瀝青結合材料低溫抗裂性能分析及寒區(qū)新型瀝青混合料設計

鄭傳峰，李瑞明

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瀝青結合材料低溫抗裂性能分析及寒區(qū)新型瀝青混合料設計

鄭傳峰，李瑞明

(吉林大學建設工程學院，長春 130026)

為了解決寒區(qū)瀝青路面低溫開裂現象，設計適用于寒冷地區(qū)應用的新型瀝青混合料．基于小梁彎曲試驗獲取基質瀝青、瀝青膠漿、瀝青細料組合體低溫應力-應變曲線，以彎曲應變能密度臨界值評價上述3類結合材料的低溫抗裂性能．摻配不同粒徑的膠粉顆粒使之與AC-13混合料中的細礦料級配一致，并替換50%,的常規(guī)細礦料從而制備寒區(qū)高性能瀝青混合料．通過車轍試驗、小梁彎曲試驗、凍融劈裂試驗對其路用性能進行評價．結果表明常規(guī)瀝青細料組合體極差的低溫抗裂能力是寒區(qū)瀝青混合料低溫開裂的重要原因．以同級配的膠粉顆粒體替代50%,的常規(guī)細礦料后，瀝青混合料的路用性能得到明顯改善，其低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能有較大提高，但其高溫穩(wěn)定性能略有降低．該項研究為后續(xù)寒區(qū)瀝青路面的設計及施工奠定理論基礎．

道路工程；高性能瀝青混合料；瀝青膠漿；瀝青細料組合體；橡膠粉；路用性能

瀝青路面的低溫開裂現象是寒區(qū)瀝青路面的常見病害，瀝青路面的低溫抗裂性能已成為國內外道路研究者重點關注的問題之一[1-3]．1987年，美國在SHRP計劃中提出以低溫彎曲勁度模量及低溫蠕變速率來評價其低溫抗裂性能[4-5]．我國在“七五”和“八五”兩個國家科技攻關專題中，也對瀝青混合料低溫性能進行了系統(tǒng)的研究[6-7]．前期研究表明，在瀝青混合料中，大礦料間的交界面上存在3類結合材料：基質瀝青、瀝青膠漿(瀝青與礦粉組合)、瀝青細料組合體(瀝青與混合料中的細礦料組合并包含礦粉)．大礦料通過礦料間結合材料粘結成整體．在外力作用下，結合材料均同時承受拉伸荷載、剪切荷載及拉伸-剪切耦合荷載，這3類結合材料的破壞導致了混合料中大礦料的相互分離，進而導致了瀝青混合料的低溫開裂[8]．因此，提高上述3類結合材料的低溫力學性能對于增強瀝青混合料整體的低溫抗裂性能意義顯著．

當前研究中，對于基質瀝青低溫性能的研究較為系統(tǒng)，如采用彎曲梁流變試驗(BBR)、直接拉伸試驗(DTT)等[9-11]．而對于瀝青膠漿和瀝青細料組合體低溫性能的研究較少，缺乏統(tǒng)一的評價標準．基于上述問題，本文以小梁彎曲試驗獲取3類結合材料的應力-應變曲線，并以能綜合反應其強度和變形能力的彎曲應變能密度臨界值評價上述結合材料低溫抗裂性能．在對上述3種瀝青結合材料低溫力學性能分析的基礎上，采用20目、40目、80目、100目膠粉顆粒，經過摻配設計使之與常規(guī)AC-13級配中的1.18～0.075,mm范圍內的細礦料級配一致，并替換50%,傳統(tǒng)細礦料，從而制備寒區(qū)高性能瀝青混合料．通過與常規(guī)AC-13瀝青混合料的對比，對寒區(qū)高性能瀝青混合料的路用性能進行評價．該項研究對于后續(xù)寒區(qū)瀝青路面的設計及施工具有一定的指導意義．

1?試驗材料

本試驗所采用的基質瀝青為中海油70#瀝青，其基本性能參數如表1所示．試驗用粗、細集料均為石灰?guī)r，礦粉為磨細石灰石，集料及礦粉均來源于長春市本地某石料廠．按照《公路工程集料試驗規(guī)范》(JTG E42—2005)對粗、細集料及礦粉的基本技術指標進行測定，如表2～4所示．試驗用瀝青膠漿按粉膠比1∶1.2比例配置而成．采用高速剪切機進行剪切，剪切速率為7,000,rad/min，剪切時間為40,min，剪切溫度為160,℃．試驗用瀝青細料組合體采用AC-13級配中粒徑范圍1.18～0.075,mm的礦料制備而成，其級配范圍如表5所示，瀝青用量為5%,．試驗用橡膠粉選擇20目、40目、80目、100目4種不同目數的橡膠粉，見圖1，其表觀相對密度為1.15．

表1?瀝青基本性能參數

Tab.1?Technical parameters of asphalt

表2?粗集料基本技術指標

Tab.2?Technicalindex of coarse aggregate

表3?細集料基本技術指標

Tab.3?Technicalindex of fine aggregate

表4?礦粉基本技術指標

Tab.4?Technicalindex of powder

表5?瀝青細料組合體級配范圍

Tab.5?Gradationscope of asphalt aggregate

圖1?橡膠粉

2?瀝青混合料結合材料低溫抗裂性能研究

2.1?以彎曲應變能密度臨界值評價低溫抗裂性能的機理分析

圖2?彎曲應變能密度臨界值計算示意

2.2?結合材料低溫抗裂性能分析

本試驗基于小梁彎曲試驗獲取基質瀝青小梁、瀝青膠漿小梁、瀝青細料組合體小梁的應力-應變曲線.瀝青小梁試件的尺寸為250,mm×30,mm×35,mm，如圖3所示．小梁彎曲試驗按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)范》(JTJ052—2000)執(zhí)行，試驗儀器采用LX-Ⅱ全自動瀝青混合料彎曲試驗儀，采用手動控制加載過程，加載速率為50,mm/min，試驗過程如圖4所示．3類結合材料的應力-應變曲線見圖5～7，3類結合材料的彎曲應變能密度臨界值隨低溫的變化規(guī)律見圖8．

圖3?脫模后瀝青小梁試件

圖4?小梁彎曲試驗過程

圖5?基質瀝青應力-應變曲線

圖6?瀝青膠漿試件應力-應變曲線

圖7?瀝青細料組合體試件應力-應變曲線

圖8?彎曲應變能密度臨界值低溫變化趨勢

由圖8可看出3類結合材料的彎曲應變能密度臨界值呈現出不同的變化規(guī)律．基質瀝青與瀝青膠漿的彎曲應變能密度臨界值隨著溫度的降低呈現先增大后減小的變化趨勢，均在-10,℃左右達到最大值；瀝青細料組合體的彎曲應變能密度臨界值隨著溫度的降低一直減小，其中在0,℃到-10,℃衰減速率較大．在0,℃左右，瀝青細料組合體的彎曲應變能密度臨界值最大，約為398.868,kJ/mm3，分別是基質瀝青與瀝青膠漿的11.36倍和4.09倍．隨著溫度的降低，在-10～-20,℃區(qū)間內，瀝青膠漿的彎曲應變能密度臨界值最大，而瀝青細料組合體的彎曲應變能密度臨界值最?。?10,℃左右，瀝青膠漿的彎曲應變能密度臨界值達到極值，為390.230,kJ/mm3，約為基質瀝青和瀝青細料組合體的3.3倍和62倍．在-20～-30,℃區(qū)間內，3類結合材料的彎曲應變能密度臨界值的衰減速率均減緩，此時彎曲應變能密度臨界值的大小為：基質瀝青＞瀝青膠漿＞瀝青細料組合體．以上分析表明，對于任意一類結合材料，其低溫抗裂性能都存在最優(yōu)溫度區(qū)間．在我國東北地區(qū)，冬季氣溫一般都在-10～-30,℃之間，此時瀝青膠漿、基質瀝青的低溫抗裂性能要顯著優(yōu)于瀝青細料組合體，瀝青細料組合體極差的抗裂能力是導致寒區(qū)瀝青混合料低溫開裂的重要因素．

3?寒區(qū)高性能瀝青混合料配合比設計及路用性能檢測

3.1?配合比設計

寒區(qū)高性能瀝青混合料設計的關鍵技術為瀝青細料組合體的設計，以傳統(tǒng)AC-13瀝青混合料為研究對象，其級配范圍見表6．其中，采用20目、40目、80目、100目膠粉顆粒經過摻配設計使之與常規(guī)AC-13級配中的1.18～0.075,mm范圍內的細礦料級配一致，并替換50%,傳統(tǒng)細礦料，從而制備寒區(qū)高性能瀝青混合料．替代后各檔集料及橡膠粉所占混合料的質量比如表7所示．

表6?AC-13級配范圍

Tab.6?AC-13 gradation scope

表7?替換后各檔集料及橡膠粉所占比例

為了形成對比，同時制備常規(guī)AC-13瀝青混合料，根據我國現行規(guī)范《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2004)，采用馬歇爾試驗進行常規(guī)AC-13瀝青混合料和高性能瀝青混合料的配合比設計，確定常規(guī)AC-13瀝青混合料的最佳油石比為4.75%,，高性能瀝青混合料的最佳油石比為5.81%,．

3.2?路用性能檢測

3.2.1?低溫抗裂性

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)范》(JTG E20—2011)要求，以小梁彎曲試驗評價常規(guī)AC-13瀝青混合料和高性能瀝青混合料的低溫抗裂性能，以極限彎拉強度、極限彎拉應變、彎拉勁度模量作為抗裂性能評價指標．試驗溫度為0,℃、-10,℃、-20,℃、-30,℃，試驗的加載速率為50,mm/min. 極限彎拉強度、極限彎拉應變、彎拉勁度模量隨低溫變化規(guī)律如圖9、10、11所示．

圖9?極限彎拉強度低溫變化規(guī)律

圖10?極限彎拉應變低溫變化規(guī)律

圖11?彎拉勁度模量低溫變化規(guī)律

由圖9、10、11可以看出，隨著溫度的降低，兩種瀝青混合料的極限彎拉強度均呈現先增大后減小的變化趨勢．兩種瀝青混合料的脆化溫度都在-10,℃左右．脆化之前，兩種瀝青混合料的極限彎拉強度均逐漸增大，但常規(guī)AC-13瀝青混合料的極限彎拉強度略高于高性能瀝青混合料；脆化之后，兩種混合料的極限彎拉強度均迅速衰減，常規(guī)AC-13瀝青混合料的衰減速率快于高性能瀝青混合料，-20～-30,℃范圍內，高性能瀝青混合料的極限彎拉強度均大于常規(guī)AC-13瀝青混合料．隨著溫度的降低，兩種瀝青混合料的極限彎拉應變均呈現減小的變化趨勢，且高性能瀝青混合料的極限彎拉應變始終大于常規(guī)AC-13瀝青混合料．脆化之前，高性能瀝青混合料的極限彎拉應變與常規(guī)AC-13瀝青混合料相比，優(yōu)勢并不明顯(0,℃時約為1.40倍，-10,℃時約為1.38倍)；但脆化之后，高性能瀝青混合料極限彎拉應變的衰減速率明顯小于常規(guī)AC-13瀝青混合料，-20,℃時高性能瀝青混合料的極限彎拉應變?yōu)槌Ｒ?guī)AC-13瀝青混合料的1.99倍，-30,℃時為3.99倍．以上分析表明：以瀝青橡膠體替代50%,瀝青細料組合體后，瀝青混合料能在其強度基本不變的前提下顯著提高其低溫變形能力，尤其是極寒條件(-20～-30,℃)下的變形能力，瀝青混合料的低溫抗裂性能有顯著的提高．

3.2.2?高溫穩(wěn)定性

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)范》(JTG E20—2011)要求進行車轍試驗，以動穩(wěn)定度DS來評價二者的高溫穩(wěn)定性．試驗結果見表8．

表8?車轍試驗結果

Tab.8?Wheelrutting test result

由表8可知，常規(guī)AC-13瀝青混合料的動穩(wěn)定度平均值為2,532次/mm，高性能瀝青混合料的動穩(wěn)定度平均值為2,052次/mm，高性能瀝青混合料的動穩(wěn)定度與常規(guī)AC-13瀝青混合料相比降低了18.96%．以瀝青橡膠體替代50%,瀝青細料組合體后，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性略有降低，但仍滿足規(guī)范要求．

為了使瀝青混合料的高溫性能能夠滿足某些地區(qū)夏日正午時較高的溫度條件，可以采用SMA-13級配的混合料替代AC-13級配的瀝青混合料，改善瀝青混合料的級配方式，進而提高瀝青混合料的高溫性能，避免夏日高溫形成嚴重的車轍．

3.2.3?水穩(wěn)定性

根據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)范》(JTG E20—2011)要求，以凍融劈裂試驗中的劈裂強度比(TSR)指標來評價常規(guī)AC-13瀝青混合料和高性能瀝青混合料的水穩(wěn)定性．試驗結果見表9．

表9?凍融劈裂試驗結果

Tab.9?Freeze-thawsplitting test result

由表9可知，常規(guī)AC-13瀝青混合料與高性能瀝青混合料的劈裂強度比(TSR)均符合規(guī)范要求．未凍融前，常規(guī)AC-13瀝青混合料的劈裂強度(1.27,MPa)要高于高性能瀝青混合料(1.10,MPa)，但經過凍融循環(huán)后，高性能瀝青混合料的劈裂強度(0.99,MPa)反而略高于常規(guī)AC-13瀝青混合料(0.97,MPa)．常規(guī)AC-13瀝青混合料的劈裂強度衰減較大，其劈裂強度比為76.38%,；高性能瀝青混合料的劈裂強度衰減較小，其劈裂強度比為90.00%. 瀝青加入橡膠粉后其黏稠度增加，同時由于橡膠粉的吸附作用，瀝青混合料的油石比增大，瀝青與礦料間的結構瀝青膜更厚，礦料與瀝青的黏附效果更好，水更難侵入瀝青混合料內部．因此，以瀝青橡膠體替代50%,瀝青細料組合體后，瀝青混合料水穩(wěn)定性能有一定程度的提高．

4?結?論

(1) 瀝青混合料內部存在3類結合材料：基質瀝青、瀝青膠漿、瀝青細料組合體，3類結合材料的低溫抗裂性能都存在最優(yōu)溫度區(qū)間．在我國東北地區(qū)，冬季氣溫一般低于－10,℃，此時基質瀝青、瀝青膠漿的低溫抗裂性能要顯著優(yōu)于瀝青細料組合體，瀝青細料組合體的低溫破壞是寒區(qū)瀝青混合料開裂的重要?原因．

(2) 以瀝青橡膠體替代50%,瀝青細料組合體后，瀝青混合料的低溫抗裂性能有顯著的提高．其極限彎拉強度與常規(guī)AC-13瀝青混合料基本一致，但極限彎拉應變顯著優(yōu)于常規(guī)AC-13瀝青混合料，且隨著溫度的降低，這種優(yōu)勢愈發(fā)明顯．

(3) 以瀝青橡膠體替代50%,瀝青細料組合體后，瀝青混合料的劈裂強度比由76.38%,提高到90.00%,，瀝青混合料的水穩(wěn)定性有明顯的提高．

(4) 以瀝青橡膠體替代50%,瀝青細料組合體后，瀝青混合料的動穩(wěn)定度由2,532次/mm衰減到2,052次/mm，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性略有降低，但仍滿足規(guī)范要求．為了提高瀝青混合料的高溫性能以滿足某些地區(qū)夏日的高溫條件，可以采用SMA-13級配的混合料來替代AC-13級配的瀝青混合料．

(5) 寒區(qū)高性能瀝青混合料能在其高溫穩(wěn)定性能略有降低的基礎上，顯著提高其低溫抗裂性能和水穩(wěn)定性能．該研究有助于指導寒區(qū)瀝青路面的設計、施工及養(yǎng)護．

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(責任編輯：王新英)

Analysis of Low-Temperature Crack Resistance of Asphalt Binding Materials and Design of New Asphalt Mixture for Cold Region

Zheng Chuanfeng，Li Ruiming

(College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China)

A new asphalt mixture suitable for use in cold regions was designed. The stress-strain curves for the matrix asphalt, asphalt mastic, body of the asphalt, and fine aggregate at low temperatures were obtained with a bending test. The low-temperature anti-cracking property of the binding materials above could be evaluated by the index of flexural strain energy density. A rubber powder of different specifications was blended and the gradation was made to be identical with AC-13. Fifty percent of the conventional fine aggregate was replaced by rubber powder and a new asphalt mixture was designed. The pavement performance of the new asphalt mixture in cold regions was evaluated by a wheel rutting test, bending test, and freeze-thaw splitting test. The results show that the prime reason for cracking in the mixture was due to the poor anti-cracking properties of the body of the asphalt and fine aggregate. The pavement performance of the asphalt mixture improved significantly after substituting some gradation rubber powder for the fine aggregate. The low-temperature anti-cracking property and water stability of the asphalt mixture improved, but the high temperature stability of asphalt mixture decreased slightly. The results establish the theoretical foundation for the design and construction of asphalt pavements in cold regions.

pavement engineering；high performance asphalt mixture；asphalt mastic；asphalt aggregate；rubber powder；pavement performance

10.11784/tdxbz201803107

U414.1

A

0493-2137(2019)03-0262-07

2018-03-29；

2018-06-25.

鄭傳峰（1981—??），男，博士，副教授．

鄭傳峰，cfzheng@jlu.edu.cn.

國家自然科學基金資助項目(51508223)，吉林省自然科學基金資助項目(20160101267JC)，吉林省交通科學技術發(fā)展計劃資助項目(2014-1-7)．

the National Natural Science Foundation of China(No.,51508223)，the Natural Science Foundation of Jilin Province，China ????????(No.,20160101267JC)，the Traffic Science and Technology Development Plan of Jilin Province，China(No.,2014-1-7).