高模量瀝青低溫抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)

耿 韓， 李立寒， 張 磊， BAHIA Hussain U(1.上海海事大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院， 上海 0106；.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 0180；.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150090；.威斯康星大學(xué)麥迪遜分校 土木與環(huán)境工程系， 威斯康星 麥迪遜 5706)

高模量瀝青是高模量瀝青混合料的重要組成材料，一般指使用性能分級(jí)達(dá)到PG76～PG16，60℃剪切復(fù)數(shù)模量不低于10kPa的道路瀝青結(jié)合料[1].高模量瀝青一般可分為3類：高分子聚烯烴改性瀝青、巖瀝青改性瀝青、硬質(zhì)瀝青[2].低溫抗裂性能是影響高模量瀝青推廣應(yīng)用的核心問題之一.

國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者針對(duì)高模量瀝青材料的低溫抗裂性能進(jìn)行了研究.杜少文[3]研究表明：布敦巖瀝青的加入可以增加基質(zhì)瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變，提高其低溫抗裂性能.劉云全等[1,4]研究表明：在路面低溫設(shè)計(jì)溫度為-23.5℃的條件下，高分子聚烯烴改性高模量瀝青上面層與SBS改性瀝青上面層的低溫橫向裂縫沒有顯著差異.程箭等[5]研究表明：硬質(zhì)瀝青延度與硬質(zhì)瀝青混合料低溫性能無(wú)直接相關(guān)性，30號(hào)硬質(zhì)瀝青混合料用于年極端最低氣溫不低于-37.0℃的非冬嚴(yán)寒區(qū)瀝青路面表面層是可行的.一般而言，高模量瀝青延度較低、低溫蠕變勁度較高，以這2項(xiàng)指標(biāo)表征的低溫抗裂性能不及SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，而這與高模量瀝青鋪面在中國(guó)冬寒區(qū)的實(shí)際應(yīng)用效果不符[5-6].因此，采用延度指標(biāo)、Superpave使用性能評(píng)價(jià)指標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高模量瀝青的低溫抗裂性能.

為此，本文選取彎曲蠕變勁度試驗(yàn)、單邊切口彎曲梁試驗(yàn)，對(duì)比研究了蠕變勁度、斷裂韌度、斷裂能等指標(biāo)用于評(píng)價(jià)高模量瀝青低溫抗裂性能的適用性，以期得出合理、能夠反映高模量瀝青低溫抗裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

除A-30硬質(zhì)瀝青外，本文選擇1種基質(zhì)瀝青(A-70)、3種高模量改性劑(Baoli，PRM，Gilsonite)、1種線性SBS改性劑進(jìn)行改性瀝青配制.A-70基質(zhì)瀝青的使用性能分級(jí)為PG64～PG22；Baoli，PRM為產(chǎn)自中國(guó)、法國(guó)的聚烯烴類改性粒子；Gilsonite為北美巖瀝青.進(jìn)行Baoli，PRM高模量瀝青配制時(shí)，采用高速剪切機(jī)使改性劑逐漸變細(xì)，而后采用拌和設(shè)備充分?jǐn)嚢?，直至改性劑充分溶于基質(zhì)瀝青.進(jìn)行Gilsonite巖瀝青改性瀝青配制時(shí)，先使巖瀝青通過(guò)0.075mm 孔徑篩，而后直接采用攪拌機(jī)拌和，直至其充分溶于基質(zhì)瀝青.改性劑均為外摻，其摻量(改性劑質(zhì)量與基質(zhì)瀝青質(zhì)量的百分比，下同)按照工程實(shí)踐中的推薦摻量選取，Baoli，PRM，Gilsonite的摻量分別為9.0%，9.0%，10.0%，對(duì)應(yīng)的高溫性能分級(jí)分別為PG94，PG94，PG76；SBS的摻量分別為4.0%(推薦摻量)，13.5%(PG 94對(duì)應(yīng)的摻量).瀝青的高溫性能分級(jí)、60℃復(fù)數(shù)剪切模量G*見表1.

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical requirements of asphalt binders

石料為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r礦粉.混合料采用Superpave-19.0型級(jí)配，級(jí)配組成見表2.制備混合料時(shí)，外摻劑采用濕法投放，設(shè)計(jì)瀝青用量為5.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》用輪碾儀將瀝青混合料制成30cm×30cm ×5cm的車轍板，再切制成規(guī)定尺寸的小梁試件.

表2 瀝青混合料合成級(jí)配組成Table 2 Gradation of asphalt mixtures

1.2 瀝青彎曲蠕變勁度試驗(yàn)

彎曲蠕變勁度試驗(yàn)(BBR)按照J(rèn)TG E20—2011進(jìn)行，試件尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為127.00mm×6.35mm×12.70mm，試驗(yàn)溫度為0，-6，-12℃.試驗(yàn)時(shí)，對(duì)梁施加0.980N的荷載240s，用位移傳感器測(cè)量其撓度；240s后卸去荷載.評(píng)價(jià)指標(biāo)為加載時(shí)間60s的蠕變勁度和雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的蠕變斜率.二者分別采用式(1)，(2)進(jìn)行計(jì)算[7].在Superpave膠結(jié)料規(guī)范中，較小的蠕變勁度(S值)和較大的蠕變斜率(m值)表征較優(yōu)的低溫抗裂性能，以S≤300MPa，m≥0.300作為低溫使用性能的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[8].

S(t)=PL3/4bh3δ(t)

(1)

(2)

式中：S(t)為t時(shí)刻的蠕變勁度，Pa；m(t)為t時(shí)刻蠕變斜率的絕對(duì)值；P為施加的荷載，N；L為梁支撐間距，0.102m；b為梁寬度，m；h為梁高度，m；δ(t) 為t時(shí)刻梁的撓度，m.

1.3 瀝青單邊切口彎曲梁試驗(yàn)

1.3.1試件制作

單邊切口彎曲梁(SENB)試驗(yàn)采用改造后的BBR模具成型瀝青梁.首先，在模具中點(diǎn)沿高度方向切出3.0mm深、0.1mm寬的縫隙；然后，將2片厚度均為0.05mm的塑料板置于縫隙當(dāng)中；最后，在模具中澆筑瀝青材料，冷卻脫模后，即可進(jìn)行試驗(yàn).脫模后2片塑料片不再取出，起到防止切縫兩側(cè)瀝青粘連的作用.

1.3.2試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

單邊切口彎曲梁試驗(yàn)參照ASTM E399進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-12℃，加載速率為0.01mm/s.圖1，2為試驗(yàn)及加載曲線示意圖.評(píng)價(jià)指標(biāo)為斷裂荷載Pf，N；斷裂撓度Df，mm；斷裂韌度KIC，N/m3/2；斷裂能Gf，J/m2.斷裂韌度、斷裂能分別采用式(3)，(4)進(jìn)行計(jì)算[9-10].公式中的瀝青梁尺寸、支撐間距與BBR試驗(yàn)相同.

(3)

(4)

式中：f(a/h)為與裂縫深度a、梁高度h相關(guān)的常數(shù)，文中取為1.292；Wf為試件斷裂之前荷載所做的功，即圖2中加載曲線下的陰影面積，J.

圖1 單邊切口彎曲梁試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic of single-edge notch bending test

圖2 單邊切口彎曲梁試驗(yàn)加載曲線Fig.2 Force-displacement curve of single-edge notch bending test

1.4 瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗(yàn)

低溫彎曲試驗(yàn)按照J(rèn)TG E20—2011進(jìn)行.利用材料試驗(yàn)機(jī)(MTS810)進(jìn)行試驗(yàn)，小梁試件尺寸為50mm×50mm×250mm，跨徑為200mm，試驗(yàn)溫度為-10℃，加載速率為50mm/min.評(píng)價(jià)指標(biāo)為彎拉強(qiáng)度、極限彎拉應(yīng)變和臨界彎曲應(yīng)變能.其中，臨界彎曲應(yīng)變能為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下方、低于峰值應(yīng)力一側(cè)的面積，數(shù)值越大，混合料抗裂性能越好[11].

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 彎曲蠕變勁度試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1蠕變勁度與蠕變斜率

瀝青的蠕變勁度和蠕變斜率試驗(yàn)結(jié)果見圖3.如圖3(a) 所示，高模量瀝青的蠕變勁度顯著高于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，其蠕變勁度由高到低的排序?yàn)椋篏ilsonite巖瀝青改性瀝青、A-30硬質(zhì)瀝青、聚烯烴(Baoli，PRM)改性瀝青.如圖3(b)所示，高模量瀝青的蠕變斜率(m值)顯著低于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，其m值由高到低的排序同樣為：Gilsonite巖瀝青改性瀝青、A-30硬質(zhì)瀝青、聚烯烴改性瀝青.試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：當(dāng)路面溫度降低導(dǎo)致相同的收縮應(yīng)變時(shí)，高模量瀝青所承受的溫度應(yīng)力較高、應(yīng)力松弛能力較差.若以蠕變勁度和蠕變斜率進(jìn)行評(píng)價(jià)，則高模量瀝青的低溫抗裂性能不及SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青.

圖3 瀝青蠕變勁度和蠕變斜率Fig.3 Creep stiffness and m value of asphalt binders

2.1.2連續(xù)低溫分級(jí)溫度

圖4為由蠕變勁度、蠕變斜率的低溫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(S=300MPa，m=0.300)計(jì)算得到的瀝青連續(xù)低溫分級(jí)溫度.如圖4所示，由蠕變斜率計(jì)算得到的分級(jí)溫度較高，各類瀝青的連續(xù)低溫分級(jí)溫度由高到低依次為：高模量瀝青、SBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青.3類高模量瀝青的低溫分級(jí)溫度差異不大，均在-17.0～-15.6℃ 之間.試驗(yàn)結(jié)果與高模量瀝青在中國(guó)冬寒區(qū)(極端氣溫-37.0～-21.5℃)的工程實(shí)踐效果不相符[1,4-5]，因此，蠕變勁度和蠕變斜率這2項(xiàng)指標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高模量瀝青的低溫抗裂性能.

2.2 單邊切口彎曲梁試驗(yàn)結(jié)果分析

單邊切口彎曲梁試驗(yàn)結(jié)果見圖5.

如圖5(a)，(b)所示，斷裂荷載Pf排序與斷裂韌度KIC排序一致，Baoli及PRM改性瀝青的斷裂荷載、斷裂韌度均高于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，但Gilsonite巖瀝青改性瀝青、A-30硬質(zhì)瀝青的斷裂荷載低于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青.Baoli，PRM改性瀝青的斷裂荷載為13.5%摻量的SBS改性瀝青的1.4，1.8倍.

圖4 瀝青連續(xù)低溫分級(jí)溫度Fig.4 Continuous low-temperature grading temperatures of asphalt binders

如圖5(c)所示，4種高模量瀝青的斷裂撓度Df均低于13.5%摻量的SBS改性瀝青.

由試驗(yàn)結(jié)果可知，高模量瀝青的斷裂荷載和斷裂韌度較高，但斷裂撓度較低.單以斷裂荷載或斷裂韌度進(jìn)行評(píng)價(jià)，將高估高模量瀝青的低溫抗裂性能.反之，單以斷裂撓度評(píng)價(jià)，將低估高模量瀝青的低溫抗裂性能.斷裂能Gf則綜合考慮了斷裂時(shí)的荷載大小和抗變形能力，可以比較全面地評(píng)價(jià)高模量瀝青材料的低溫抗裂性能.

圖5 單邊切口彎曲梁試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 SENB test results

如圖5(d)所示，以斷裂能進(jìn)行評(píng)價(jià)，Baoli，PRM改性瀝青的低溫抗裂性能優(yōu)于4.0%摻量的SBS改性瀝青；Gilsonite巖瀝青改性瀝青、A-30硬質(zhì)瀝青的低溫抗裂性能不及4.0%摻量的SBS改性瀝青和A-70基質(zhì)瀝青.因此，斷裂能可較好地區(qū)分Baoli, PRM和Gilsonite巖瀝青這3種高模量瀝青低溫抗裂性能的差異.

2.3 低溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)比較分析

圖6給出了蠕變勁度與其他評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)性.如圖6(a)，(b)所示，蠕變勁度S與斷裂韌度KIC,斷裂能Gf無(wú)顯著的相關(guān)性.如圖6(c)，(d)所示，蠕變勁度S與Pf/Df(斷裂荷載與斷裂撓度的比值)呈一定的正相關(guān)性，蠕變勁度S與斷裂撓度Df呈一定的負(fù)相關(guān)性.試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明：蠕變勁度與單邊切口小梁彎曲試驗(yàn)中荷載-撓度曲線斜率的大小正相關(guān)，與斷裂能不顯著相關(guān).在斷裂韌度相近的情況下，蠕變勁度可作為瀝青低溫抗裂性能的間接評(píng)價(jià)指標(biāo).由于文中討論的3種高模量瀝青的斷裂韌度存在較大差異，因此采用蠕變勁度這一指標(biāo)無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)高模量瀝青的低溫抗裂性能.

圖6 低溫抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis between low temperature cracking resistance indicators

2.4 瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證

表3給出了5種Superpave -19.0型瀝青混合料的小梁低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果.由表3可知，各種瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度存在較大差異，對(duì)其低溫抗裂性能的影響不可忽略.因此，文中采用臨界彎曲應(yīng)變能來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，綜合考慮了彎拉應(yīng)變和彎拉強(qiáng)度對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能的影響，臨界彎曲應(yīng)變能較大的瀝青混合料具有較優(yōu)的低溫抗裂性能[11].

表3 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of asphalt mixtures bending test

表3中，5種瀝青混合料的臨界彎曲應(yīng)變能由大到小排序?yàn)椋篜RM改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、A-70基質(zhì)瀝青混合料、Gilsonite巖瀝青改性瀝青混合料、A-30硬質(zhì)瀝青混合料.此低溫性能排序與以斷裂能表征的瀝青低溫抗裂性能排序一致，在一定程度上驗(yàn)證了單邊切口彎曲梁試驗(yàn)的斷裂能指標(biāo)用于評(píng)價(jià)高模量瀝青低溫抗裂性能的可行性.

3 結(jié)論

(1)在斷裂韌度相近的情況下，蠕變勁度與斷裂撓度呈一定的負(fù)相關(guān)性，可作為瀝青低溫抗裂性能的間接評(píng)價(jià)指標(biāo).高模量改性瀝青的斷裂韌度存在較大差異，因此采用蠕變勁度無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其低溫抗裂性能.

(2)單邊切口彎曲梁試驗(yàn)的斷裂能對(duì)于高模量瀝青的低溫抗裂性能有較好的區(qū)分度，以其確定的瀝青低溫抗裂性能排序與以臨界彎曲應(yīng)變能確定的瀝青混合料低溫抗裂性能排序一致，建議以單邊切口彎曲梁試驗(yàn)的斷裂能作為高模量瀝青的低溫抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo).

(3)在工程應(yīng)用的推薦摻量下，以斷裂能進(jìn)行評(píng)價(jià)，外摻PRM(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.0%)和Baoli(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.0%)的高模量瀝青低溫抗裂性能優(yōu)于SBS改性瀝青(SBS外摻，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%)；Gilsonite巖瀝青改性瀝青(Gilsonite巖瀝青外摻，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.0%)、A-30硬質(zhì)瀝青的低溫抗裂性能不及A-70基質(zhì)瀝青.

(4)低溫抗裂性能是高模量瀝青在中國(guó)冬寒區(qū)(-37.0～ -21.5℃)應(yīng)用的重要影響因素之一，鑒于不同種類高模量瀝青的低溫抗裂性能存在顯著差異，建議通過(guò)瀝青試驗(yàn)、瀝青混合料試驗(yàn)對(duì)高模量瀝青材料的低溫抗裂性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以保證其應(yīng)用效果.

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