RIOHTrack下面層瀝青混合料低溫性能試驗評價

查旭東，李 聰，鄒 博，王旭東，潘勤學(xué)

(1.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

低溫開裂是瀝青路面的主要病害形式之一，在行車荷載和環(huán)境因素等長期作用下，開裂的路面易出現(xiàn)剝落、唧漿和坑槽等損壞，降低其承載能力和使用壽命，影響長期性能，因此合理評價瀝青混合料的低溫性能具有重要意義。目前，瀝青混合料低溫性能的評價方法主要有約束試件溫度應(yīng)力(TSRST)[1]、半圓彎曲(SCB)[2]、低溫彎曲[3]和低溫彎曲蠕變[4]等試驗。Tan等[5]通過對低溫彎曲、線收縮、間接拉伸和TSRST等試驗進行灰關(guān)聯(lián)分析，認(rèn)為彎曲應(yīng)變能密度的臨界值能較好地評價瀝青混合料的低溫性能；李蓬[6]通過對比SCB和小梁低溫彎曲試驗，推薦使用SCB試驗的彎拉應(yīng)變和破壞應(yīng)變能作為低溫抗裂性能的評價指標(biāo)；汲平等[7]通過劈裂試驗建立了低溫抗裂性能的評價模型，提出采用低溫指數(shù)作為評價指標(biāo)；冉武平等[8]應(yīng)用多種試驗方法對環(huán)氧瀝青混合料的低溫抗裂性能進行了對比，認(rèn)為低溫劈裂強度是較好的評價指標(biāo)；Stimilli等[9]基于瀝青熱裂分析儀(ATCA)的測試結(jié)果，通過對比分析松弛模量和臨界斷裂溫度等指標(biāo)，表明松弛模量能合理評價混合料的低溫性能；侯貴等[10]通過對比小梁彎曲、低溫劈裂和低溫彎曲蠕變等試驗，推薦使用劈裂試驗及其破壞強度來評價嚴(yán)寒地區(qū)澆注式瀝青混凝土的低溫性能；劉占良等[11]通過室內(nèi)小梁彎曲、劈裂、老化和凍融劈裂等試驗對比，得出凍融劈裂試驗適用于評價高寒地區(qū)瀝青混合料的低溫破壞過程；Zhou等[12]根據(jù)彎曲流變梁(BBR)，TSRST和三點彎曲等試驗得到的結(jié)果進行灰關(guān)聯(lián)分析，表明瀝青結(jié)合料的耗散能比與瀝青混合料的低溫性能具有良好的相關(guān)性；馮德成等[13]通過分析SCB試驗的各項指標(biāo)，確定斷裂能作為低溫性能指標(biāo)；祝譚雍等[14]基于環(huán)形加載和小梁彎曲等試驗結(jié)果的相關(guān)性分析，表明環(huán)形加載試驗可以評價混合料的低溫抗裂性能；閆科偉等[15]采用內(nèi)聚力模型對圓盤拉伸試驗(DCT)全過程進行模擬，引入斷裂應(yīng)變?nèi)菹拗祵Φ蜏乜沽研阅苓M行了評價；曹海波等[16]通過對比試驗表明，TSRST、低溫彎曲和凍融劈裂的混合料低溫性能試驗結(jié)果具有較好的一致性。

綜上可知，瀝青混合料低溫性能的試驗評價方法和指標(biāo)眾多，且各種試驗及其指標(biāo)得到的低溫性能評價結(jié)果存在一定的差異。為此通過對交通運輸部公路科學(xué)研究院足尺路面試驗環(huán)道(RIOHTrack)所用9種AC-25下面層瀝青混合料進行小梁低溫彎曲、中梁線收縮系數(shù)和法國梯形梁動態(tài)模量等試驗，對比分析各試驗指標(biāo)結(jié)果及其之間的相關(guān)性，從而優(yōu)選合理的評價指標(biāo)，并對比評價各下面層瀝青混合料的低溫性能。

1 配合比設(shè)計

1.1 原材料性能檢驗

根據(jù)中國高速公路瀝青路面的典型結(jié)構(gòu)和材料[17]，RIOHTrack下面層瀝青混合料AC-25所用瀝青結(jié)合料包括秦皇島30#，50#和70#3種A級道路石油瀝青，1種秦皇島I-DS10成品SBS改性瀝青(SBS2)，以及膠粉摻量為22%和24%的2種成品AR橡膠瀝青(AR22%和AR24%)；礦料采用玄武巖粗集料及石灰?guī)r細集料和礦粉。經(jīng)檢驗，所用瀝青、粗細集料和礦粉的各項性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求。其中，除AR24%橡膠瀝青的25 ℃針入度、軟化點和5 ℃延度分別為40(0.1 mm)、73.0 ℃和74 mm 以外，其余瀝青的3大指標(biāo)試驗結(jié)果參見文獻[18]和[19]。

1.2 配合比設(shè)計

根據(jù)長壽命瀝青路面常用的下面層瀝青混合料密實型結(jié)構(gòu)及其配合比設(shè)計要求[17,20]，通過礦料組成設(shè)計，確定RIOHTrack下面層AC-25瀝青混合料的3種礦料合成級配如表1所示，并分別簡記為G1，G2和G3。其中，G3為40% RAP摻量并摻加70#新瀝青(R70#)的熱再生混合料。由此可知，3種級配的4.75 mm關(guān)鍵篩孔質(zhì)量通過百分率均小于40%，表明都為粗型密級配；同時G1較G2的4.75 mm通過率約提高5%，故對于粗集料含量，G2最多，G3次之，G1最少。據(jù)此，為方便對比分析，根據(jù)不同的瀝青結(jié)合料與級配組合及RIOHTrack設(shè)計要求，經(jīng)馬歇爾試驗配合比設(shè)計，確定9種AC-25瀝青混合料的最佳油石比，如表2所示。

表1 AC-25瀝青混合料合成級配Tab.1 Composite gradation of AC-25 asphalt mixture

表2 AC-25瀝青混合料最佳油石比Tab.2 Optimal asphalt-aggregate ratio for AC-25 asphalt mixture

2 試驗方法與方案

2.1 小梁低溫彎曲試驗

小梁低溫彎曲試驗按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中T 0715跨中加載法(三點彎曲試驗)進行。小梁試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，跨徑為200 mm；試驗溫度選取0，-10，-20和-30 ℃這4種溫度，加載速率為50 mm/min；每組試件進行7個平行試驗，并在每個試件的跨中長寬底面的長度方向上平行粘貼2片電阻為120 Ω的應(yīng)變片(見圖1)，以測定試件達到最大破壞荷載時的應(yīng)變。

圖1 小梁試件Fig.1 Small beam specimens

通過測得的小梁彎曲最大破壞荷載PB和對應(yīng)的跨中撓度d，根據(jù)T 0715可計算出試件破壞時的抗彎拉強度RB、最大彎拉應(yīng)變εB和彎曲勁度模量SB。同時，小梁低溫彎曲試件破壞所需要的能量可用應(yīng)變能密度EB來表示，其可通過對試驗得到的瀝青混合料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的上升階段曲線，采用三次多項式進行擬合并求積分得到，即：

(1)

式中，EB為應(yīng)變能密度；ε0為對應(yīng)于應(yīng)力峰值點的應(yīng)變值；A，B，C和D為三次多項式的擬合系數(shù)，與材料類型有關(guān)。

2.2 中梁線收縮系數(shù)試驗

中梁線收縮系數(shù)試驗采用交通運輸部公路科學(xué)研究院研發(fā)的實時溫度-應(yīng)變采集系統(tǒng)進行測試。將輪碾成型的AC-25瀝青混合料試件切割成尺寸為380 mm×51 mm×64 mm的中梁，并將3個應(yīng)變片分別粘貼于中梁長寬頂面長度方向上4分點的3個位置處(見圖2)，再將其置于實時溫度-應(yīng)變采集系統(tǒng)的環(huán)境箱中；設(shè)定試驗溫度范圍為-30～+70 ℃，采用2個溫度循環(huán)，升、降溫速率為1 ℃/min，每10 ℃恒溫1 h，從而測定相應(yīng)溫度下的應(yīng)變；每種混合料進行3根試件平行試驗。

圖2 中梁試件Fig.2 Middle beam specimens

根據(jù)實測的溫度-時間曲線和應(yīng)變-時間曲線，由每個溫度循環(huán)中起止溫度所對應(yīng)的應(yīng)變計算瀝青混合料的線收縮系數(shù)αT，即：

(2)

式中，αT為線收縮系數(shù)；εu為初始應(yīng)變；ε1為終止應(yīng)變；Tu為初始溫度；T1為終止溫度。

2.3 法國梯形梁動態(tài)模量試驗

法國梯形梁動態(tài)模量試驗采用法國VECTRA公司生產(chǎn)的梯形梁動態(tài)模量與疲勞試驗機(M2F)進行測試(見圖3)。將成型車轍試件切割成上底寬25 mm、下底寬56 mm、高250 mm及厚25 mm的梯形梁試件(見圖4)；將試件底部和頂部分別與基座和護冠粘接，保持至少12 h以確保粘接牢固，并置于M2F的環(huán)境箱中；在0～45 ℃范圍內(nèi)按5 ℃等間距設(shè)置10種試驗溫度，且每種溫度下需保溫4 h后才能進行試驗。加載時，按應(yīng)變控制方式，對梯形梁頂部沿寬度方向施加水平向正弦波荷載，即梯形梁呈懸臂梁兩點彎曲狀態(tài)受力；為獲得梯形梁動態(tài)模量的主曲線，在30～180 με范圍內(nèi)按30 με等間距設(shè)定6種應(yīng)變水平，在10～40 Hz范圍內(nèi)按5 Hz等間距設(shè)定7種加載頻率；每組試件進行2次平行試驗。

圖3 M2F動態(tài)模量試驗Fig.3 Dynamic modulus tests of M2F

圖4 梯形梁試件Fig.4 Trapezoidal beam specimens

根據(jù)M2F試驗結(jié)果可獲得4個主要指標(biāo)，即反映材料黏彈性特征的復(fù)模量E*和相位角φ，表征彈性特征的儲能模量E′，以及表征黏性特征的耗能模量E"。據(jù)此，通過頻率掃描試驗，可得到不同溫度下4個指標(biāo)隨頻率變化的曲線，根據(jù)時溫等效原理即可獲得4個指標(biāo)的主曲線。由于瀝青混合料低溫性能與其黏彈性有關(guān)，試驗主要分析E*和φ的主曲線，并分別采用Boltzman函數(shù)和GaussAmp函數(shù)進行擬合[19]，基準(zhǔn)頻率取10 Hz。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 低溫性能試驗結(jié)果

根據(jù)前述3種試驗方法，對9種AC-25瀝青混合料進行了低溫性能對比試驗，可得到小梁低溫彎曲的抗彎拉強度RB、最大彎拉應(yīng)變εB、彎曲勁度模量SB和應(yīng)變能密度EB，以及中梁線收縮系數(shù)αT隨溫度的變化曲線,分別如圖5和圖6所示，其中線收縮系數(shù)的對應(yīng)溫度取區(qū)間中值；為節(jié)省篇幅并滿足低溫性能分析的需要，M2F動態(tài)模量試驗僅給出90 με中值應(yīng)變水平下-30～+10 ℃范圍內(nèi)的復(fù)模量E*和相位角φ隨溫度變化的主曲線，如圖7所示。

圖5 小梁低溫彎曲試驗結(jié)果Fig.5 Result of small beam low temperature bending test

圖6 中梁線收縮系數(shù)試驗結(jié)果Fig.6 Result of middle beam linear shrinkage coefficient test

3.2 評價指標(biāo)對比分析

從圖5～圖7可以看出：

圖7 M2F動態(tài)模量試驗結(jié)果Fig.7 Result of M2F dynamic modulus test

(1)對于小梁低溫彎曲試驗，隨著溫度的升高，RB的變化有升有降，并未呈現(xiàn)總體降低的變化規(guī)律；SB雖然總體呈逐漸降低的變化趨勢，但受RB的影響，有4種混合料呈現(xiàn)單峰曲線變化。這表明二者的試驗結(jié)果未能合理反映瀝青混合料彎拉性能隨溫度變化的黏彈性質(zhì)，故不宜作為瀝青混合料低溫性能的評價指標(biāo)。隨著溫度的降低，εB和EB也逐漸降低，且降幅逐漸減小，并在-20～-30 ℃之間趨于平緩，這反映了瀝青混合料低溫蠕變性能逐漸減弱，故二者可作為低溫性能評價指標(biāo)；同時，二者隨溫度變化曲線的拐點均出現(xiàn)在-10 ℃左右，這反映了此時AC-25瀝青混合料的力學(xué)特性由黏彈性向脆性發(fā)生改變，故可取該溫度作為低溫性能評價的標(biāo)準(zhǔn)溫度。

(2)對于中梁線收縮系數(shù)試驗，αT隨著溫度升高，總體呈現(xiàn)先增后減的單峰關(guān)系曲線變化，且各混合料的αT峰值對應(yīng)的溫度相差較大。其中，峰值溫度最高的R70#-G3再生混合料達9.2 ℃，最低的AR22%-G2橡膠混合料為-12.8 ℃，二者相差超過20 ℃，雖然在一定程度上能反映混合料的低溫性能，但經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)峰值溫度的誤差較大，故其不宜作為低溫性能評價指標(biāo)。為此，參照小梁低溫彎曲試驗，取0～-10 ℃范圍內(nèi)的αT作為評價指標(biāo)。

(3)對于M2F動態(tài)模量試驗，9種AC-25瀝青混合料的E*值均隨著溫度的上升而減小，而φ值變化則相反，且各種混合料的E*與φ隨溫度變化曲線的高低對比均呈現(xiàn)良好的一致性，表明溫度越低，混合料的脆性越大而黏性越小，故二者均可以較好地表征瀝青混合料的低溫性能，故類似地以-10 ℃的E*和φ作為低溫性能評價指標(biāo)。

根據(jù)上述3種試驗方法得到的5個評價指標(biāo)測試結(jié)果，對9種AC-25瀝青混合料的低溫性能進行優(yōu)劣排序，結(jié)果如表3所示。其中，排序依據(jù)中“”和“”分別表示相應(yīng)的評價指標(biāo)結(jié)果“越大越優(yōu)”和“越小越優(yōu)”；圓括號中數(shù)字為排序名次。

表3 AC-25瀝青混合料低溫性能評價結(jié)果Tab.3 Evaluation result of low temperature performance of AC-25 asphalt mixture

從表3可以看出，不同試驗方法和指標(biāo)評價的各AC-25瀝青混合料低溫性能排序結(jié)果存在較明顯的差異。為了合理比較各混合料的低溫性能，對各指標(biāo)間的相關(guān)性進行對比分析，得到兩兩指標(biāo)之間的Pearson相關(guān)系數(shù),如表4所示。

表4 低溫性能指標(biāo)之間的相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficient among low temperature performance indicators

根據(jù)5個指標(biāo)的物理意義，εB，EB和φ為“越大越優(yōu)”型指標(biāo)，即其值越大，混合料低溫性能越強；而αT和E*為“越小越優(yōu)”型指標(biāo)，即其值越小，混合料低溫性能越強。據(jù)此，從表3、表4可以看出：

(1)εB，EB和φ三者之間均呈正相關(guān)，而與E*之間均呈負(fù)相關(guān)，表明這4個指標(biāo)的試驗結(jié)果與各AC-25瀝青混合料的低溫性能都保持了良好的一致性和相關(guān)性，均能合理地評價瀝青混合料的低溫性能。然而，αT與其他指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)的正負(fù)性出現(xiàn)了相反的情況，表明αT作為表征瀝青混合料低溫收縮性能的指標(biāo)，雖然在一定程度上能反映混合料本身的低溫性能，但不能合理評價各AC-25瀝青混合料之間低溫抗裂性能的優(yōu)劣，故αT不宜作為低溫性能對比的評價指標(biāo)。

(2)εB與EB之間的相關(guān)系數(shù)接近0.90，E*與φ之間的相關(guān)系數(shù)接近-0.85，這表明相同試驗不同指標(biāo)之間的相關(guān)性顯著，可相互替代，故同一種試驗可取其中1個指標(biāo)作為評價指標(biāo)；同時，εB與E*之間的相關(guān)系數(shù)絕對值大于0.85，反映了小梁低溫彎曲試驗和M2F動態(tài)模量試驗之間具有良好的一致性，故可進一步優(yōu)選其中1種試驗方法。

(3)不計指標(biāo)本身及其與αT之間的相關(guān)系數(shù)，可統(tǒng)計得到εB，EB，E*和φ4個指標(biāo)之間相關(guān)系數(shù)絕對值的平均值分別為0.832 6，0.712 6，0.777 2和0.737 5。通過比較可以得到，小梁低溫彎曲試驗和M2F動態(tài)模量試驗的最佳指標(biāo)分別為εB和E*，且εB優(yōu)于E*。因此，優(yōu)選小梁低溫彎曲試驗的εB作為9種AC-25瀝青混合料低溫性能對比的評價指標(biāo)，同時也表明《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中T 0715法采用最大彎拉應(yīng)變評價瀝青混合料低溫性能的合理性。

3.3 低溫性能對比評價

根據(jù)前述優(yōu)選的評價指標(biāo)，采用小梁低溫彎曲試驗得到的最大彎拉應(yīng)變εB對下面層9種AC-25瀝青混合料進行低溫性能對比評價，并結(jié)合表3可以看出：

(1)對于級配相同而瀝青結(jié)合料不同的AC-25瀝青混合料，6種級配G1混合料中，橡膠混合料的低溫性能最優(yōu)，SBS改性混合料次之，而普通混合料最差。其中，2種橡膠混合料的εB較為接近，相差不足1%；3種普通混合料中，70#瀝青混合料的εB較50#和30#分別提高了8.4%和25.2%，這說明瀝青標(biāo)號越高，瀝青越軟，低溫性能越好。同時，2種級配G2混合料中，SBS改性混合料的εB僅比橡膠混合料提高2.5%，說明兩者低溫性能相差不大；級配G3再生混合料的低溫性能介于改性混合料和普通混合料之間。因此，表明橡膠和SBS改性瀝青及高標(biāo)號石油瀝青能有效提高混合料的低溫性能，且再生混合料也具有較好的低溫性能。

(2)對于瀝青結(jié)合料相同而級配不同的AC-25瀝青混合料，級配G2的AR22%和SBS2改性混合料的εB分別比級配G1提高了2.8%和12.0%，級配G3的70#再生混合料εB較級配G1的70#普通混合料提高了5.0%。這表明粗集料含量較高的AC-25瀝青混合料及再生混合料也能達到良好的低溫性能。

4 結(jié)論

采用小梁低溫彎曲、中梁線收縮系數(shù)和法國梯形梁動態(tài)模量3種室內(nèi)試驗方法，對RIOHTrack 9種AC-25下面層瀝青混合料的低溫性能進行了對比評價，得到以下主要結(jié)論：

(1)小梁低溫彎曲試驗的εB和EB及M2F動態(tài)模量試驗的E*和φ與瀝青混合料的低溫蠕變性能呈現(xiàn)良好的一致性，而小梁低溫彎曲的RB和SB隨溫度的變化規(guī)律不明顯；中梁線收縮系數(shù)試驗的αT表征了混合料的低溫收縮性能。故取-10 ℃下εB，EB，αT，E*和φ作為低溫性能評價指標(biāo)。

(2)不同試驗指標(biāo)評價的各混合料低溫性能結(jié)果存在較明顯的差異，其中相同試驗不同指標(biāo)之間及小梁低溫彎曲與M2F動態(tài)模量試驗結(jié)果之間的相關(guān)性顯著，εB和E*分別為這2種試驗方法的最佳評價指標(biāo)，且εB更優(yōu)；但αT不能合理反映不同混合料間低溫抗裂性能的優(yōu)劣。因此，優(yōu)選εB作為不同混合料低溫性能對比的評價指標(biāo)。

(3)橡膠混合料的低溫性能最優(yōu)，SBS改性混合料次之，而普通混合料最差，這表明瀝青結(jié)合料類型對混合料低溫性能有顯著影響，其中橡膠和SBS改性瀝青及高標(biāo)號石油瀝青能有效改善瀝青混合料的低溫性能。同時，粗集料含量較高的混合料及再生混合料也能獲得良好的低溫性能。

本研究主要對比評價了下面層AC-25瀝青混合料的低溫性能，后續(xù)有待進一步評價中、上面層瀝青混合料的低溫性能。