多年凍土區(qū)溫度對瀝青混合料力學(xué)特性的影響

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(中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司 西北分公司， 陜西 西安 710075)

多年凍土區(qū)溫度對瀝青混合料力學(xué)特性的影響

冀鵬，薛小剛

(中國民航機(jī)場建設(shè)集團(tuán)公司 西北分公司， 陜西 西安 710075)

我國多年凍土地區(qū)主要分布于青藏高原和大小興安嶺地區(qū)，青藏公路自通車以來，由于當(dāng)?shù)睾０胃摺⑻栒丈鋸?qiáng)烈、晝夜溫差大等原因，瀝青路面經(jīng)常發(fā)生低溫收縮開裂病害。為研究溫度對瀝青混合料彎拉特性、抗壓特性及劈裂特性的影響，分別對3種不同的瀝青混合料進(jìn)行彎拉試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)，研究表明：-10 ℃是3種瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度與溫度關(guān)系曲線的變坡點(diǎn)，最大彎拉應(yīng)變均隨溫度的升高而增大且變化率較大，彎曲勁度模量均隨溫度的升高而減小。多年凍土地區(qū)瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)需嚴(yán)格控制-10℃下瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變，有必要對強(qiáng)度與模量參數(shù)取值進(jìn)行修正。

瀝青混合料; 凍土區(qū)； 彎拉特性; 抗壓特性; 劈裂特性

0 引言

多年凍土地區(qū)海拔高、溫差大、日照強(qiáng)烈，瀝青面層溫度隨氣溫波動(dòng)性較大，瀝青混合料結(jié)構(gòu)在環(huán)境與行車荷載共同作用下的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)隨之發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致瀝青路面較早出現(xiàn)車轍、縱橫向開裂等病害，且車轍深度深、縱向分布遠(yuǎn)，裂縫的寬度與長度均較大，路面的使用性能較差，使用壽命較短，與設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生差異較大[1]。

目前，研究學(xué)者對瀝青混合料的低溫開裂特性已開展了大量研究，葛折圣、黃曉明、許國光等運(yùn)用灰關(guān)聯(lián)方法結(jié)合瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、油石比及瀝青針入度等指標(biāo)分析了瀝青混合料應(yīng)變能密度臨界值的影響程度，研究表明，其低溫抗裂性能隨著瀝青混合料儲存的彈性應(yīng)變能的增加而增強(qiáng)[2]。姚愛玲、張西玲等分別運(yùn)用“側(cè)面法”與“頂面法”測定了瀝青混合料的抗壓回彈模量，研究表明，當(dāng)單位壓力為0.7 MPa時(shí)，“側(cè)面法”得到的回彈模量比“頂面法”得到的回彈模量更接近部頒的規(guī)范推薦值，同時(shí)根據(jù)不同溫度下瀝青混合料的回彈模量建立了回彈模量與溫度之間的關(guān)系[3]。彭勇、孫立軍等通過室內(nèi)劈裂試驗(yàn)得出：常溫下，瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度隨著級配變粗而增大；低溫下，瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度和破壞勁度模量隨著油石比增大而增大，破壞拉伸應(yīng)變隨著油石比增大而減小[4]。

既有研究對瀝青混合料在一般條件下的溫度響應(yīng)展開了大量探討，但關(guān)于多年凍土地區(qū)特殊溫度條件下瀝青路面材料的參數(shù)變化情況等材料行為響應(yīng)的研究相對較少。本文通過瀝青混合料彎拉試驗(yàn)、單軸抗壓試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)，研究了多年凍土地區(qū)瀝青路面材料在不同溫度條件下的強(qiáng)度、應(yīng)變及模量參數(shù)的變化情況，為瀝青路面設(shè)計(jì)提供較為可靠的材料參數(shù)依據(jù)[5,6]。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用多年凍土地區(qū)常用的2種瀝青，SBR成品改性瀝青和130#道路石油瀝青，具體的技術(shù)指標(biāo)見表1。集料取自青藏公路沿線料場，以石灰?guī)r為主，填料為石灰?guī)r礦粉。

試驗(yàn)瀝青混合料采用AC — 13、AC — 16這2種級配，集料級配取《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50 — 2006)推薦的范圍中值，具體組成見圖1。

1.2 試驗(yàn)方法

考慮多年凍土地區(qū)特殊溫度環(huán)境影響的前提下，結(jié)合青藏公路交通狀況及施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[5]，用馬歇爾方法確定了SBR — AC — 16和SBR — AC — 13瀝青混合料的最佳油石比為6.4%，130#— AC — 16瀝青混合料的最佳油石比為6.0%。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果瀝青原樣針入度/(01mm)15℃25℃35℃針入度指數(shù)PI軟化點(diǎn)(R&B)/℃延度(5℃)/cm彈性恢復(fù)(25℃)/mmRTOFT老化后質(zhì)量變化/%殘留針入度比/%15℃25℃30℃軟化點(diǎn)(R&B)/℃SBR改性瀝青51．0123．1173．80．847．6>15029-0．7165．358．153．858．6(>100)(≥-1．0)(≥45)(>100)(≤1．0)(≥50)130#瀝青55．0136．7195．80．544．5>10027．5-0．1366．453．945．258．6(120～140)(-1．5～1．0)(≥40)(≥50)(≤5．8且≥-5．8)(≥50) 注：括號內(nèi)為對應(yīng)的要求值。

圖1 集料級配組成

本研究采用《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20 — 2011)分別進(jìn)行瀝青混合料彎曲試驗(yàn)，相應(yīng)的試驗(yàn)溫度為：-20、-10、0、15和20 ℃；單軸壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度為：-10、0、15、20、45和60 ℃；劈裂試驗(yàn)的加載速度為1 mm/min時(shí)的試驗(yàn)溫度為：-20、-10和0 ℃，加載速度為50 mm/min時(shí)的試驗(yàn)溫度為：0、15、20、45和60 ℃。

2 強(qiáng)度參數(shù)分析

SBR — AC — 16、SBR — AC — 13和130#— AC — 16瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系見圖2。

圖2 瀝青混合料強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

由圖2a可知: 當(dāng)溫度低于-10 ℃時(shí)，3種瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度均隨著溫度的升高而增大；溫度高于-10 ℃時(shí)，隨著溫度的升高瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度減小，且減小幅度較大，3種瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線呈凸拋物線形，溫度約為-10 ℃時(shí)對應(yīng)的抗彎拉強(qiáng)度最大。

瀝青混合料包括礦料和瀝青，礦料作為集料呈現(xiàn)塑性，瀝青在低溫下表現(xiàn)彈性性質(zhì)，高溫下主要表現(xiàn)粘性性質(zhì)，因此瀝青混合料是一種粘彈塑性的綜合材料，受熱膨脹受冷收縮，不同溫度下的破壞形式不同，在加載速度較小或溫度較高時(shí)呈柔性破壞，加載速度較大或溫度較低時(shí)呈脆性破壞。本試驗(yàn)溫度較低，由圖2a可以看出3種瀝青混合料均在溫度為-10 ℃時(shí)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，-10 ℃是抗彎拉強(qiáng)度的關(guān)鍵溫度，由于多年凍土地區(qū)主要發(fā)生低溫開裂病害，瀝青混合料的低溫抗裂性能尤其重要，因此在檢驗(yàn)材料的低溫抗裂性能時(shí)應(yīng)重視-10 ℃下的瀝青混合料抗彎拉強(qiáng)度。

如圖2b所示，3種瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度均隨溫度的升高而降低，同為SBR改性瀝青，AC — 16級配的瀝青混合料抗壓強(qiáng)度受溫度的影響比AC — 13的大，同為AC — 16的瀝青混合料，SBR改性瀝青混合料抗壓強(qiáng)度受溫度的影響比130#道路石油瀝青混合料的大。低溫時(shí)混合料抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化較快，在多年凍土地區(qū)特殊的氣溫條件下，為防止瀝青路面產(chǎn)生收縮裂縫，應(yīng)選擇合適的級配與瀝青使混合料具有較高的應(yīng)變性能。

由圖2c可知，3種瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線相似，同一加載速度下劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度的升高而降低?；?種瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化趨勢及試驗(yàn)加載速度，曲線可以劃分為3部分(溫度低于0 ℃、在0～20 ℃之間和高于20 ℃)分析。當(dāng)溫度低于0 ℃加載速度為1 mm/min時(shí)，瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高而減小；溫度在-10 ℃～20 ℃之間加載速度為50 mm/min時(shí)，瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高而急劇減小，這是因?yàn)榇藭r(shí)瀝青混合料處于由彈性體向粘彈性體過渡的狀態(tài)。當(dāng)溫度高于20 ℃后，瀝青混合料的粘性和塑性表現(xiàn)明顯，劈裂抗拉強(qiáng)度的減小幅度減緩。

劈裂試驗(yàn)較小梁彎曲試驗(yàn)操作簡單且得出的結(jié)果更接近路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，已有資料表明，瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗彎拉強(qiáng)度具有一定的相關(guān)關(guān)系，因此建議以劈裂抗拉強(qiáng)度代替試件的彎拉強(qiáng)度[7]。

3 應(yīng)變分析

SBR — AC — 16、SBR — AC — 13和130#— AC — 16混合料的最大彎拉應(yīng)變、破壞拉伸應(yīng)變與溫度的關(guān)系圖見圖3，3種混合料的最大彎拉應(yīng)變與溫度的變化率見表2，破壞拉伸應(yīng)變與溫度的變化率見表3。

由圖3a可知，3種瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變均隨著溫度的升高而增大，結(jié)合表2，當(dāng)溫度低于-10 ℃時(shí)，3種瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變與溫度的變化率都較小，均小于100με/℃，關(guān)系曲線較平緩；溫度高于-10 ℃時(shí)，3種瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變與溫度的變化率均較大，130#瀝青AC — 16混合料在15～20 ℃間的變化率達(dá)到1580.18με/℃。溫度低于-10 ℃時(shí)，瀝青混合料接近彈性體，其最大彎拉應(yīng)受溫度影響較??；當(dāng)溫度高于-10 ℃后，瀝青混合料性質(zhì)表現(xiàn)出粘彈性，隨著溫度升高，瀝青的流變性增強(qiáng)，瀝青混合料逐漸呈粘塑性狀態(tài)[8]，其最大彎拉應(yīng)變隨溫度的上升劇增。

圖3 瀝青混合料應(yīng)變與溫度的關(guān)系

表2 瀝青混合料最大彎拉應(yīng)變與溫度的變化率溫度區(qū)間/℃SBR改性AC—16/℃-1SBR改性AC—13/℃-1130#瀝青AC—16/℃-1-20～-109107με8573με2209με-10～0 56101με46155με48222με0～1526493με2976με58977με15～20137538με92872με158018με

表3 瀝青混合料破壞拉伸應(yīng)變與溫度的變化率溫度區(qū)間/℃SBR改性AC—16/℃-1SBR改性AC—13/℃-1130#瀝青AC—16/℃-1-20～-102521με8292με4527με-10～09532με5553με6908με0～154475με8693με5928με15～2012640με6637με6429με20～4525952με24348με33721με45～6039882με58247με32272με

由圖3b可知，3種瀝青混合料的破壞拉伸應(yīng)變隨溫度的升高增大，結(jié)合表3，溫度低于20 ℃時(shí)，3種瀝青混合料的破壞拉伸應(yīng)變與溫度的變化率較小，均不超過126.40με/℃；當(dāng)溫度高于20 ℃時(shí)，破壞拉伸應(yīng)變與溫度的變化率較大，都在200με/℃以上，20℃前后瀝青混合料破壞拉伸應(yīng)變與溫度的變化率差別較大。

對比2種應(yīng)變與溫度的變化率可知，破壞拉伸應(yīng)變與溫度的變化率較小，變化較慢，而最大彎拉應(yīng)變與溫度的變化率較大，其值增加較快，特別是130#— AC — 16，遞增現(xiàn)象明顯。因此采用-10 ℃下的最大彎拉應(yīng)變作為瀝青混合料低溫性能的重要指標(biāo)較為合理。

4 模量參數(shù)分析

SBR改性AC — 16、SBR改性AC — 13和130#道路石油瀝青AC — 16混合料的彎曲勁度模量、抗壓回彈模量和破壞勁度模量與溫度的關(guān)系見圖4，3種瀝青混合料彎曲勁度模量與溫度的變化率見表4，抗壓回彈模量與溫度的變化率見表5，破壞勁度模量與溫度的變化率見表6。

圖4 瀝青混合料模量與溫度的關(guān)系

表4 瀝青混合料彎曲勁度模量與溫度的變化率溫度區(qū)間/℃SBR改性AC—16/(MPa·℃-1)SBR改性AC—13/(MPa·℃-1)130#瀝青AC—16/(MPa·℃-1)-20～-109711197474335-10～03043135916476020～1544096415530715～20229520421344

表5 瀝青混合料抗壓回彈模量與溫度的變化率溫度區(qū)間/℃SBR改性AC—16/(MPa·℃-1)SBR改性AC—13/(MPa·℃-1)130#瀝青AC—16/(MPa·℃-1)-10～03556337677368460～151100510777662815～2013434437283420～4520611434105345～601008402791

表6 瀝青混合料破壞勁度模量與溫度的變化率溫度區(qū)間/℃SBR改性AC—16/(MPa·℃-1)SBR改性AC—13/(MPa·℃-1)130#瀝青AC—16/(MPa·℃-1)-20～-10565042362562-10～01644255315610～1540722493196415～206231135125720～4546740647945～60201213102

由圖4a可知: 3種瀝青混合料彎曲勁度模量均隨著溫度的升高而減小，其中AC — 16級配的瀝青混合料呈反S形減小，根據(jù)表4將其劃分為3部分(溫度低于-10 ℃，-10～0 ℃，溫度高于0℃)進(jìn)行分析。溫度低于-10 ℃時(shí)，瀝青混合料彎曲勁度模量與溫度的變化率較小，此時(shí)的瀝青混合料近似呈彈性體，其性質(zhì)受溫度影響較??；溫度在-10～0 ℃之間時(shí)，曲勁度模量與溫度的變化率較大，此時(shí)瀝青的性狀由彈性向粘彈性轉(zhuǎn)變，瀝青混合料的性質(zhì)變化較大，致使瀝青混合料彎曲勁度模量減小較快；溫度高于0 ℃時(shí)，彎曲勁度模量與溫度的變化率較小，此時(shí)瀝青呈粘塑性體模量較小，因此彎曲勁度模量變化變緩。

由圖4b可知: 3種瀝青混合料抗壓回彈模量隨著溫度的上升而減小，結(jié)合表5，溫度低于20 ℃時(shí)，瀝青混合料抗壓回彈模量與溫度的變化率較大；當(dāng)溫度高于20 ℃時(shí)，抗壓回彈模量與溫度的變化率變小，均在50 MPa/℃以下。這主要是因?yàn)殡S著溫度的升高，瀝青由彈性體向粘彈性體轉(zhuǎn)化[9]，引起瀝青混合料抗壓回彈模量隨著溫度的升高逐漸減小。對于多年凍土地區(qū)，年平均溫度較低，若采用全國統(tǒng)一測定的路面溫度為15 ℃或20 ℃下的回彈模量，則與多年凍土地區(qū)的實(shí)際情況相差較大。

由圖4c可知相同加載速度下的破壞勁度模量隨溫度升高而減小，結(jié)合表6，當(dāng)溫度低于15 ℃時(shí)，瀝青混合料破壞勁度模量與溫度的變化率較大，當(dāng)溫度高于15 ℃時(shí)，破壞勁度模量與溫度的變化率較小，130#瀝青AC — 16混合料在45～60 ℃間的變化率只有1.02 MPa/℃。

5 結(jié)論

1) 多年凍土地區(qū)瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)需嚴(yán)格控制-10 ℃下瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變，有必要對強(qiáng)度與模量參數(shù)取值進(jìn)行修正。

2) 在-10～20 ℃之間時(shí)，SBR — AC — 16、SBR — AC — 13和130#瀝青混合料的3種強(qiáng)度曲線變化規(guī)律相似，均隨著溫度的升高而減小。小梁的彎曲試驗(yàn)較劈裂試驗(yàn)操作復(fù)雜，且其試驗(yàn)結(jié)果不如劈裂試驗(yàn)接近路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，建議以劈裂抗拉強(qiáng)度代替試件的彎拉強(qiáng)度。

3) 多年凍土地區(qū)在進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)，建議根據(jù)本研究得到的回彈模量曲線修正回彈模量的取值。

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A

2016-12-14

冀 鵬(1972-)，男，高級工程師，研究方向： 機(jī)場場道工程。