(shí)間不少于0.5 h，高溫實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于蠕變時(shí)間較短，可以在試件斷裂時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

SBS改性瀝青混合料AC-16的彎曲蠕變數(shù)據(jù)整理后，結(jié)合式(1)可以計(jì)算試件的彎拉應(yīng)力，結(jié)合式(2)可以計(jì)算試件的彎拉應(yīng)變，結(jié)合式(3)可以計(jì)算試件的彎曲勁度模量，結(jié)合式(4)可以計(jì)算試件的蠕變?nèi)岫葯M量，結(jié)合式(5)可以計(jì)算試件的彎曲蠕變速率，將結(jié)果匯總后可得表1。

對(duì)膠粉改性瀝青混合料AC-16的彎曲蠕變數(shù)據(jù)整理后，結(jié)合式(1)～式(5)進(jìn)行計(jì)算對(duì)得到數(shù)據(jù)進(jìn)行列表，得到表2。

SBS改性瀝青混合料勁度模量 S1，S2隨溫度變化如圖2所示。

膠粉改性瀝青混合料勁度模量S1，S2隨溫度變化如圖3所示。

表1 SBS改性瀝青混合料AC-16彎曲蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)

表2 膠粉改性瀝青混合料AC-16彎曲蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)

圖2 SBS改性瀝青混合料AC-16面層勁度模量隨溫度變化曲線

圖3 膠粉改性瀝青混合料AC-16上面層勁度模量隨溫度變化曲線

由圖2和圖3可以明顯的看到兩種混合料各自的S1，S2均隨溫度的降低而增加，在0℃時(shí)二者的勁度模量出現(xiàn)轉(zhuǎn)折后突然劇增，溫度越低S1，S2的差值越大。對(duì)圖2和圖3綜合對(duì)比分析，我們可以得到如下結(jié)論:1)圖2，圖3中兩種材料的勁度模量均隨著溫度的降低而增加，這是因?yàn)闇囟冉档蜑r青混合料的勁度模量變大，能承擔(dān)較大的應(yīng)力，但是應(yīng)變很小，材料性質(zhì)接近彈性材料。2)在0℃以下，圖2，圖3中兩種材料的勁度模量急劇增加，主要是由于膠粉改性瀝青混合料的勁度模量隨溫度的降低而增加。這可以解釋溫度裂縫為什么總是發(fā)生在低溫寒冷季節(jié)，主要是低溫勁度模量增大，變形能力差，荷載加上去后容易發(fā)生脆性破壞。而溫縮裂縫主要發(fā)生在短時(shí)間內(nèi)溫度驟降的寒冷地區(qū)，這種氣溫導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)溫差較大，低溫時(shí)材料的勁度模量變大，導(dǎo)致材料的應(yīng)力松弛能力較差，所以當(dāng)溫度應(yīng)力超過材料的極限抗拉強(qiáng)度后，溫縮裂縫便產(chǎn)生了。3)S1是t1時(shí)刻材料的蠕變勁度模量，S2是t2時(shí)刻材料的蠕變勁度模量。圖2，圖3中相同溫度下同種材料的S1要大于S2，S2之所以小于S1是因?yàn)榻?jīng)過一段時(shí)間后小梁發(fā)生了蠕變，勁度模量變小，應(yīng)力沒變的情況下應(yīng)變量變大。高溫時(shí)S1和S2都很小，造成撓度增加的很快，使應(yīng)變量增加的很快，促使勁度模量下降的比例很大，幾乎下降到原來勁度模量的一半。低溫時(shí)材料的S1，S2都很大，所以勁度模量下降的百分比不大。但是低溫勁度模量下降的數(shù)值較大，主要是因?yàn)榈蜏貞?yīng)力較大，在應(yīng)變?cè)黾恿坎淮蟮那闆r下，勁度模量差量下降的也很大。4)分析兩種混合料在相同溫度下S1，S2差值的變化趨勢(shì)，令ΔS=S1－S2為勁度模量差值，SBS改性瀝青混合料AC-16的ΔS值隨著溫度的降低差值變大，但是在－20℃時(shí)ΔS又開始變小，這說明在低溫時(shí)SBS改性瀝青混合料AC-16的勁度模量在－20℃低溫時(shí)隨時(shí)間的變化不大。膠粉改性瀝青混合料AC-16的ΔS在低溫時(shí)差值不斷變大，這充分說明膠粉改性瀝青混合料AC-16在低溫狀態(tài)下勁度隨時(shí)間變化更明顯，有較強(qiáng)的低溫應(yīng)力松弛能力。

SBS、膠粉改性瀝青混合料勁度模量S2隨溫度變化對(duì)比圖，如圖4所示。由圖4可以看出在20℃下，膠粉改性瀝青混合料AC-16的勁度模量比SBS改性瀝青混合料AC-16大1.661 MPa，10℃溫度下兩者相差不大，可以認(rèn)為是個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在10℃～－20℃溫區(qū)內(nèi)，SBS改性瀝青混合料AC-16的勁度模量比膠粉改性瀝青混合料AC-16的勁度模量大了，隨著溫度降低兩者差值變得越來越大，差值從0℃的24.368 MPa增加到 －20℃的507.424 MPa。同時(shí)可以看出膠粉改性瀝青混合料AC-16的勁度模量在－10℃時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，而SBS改性瀝青混合料AC-16的勁度模量繼續(xù)增加，這充分說明SBS改性瀝青混合料AC-16的感溫性較強(qiáng)，材料力學(xué)性能受溫度影響較大，容易在低溫時(shí)開裂。

SBS、膠粉改性瀝青混合料撓度—時(shí)間斜率隨溫度變化如圖5所示。結(jié)合圖4和圖5可以看出:1)兩種改性瀝青混合料的撓度—時(shí)間斜率隨溫度的降低而降低，原因是低溫時(shí)材料勁度模量變大，試件的撓度的增量隨溫度的降低而降低，造成材料的蠕變量很小。2)在20℃溫度時(shí)SBS改性瀝青混合料AC-16的撓度—時(shí)間速率更大一些，在10℃及其以下溫度情況下膠粉改性瀝青混合料AC-16的撓度—時(shí)間速率更大一些。高溫時(shí)瀝青材料體現(xiàn)粘塑性，抗變形能力差，容易產(chǎn)生車轍。低溫時(shí)體現(xiàn)彈塑性，抗變形能力差，容易產(chǎn)生溫度應(yīng)力，產(chǎn)生溫度裂縫。雖然膠粉改性瀝青混合料AC-16的撓度時(shí)間斜率也受溫度的影響，但是沒有SBS那么明顯，說明膠粉改性瀝青混合料具有較低的溫度敏感性。

圖4 兩面層材料的S2勁度模量曲線對(duì)比

圖5 上面層兩種改性瀝青混合料撓度—時(shí)間斜率隨溫度變化圖

SBS、膠粉改性瀝青混合料彎曲蠕變速率隨溫度變化如圖6所示。由圖6可以看出兩種材料的蠕變速率都隨溫度的降低而降低，但是在10℃及其以下溫度時(shí)，膠粉改性瀝青混合料AC-16的蠕變速率高于SBS改性瀝青混合料AC-16的蠕變速率，說明膠粉改性瀝青混合料具有更好的低溫特性。

圖6 上面層兩種改性瀝青的彎曲蠕變速率隨溫度變化圖

我國的溫縮裂縫一般發(fā)生在10℃以下的溫度，車轍一般發(fā)生在25℃以上，所以界定10℃ ～25℃為常溫區(qū)［9］。瀝青混合料的低溫抗裂性和混合料的低溫蠕變速率有密切聯(lián)系，高溫時(shí)的抗變形能力也和高溫時(shí)的蠕變速率有密切聯(lián)系，高溫時(shí)蠕變速率越大，則說明材料在高溫時(shí)變形越大，材料抵抗高溫變形的能力越差，越容易產(chǎn)生車轍、壅包，所以我們希望在夏季高溫時(shí)選用蠕變速率較小的材料做路面材料。在低溫時(shí)蠕變速率越大，低溫時(shí)變形能力越強(qiáng)，減少低溫時(shí)溫度裂縫的產(chǎn)生。所以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以優(yōu)先選擇膠粉改性瀝青混合料作為寒冷地區(qū)的路面材料。

SBS、膠粉改性瀝青混合料彎曲蠕變?nèi)崃侩S溫度變化如圖7所示。通過圖7可以看到，膠粉改性瀝青混合料比SBS改性瀝青混合料更符合我們的要求，主要原因是膠粉改性瀝青加入一定量的膠粉顆粒，橡膠粉是廢舊橡膠輪胎被磨碎的小顆粒，有橡膠的特性，橡膠粉顆粒的感溫性低于瀝青的感溫性，經(jīng)過溶脹后的膠粉顆粒與周圍的基質(zhì)瀝青協(xié)同工作，低溫時(shí)勁度模量大大減小，減少溫度裂縫的產(chǎn)生。

圖7 上面層兩種改性瀝青彎曲蠕變?nèi)崃侩S溫度變化情況

4 結(jié)語

1)相比于SBS改性瀝青混合料，膠粉改性瀝青混合料AC-16在低溫狀態(tài)下勁度隨時(shí)間變化更明顯，有較強(qiáng)的低溫應(yīng)力松弛能力。2)膠粉改性瀝青混合料AC-16的感溫性較弱，材料力學(xué)性能受溫度影響較小，與SBS改性瀝青混合料相比低溫不易開裂，因此可以優(yōu)先選擇膠粉改性瀝青混合料作為寒冷地區(qū)的路面材料。

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