基于SCB的片麻巖-復合改性瀝青混合料斷裂性能研究

謝 強

（中交第四航務工程局第一工程有限公司，廣東 廣州 510420）

1 引言

瀝青混合料的斷裂根據(jù)裂縫和施加荷載的形式可分為張開型斷裂、滑開型斷裂和撕開型斷裂，對于常見的張開型斷裂，相應的試驗方法有半圓彎曲試驗、單邊開口梁斷裂試驗、圓盤斷裂拉伸試驗等，目前使用較多的為半圓彎曲試驗，其中，Krans R L 等[1]首次將半圓彎曲試驗引入到評價瀝青混合料的抗裂性能中。錢國平等[2]利用單軸壓縮、彎曲、直接拉伸、劈裂試驗研究不同受力模式下瀝青混合料的破壞差異，結果顯示不同受力模式下的強度由大至小的順序為抗壓強度、彎拉強度、直接拉伸強度和劈裂強度。之后，研究人員利用半圓彎曲試驗研究了加載速率等條件下瀝青混合料的斷裂韌性、斷裂能、斷裂曲線，并進行了低溫斷裂評價和疲勞壽命預測，結果顯示采用半圓彎曲試驗能夠有效評價瀝青混合料的抗裂性能，且瀝青混合料的斷裂性能對加載條件較為敏感[3，4]。熊愛明等分析了斷裂韌性、斷裂能與切縫深度的關系，以及老化時間、空隙率等因素對瀝青混合料斷裂性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)瀝青經(jīng)歷的老化時間越長，瀝青混凝土的空隙率越高，越容易引起開裂，摻加一定比例橡膠粉的瀝青混合料可提高抗裂性能，瀝青混合料的斷裂能指標與對應的瀝青低溫分級相關性最強，斷裂能最適合用于評價瀝青混合料的低溫抗裂性能[5，6]。

在后續(xù)的研究中，涉及了乳化瀝青冷再生混合料、溫拌膠粉改性瀝青混合料的低溫性能和開裂特性，研究結果顯示，摻加布敦巖瀝青對乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性影響較小，摻加玄武巖纖維后降低了冷再生混合料低溫抗裂性；采用細觀指標（開裂點處水平應變、損傷因子）、宏觀力學指標（斷裂能密度、蠕變應變能密度）對老化前后溫拌膠粉改性瀝青混合料的抗裂性能分析的結論具有一致性[7，8]。在瀝青混合料的自愈合研究方面，朱洪洲等開展了瀝青混合料斷裂后的微波自愈合研究，闡釋了微波加熱時間、微波強度的增長對開裂的瀝青混合料自愈合有促進作用[9]。

結合已有研究，對于酸性集料片麻巖與復合改性瀝青制備的片麻巖-復合改性瀝青混合料的斷裂性能研究尚未有報道。針對我國新疆地區(qū)大溫差、冬季干燥嚴寒的環(huán)境條件，本著因地制宜、就地取材的原則，利用酸性片麻巖集料制備瀝青混合料，考慮到片麻巖集料與瀝青的黏附性相對較差，在冬季寒冷的條件下，瀝青混凝土路面極易產(chǎn)生裂縫，影響行車的安全與舒適。因此，本文探索制備摻加抗剝落劑的片麻巖-復合改性瀝青混合料，提升酸性集料與瀝青的黏附性的同時，增強其低溫抗裂性能。采用半圓彎曲試驗測試低溫條件下的破壞荷載和位移，計算片麻巖-復合改性瀝青混合料的最大彎曲力、斷裂能、開裂阻力指數(shù)，評價片麻巖-復合改性瀝青混合料的斷裂性能，以期為我國新疆冬季嚴寒干燥地區(qū)瀝青混合料的應用提供技術支撐。

2 原材料性質(zhì)及瀝青混合料的配合比設計

2.1 SBS改性瀝青及復合改性瀝青的性質(zhì)

本文所使用的瀝青為SBS改性瀝青，制備復合改性瀝青所使用的膠粉為塑化膠粉，該塑化膠粉的制備是通過把普通膠粉經(jīng)常壓塑化法加工而成，塑化膠粉粒徑為40目，摻量為SBS改性瀝青質(zhì)量的10%（外摻）。復合改性瀝青的制備流程如下：將一定質(zhì)量的SBS改性瀝青加熱至180℃，稱取相應質(zhì)量的塑化膠粉，均勻加入SBS改性瀝青中，同時利用攪拌器以500r/min 的轉(zhuǎn)速進行攪拌，塑化膠粉摻加結束后，采用高速剪切機以5000r/min的轉(zhuǎn)速剪切30min，最后加入抗剝落劑，緩慢攪拌和發(fā)育30min，即制備了復合改性瀝青。SBS改性瀝青和復合改性瀝青的測試結果見表1。

表1 SBS和復合改性瀝青的性能指標

由表1 可以看出，與SBS 改性瀝青的性能指標相比，復合改性瀝青的針入度和延度減小，軟化點升高9.2%，黏度提升了2.75倍，說明塑化膠粉的摻加在一定程度上提升了瀝青的高溫性能，低溫性能受到負面影響，這是由于塑化膠粉在SBS 改性瀝青中溶脹，吸收了SBS改性瀝青中的部分輕質(zhì)組分，提高了塑化膠粉與改性瀝青的相互作用。此外，塑化膠粉是具有一定形狀形貌的顆粒材料，加入SBS改性瀝青中后改變其原有的結構體系，影響了SBS 改性瀝青的均勻性，降低了復合改性瀝青的低溫性能。

2.2 集料的性質(zhì)

粗、細集料均為斜長片麻巖，礦粉為石灰?guī)r研磨。集料及礦粉性能指標均符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40-2004）的技術要求。鑒于斜長片麻巖的酸性性質(zhì)，與瀝青的黏附性需要加以考慮，為提升該酸性片麻巖集料與復合改性瀝青的黏附性，保證片麻巖集料與復合改性瀝青具有較強的界面作用，摻加復合改性瀝青質(zhì)量0.3%的非胺類抗剝落劑。

2.3 片麻巖-復合改性瀝青混合料的配合比

選用級配類型為AC-16 型密級配，合成級配曲線如圖1所示。

圖1 片麻巖-復合改性瀝青混合料的級配

利用馬歇爾試驗測定不同油石比條件下片麻巖-復合改性瀝青混合料的毛體積相對密度、穩(wěn)定度、流值、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等體積參數(shù)，測試結果如圖2所示。

圖2 馬歇爾試驗結果

根據(jù)圖2 中馬歇爾試驗結果可得：OAC1=5.95%，OAC2=6%，OACmax=7%，OACmin=5%，最佳油石比OAC=（OAC1+OAC2）/2=5.975%，在滿足空隙率和礦料間隙率的條件下，最佳油石比取5.8%。

2.4 半圓彎曲試驗的試件制備

根據(jù)設計的SBS 膠粉復合改性瀝青混合料配合比及馬歇爾試驗結果進行計算并備料，利用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型直徑150mm、高度150mm 且與馬歇爾試件等空隙率的圓柱形試件。鑒于旋轉(zhuǎn)壓實試件上下接近表面的密實度、空隙結構和分布與靠近試件中間部分存在差異，切掉試件上下2cm部分，以便保證試件整體結構、性能等的一致性。從接近試件中部的位置切割直徑為150mm、厚度24.7mm的試件，對該試件沿直徑方向切割成對稱的半圓試件，對每個半圓形試件自圓心垂直于直徑方向切縫，縫的深度15 mm、寬度1.5mm。

3 基于半圓彎曲試驗的結果與分析

目前主要采用單邊切口梁試驗、間接拉伸試驗、圓盤拉伸試驗、裂縫擴展性能試驗和半圓彎曲試驗研究瀝青混合料的低溫斷裂特性。其中，單邊切口梁試驗可以通過變化切口設置研究不同的斷裂模式，該試驗的缺點為對于小梁來說，當切口較深時試樣在自重作用下可能自行開裂；圓盤拉伸試驗需要在圓形試件槽口的兩側設置加載孔，使斷裂面積最大化，降低因幾何形狀引起的測試結果可變性，但該試驗的缺點也較為明顯，試件內(nèi)部應力分布復雜，加載孔可能產(chǎn)生應力集中，導致試驗結果失真，試件的制備較為復雜。

半圓彎曲試驗（SCB）是對帶有切縫的半圓形試件進行三點加載，在試件的底部產(chǎn)生張力，從而使得裂紋沿試件底部向整個試件擴展。該試驗方法的試件制備簡便，試件的獲取可通過試驗室或現(xiàn)場取芯，試驗操作簡單，可重復性強。本文采用半圓彎曲試驗測試片麻巖-復合改性瀝青混合料的斷裂性能指標，測試溫度為-15℃、-10℃和0℃，加載速率為1mm/min。半圓彎曲試驗測試如圖3（a）所示，圖3（b）為試驗結束后裂縫擴展的路徑。為了表征位移隨施加荷載的變化，以-15℃為例，其荷載-位移曲線如圖4所示。

圖3 片麻巖-復合改性瀝青混合料的半圓彎曲試驗

圖4 三組溫度條件下的荷載-位移曲線

3.1 溫度對最大彎曲力的影響

溫度對瀝青混合料的性能影響顯著，一般來說，溫度越低，瀝青混合料的模量越大，瀝青混合料主要表現(xiàn)為彈性，易發(fā)生脆性斷裂，試驗溫度越高，瀝青混合料表現(xiàn)為黏彈性，多發(fā)生韌性破壞。不同溫度下片麻巖-復合改性瀝青混合料的最大彎曲力如圖5所示。

圖5 片麻巖-復合改性瀝青混合料的最大彎曲力

由圖5 發(fā)現(xiàn)，最大彎曲力隨著溫度的升高而下降，溫度越低，最大彎曲力越大，與-15℃時片麻巖-復合改性瀝青混合料的最大彎曲力相比，-10℃和0℃時的最大彎曲力分別降低了23.5%、24.2%。

3.2 基于斷裂能的抗裂性能

3.2.1 斷裂能

斷裂能為裂縫在試件中萌生、擴展直至試件斷裂所需的功，以荷載-位移曲線下的面積表示，如圖6 所示。斷裂能能較好地模擬試件裂縫擴展行為，反映瀝青路面的抗裂特性，斷裂能越大，則瀝青混合料的抗裂性能越好。斷裂能的計算見式（1）[10]。

圖6 斷裂能計算的典型荷載-位移曲線[10]

式中，Gf為斷裂能，J/m2；Wf為斷裂功，J，Wf=∫Pdu，P為施加荷載（N），u 為平均位移（m）；Alig為韌性區(qū)面積，m2，Alig=（r-a）·t，r 為試件半徑（m），t 為試件厚度（m），a為預切縫深度（m）。

根據(jù)式（1），通過對片麻巖-復合改性瀝青混合料的荷載-位移曲線與X軸包圍的面積進行積分，得到不同試驗溫度條件下瀝青混合料的斷裂能，如圖7所示。

圖7 片麻巖-復合改性瀝青混合料的斷裂能

由圖7 可知，片麻巖-復合改性瀝青混合料的斷裂能隨著溫度的升高而減小，基本呈線性關系，與-15℃時片麻巖-復合改性瀝青混合料的斷裂能相比，-10℃和0℃時的斷裂能分別下降了17.02%、51.86%。因此，溫度對具有黏彈塑性力學性質(zhì)的瀝青混合料性能的影響較大，并且說明溫度越低片麻巖-復合改性瀝青混合料的抗裂性能越優(yōu)。

3.2.2 開裂阻力指數(shù)

溫度對瀝青混合料的模量影響較大，溫度降低后，模量迅速增大，該情況在部分脆性瀝青混合料中尤為明顯，反映在荷載-位移曲線上，荷載一旦達到峰值，試件即發(fā)生斷裂。為了克服上述情況引發(fā)的局限，Kaseer F[11]借鑒低溫圓盤拉伸試驗提出了開裂阻力指數(shù)CRI作為半圓彎曲試驗的斷裂參數(shù)，評價瀝青混合料的抗裂性能，其定義為總斷裂能除以最大彎曲力。開裂阻力指數(shù)CRI的計算見式（2）。

式中，Gf為斷裂能，J/m2；Pc為最大彎曲力，即峰值荷載，kN。

鑒于脆性瀝青混合料具有較高的剛度，比普通瀝青混合料承受更大的峰值載荷，并產(chǎn)生較小的開裂位移。因此，除了斷裂能Gf外，峰值載荷Pc也可用于區(qū)分瀝青混合料。具有較低Gf或較高Pc的瀝青混合料，其開裂阻力指數(shù)CRI 較低，若兩種瀝青混合料的Gf相近，則具有較高Pc脆性瀝青混合料的CRI 值小于具有較低Pc柔性瀝青混合料的CRI 值。較高的CRI 值表示瀝青混合料具有較好的抗裂性能，較低的CRI值則抗裂性能較差。片麻巖-復合改性瀝青混合料不同溫度條件下的開裂阻力指數(shù)如圖8所示。

圖8 片麻巖-復合改性瀝青混合料的開裂阻力指數(shù)

由圖8發(fā)現(xiàn)，片麻巖-復合改性瀝青混合料的開裂阻力系數(shù)隨著溫度的降低而增大，與0℃時片麻巖-復合改性瀝青混合料的開裂阻力指數(shù)相比，-10℃和-15℃時的開裂阻力指數(shù)分別增加了2.25 倍、2.74 倍。因此，對于片麻巖-復合改性瀝青混合料來說，較低的溫度，使得其抗裂性能越好。

4 結語

①片麻巖-復合改性瀝青混合料的最大彎曲力隨著溫度的升高而下降，溫度越高，最大彎曲力越小，施加較小的荷載，即可使得瀝青混合料發(fā)生斷裂。

②片麻巖-復合改性瀝青混合料的斷裂能隨著溫度的升高而減小，基本呈線性關系。

③片麻巖-復合改性瀝青混合料的開裂阻力系數(shù)隨著溫度的降低而增大，溫度越高，其抵抗開裂的能力下降。

通過比較-15℃、-10℃和0℃的最大彎曲力、斷裂能和開裂阻力指數(shù)，片麻巖-復合改性瀝青混合料在低溫條件下能保持較好的抗裂性能。因此，本文所制備的片麻巖-復合改性瀝青混合料可用于我國冬季干燥、寒冷地區(qū)的瀝青混凝土路面。