不同類型瀝青混合料的低溫性能評價(jià)分析

劉衛(wèi)斌

(新疆華天工程建設(shè)股份有限公司,新疆烏魯木齊 830011)

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不同類型瀝青混合料的低溫性能評價(jià)分析

劉衛(wèi)斌

(新疆華天工程建設(shè)股份有限公司,新疆烏魯木齊 830011)

摘要:低溫下的瀝青混合料強(qiáng)度較高,但抗變形能力較差,因而其流變特性十分重要。文中基于國內(nèi)外研究成果,通過瀝青混合料低溫彎曲破壞試驗(yàn),以低溫彎曲應(yīng)變能密度作為混合料低溫性能定量分析指標(biāo),對不同類型瀝青混合料的抗低溫性能進(jìn)行分析。研究表明,相同基質(zhì)瀝青含量下,隨著PR、AC-16摻量的增加,彎曲應(yīng)變能密度逐漸增加;LSAM-25的低溫動(dòng)態(tài)模量大于Superpave25和ATB-25;LSAM-25的彎曲應(yīng)變能密度最大,抗低溫性能最好。

關(guān)鍵詞:公路;瀝青混合料;低溫性能;彎曲應(yīng)變能密度

瀝青混合料作為一種粘彈性材料,具有較好的蠕變特性和松弛特性。在現(xiàn)場直接測量瀝青路面的松弛模量很難實(shí)現(xiàn),而蠕變模量雖可通過試驗(yàn)測得,但測量時(shí)間較長,試驗(yàn)中很難只加載矩形載荷,因而誤差較大。動(dòng)態(tài)模量評價(jià)可準(zhǔn)確反映混合料在交通載荷交替作用和溫度作用下的力學(xué)性能,得出非線性材料的破壞特性。混合料在低溫時(shí)的變形情況類似彈性體,利用動(dòng)態(tài)模量曲線即可得出一定溫度范圍內(nèi)的瀝青混合料力學(xué)性質(zhì)。

大粒徑密級配的瀝青混合料(LSAM)可承載較重的交通負(fù)荷和環(huán)境溫度變化,具有較好的耐久性和抗變形能力,對LSAM的路用性能進(jìn)行研究具有重要意義。該文以瀝青混合料低溫彎曲破壞試驗(yàn)為研究基礎(chǔ),對不同類型瀝青混合料的抗低溫性能及動(dòng)態(tài)模量、低溫彎曲應(yīng)變能密度對瀝青混合料低溫性能的影響進(jìn)行分析,為瀝青混合料低溫性能評價(jià)研究提供參考。

1 低溫彎曲試驗(yàn)研究

低溫狀態(tài)下的瀝青混合料強(qiáng)度較高,其流變特性十分重要。為了避免溫縮裂縫的出現(xiàn),應(yīng)選擇流變特性較好的混合料。低溫性能評價(jià)一般基于小梁彎曲試驗(yàn),采用MTS810試驗(yàn)臺,基質(zhì)瀝青選擇克拉瑪依90#,瀝青混合料選擇AC-16型。試驗(yàn)步驟為:采用馬歇爾擊實(shí)法確定混合料密度,并利用輪碾法制備成型試件;以混合料實(shí)際密度為依據(jù),設(shè)置合理的壓實(shí)次數(shù);將碾壓成型的板狀試件進(jìn)行切割,制備成200 mm×30 mm×35 mm試件;試驗(yàn)溫度取-10℃,試驗(yàn)記載速率為50 mm/min。試件出現(xiàn)彎曲破壞時(shí)的彎拉強(qiáng)度為:

式中:L為試件跨徑;PB為試件臨界載荷;b為試件寬度;h為試件高度。

試件梁底最大拉應(yīng)變?yōu)?

式中:d為跨中撓度。

為提高瀝青混合料的耐久性和使用壽命,除對破壞強(qiáng)度、勁度模量進(jìn)行計(jì)算外,還應(yīng)對應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行評價(jià)。當(dāng)瀝青混合料處于脆性破壞時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)為直線;當(dāng)瀝青混合料處于柔性破壞時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線應(yīng)為曲線。但應(yīng)力-應(yīng)變曲線只能對瀝青混合料的低溫性能作定性分析。

低溫下的瀝青混合料可以看作彈性材料,其破壞過程為能量耗散過程,若瀝青混合料儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能量越多,則低溫抗裂性能越好。根據(jù)材料損傷準(zhǔn)則,損傷過程主要有裂縫的引發(fā)、裂縫的生長及終止生長3個(gè)階段。假設(shè)材料破壞形式與材料的能量狀態(tài)有關(guān),則材料損傷能用應(yīng)變能量密度衡量,其函數(shù)關(guān)系為:

式中:d W/d V為應(yīng)變能量密度函數(shù);σij為應(yīng)力分量;εij為應(yīng)變分量;εo為最大應(yīng)力下的應(yīng)變值。

通過對低溫彎曲試驗(yàn)得出的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析,可求解應(yīng)變能密度,并得到瀝青混合料脆化溫度。瀝青混合料脆化溫度可作為評價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能的主要指標(biāo)。應(yīng)變能量密度函數(shù)可通過低溫彎曲試驗(yàn)測定,因此以低溫彎曲應(yīng)變能密度作為混合料低溫性能定量分析指標(biāo)。低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表1。

從試驗(yàn)結(jié)果來看,相同基質(zhì)瀝青含量下,隨著PR、AC-16摻量的增加,彎曲應(yīng)變能密度逐漸增加。對于不同的改性劑,其彎曲應(yīng)變能密度并無明顯規(guī)律,但不同試驗(yàn)對象的值差距很大。不同材料彎曲破壞應(yīng)變對比見圖1。

表1 低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖1 彎曲破壞應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果

2 低溫彎曲應(yīng)變能密度評價(jià)

采用低溫彎曲試驗(yàn),對LSAM-25瀝青混合料的低溫性能進(jìn)行研究。以Superpave25、ATB-25作為對比材料。3種混合料的級配曲線見圖2。

圖2 3種瀝青混合料的級配曲線

按照設(shè)計(jì)手冊確定瀝青最佳用量,并根據(jù)級配情況制備成型試件,每種材料制備2個(gè)試件。3種瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見表2。

ATB-25和Superpave25相比,其礦料間隙率、有效瀝青飽和度均高些。因此,ATB-25常作為柔性基層使用。低溫彎曲試驗(yàn)得到的彎曲應(yīng)變能密度、動(dòng)態(tài)模量見表3。

由表3可知:LSAM-25的低溫動(dòng)態(tài)模量大于Superpave25和ATB-25,Superpave25的低溫各頻率動(dòng)態(tài)模量最小;LSAM-25的彎曲應(yīng)變能密度最大,說明其性能最好。

表2 3種瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果

表3 3種瀝青混合料的彎曲應(yīng)變能密度和動(dòng)態(tài)模量

由于LSAM的配合比設(shè)計(jì)采用主骨料空隙填充法,LSAM-25在-10℃的低溫性能最好。這種配合比設(shè)計(jì)法可充分利用粗骨料的嵌擠能力,將細(xì)集料、礦粉、瀝青等填充到主骨料空隙中。ATB -25中的壓實(shí)能量指數(shù)較大,材料雖然不易產(chǎn)生離析,但可壓性較差,嵌擠密實(shí)度不夠,其低溫性能低于LSAM-25。Superpave25混合料中集料主要為5～10 mm碎石,其擠密實(shí)度最差,低溫性能最差。

使用改性瀝青SBS后,瀝青混合料的抗低溫性能增加。從試驗(yàn)結(jié)果來看,使用改性瀝青SBS的Superpave25混合料的低溫性能最好,LSAM-25混合料居中,ATB-25混合料最差。這是由于改性瀝青增加了膠結(jié)能力,Superpave25混合料瀝青含量最高,表現(xiàn)出較好的低溫性能。LSAM-25和ATB-25的瀝青含量相同,由于LSAM-25的嵌擠密實(shí)度高于ATB-25,使用改性瀝青SBS后的低溫性能也優(yōu)于ATB-25。

但只提高瀝青含量并不能完全改善瀝青混合料的低溫性能,在PG58-22工況中,Superpave25的瀝青含量雖然是4.1%,但其低溫性能最差。瀝青含量增加,混合料的松弛性增加,同時(shí)收縮性也增強(qiáng),如果兩者相互抵消,則提高瀝青含量并不能改善瀝青混合料的低溫性能。使用改性瀝青SBS后,Superpave25的收縮性增加,低溫性能得到改善。

3 結(jié)語

動(dòng)態(tài)模量評價(jià)可準(zhǔn)確反映混合料在交通載荷交替作用和溫度作用下的力學(xué)性能,得出非線性材料的破壞特性。該文以瀝青混合料低溫彎曲破壞試驗(yàn)為研究基礎(chǔ),對不同類型瀝青混合料的抗低溫性能進(jìn)行分析,結(jié)果表明LSAM-25的低溫動(dòng)態(tài)模量大于Superpave25和ATB-25,其彎曲應(yīng)變能密度最大,說明其性能最好;只提高瀝青含量并不能完全改善瀝青混合料的低溫性能。

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收稿日期:2015-09-25

中圖分類號:U 416.217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0098-03