SMA瀝青混合料的凍斷溫度及其影響因素研究★

丁 燦，沈菊男

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院 省生態(tài)道路技術(shù)產(chǎn)業(yè)化中心，浙江 蘇州 215009)

1 概述

瀝青混合料的低溫開(kāi)裂一直是國(guó)內(nèi)外道路工程領(lǐng)域關(guān)心和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。在我國(guó)北方地區(qū)由于溫度的降低導(dǎo)致路面內(nèi)部溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫病害也十分普遍。如果不加以修復(fù)，隨著積水侵入，面層基層軟化，路面承載力和使用壽命會(huì)降低，還會(huì)增加維護(hù)費(fèi)用，造成經(jīng)濟(jì)損失，所以研究其低溫抗裂性能具有重要工程意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低溫性能進(jìn)行了大量研究。陳世廣等[1]通過(guò)凍斷試驗(yàn)計(jì)算環(huán)氧瀝青混合料的斷裂溫度與強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)其油石比為6.5%時(shí)低溫性能最優(yōu)。譚憶秋等[2]發(fā)現(xiàn)成品SBS改性瀝青的凍斷溫度比一般瀝青低4 ℃，SMA類(lèi)瀝青混合料的凍斷溫度比AC類(lèi)瀝青混合料低6 ℃～10 ℃。馮卡等[3]發(fā)現(xiàn)破斷溫度評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能更直觀，破斷強(qiáng)度是重要的參考指標(biāo)。王善興[4]發(fā)現(xiàn)同類(lèi)型瀝青混合料 SMA-13比AC-13凍斷溫度降低9.5%，凍斷應(yīng)力提高8.3%。顧明達(dá)[5]研究發(fā)現(xiàn)凍斷溫度與轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度的相關(guān)性最大，彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量、破壞應(yīng)變和破壞勁度模量與凍斷溫度的相關(guān)系數(shù)都在0.8以上；彎拉強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度與凍斷溫度的相關(guān)系數(shù)小于0.8。王海朋等[6]通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和Overlay test試驗(yàn)，分析了不同空隙率的應(yīng)力吸收層AC-10和CAM-10瀝青混合料的抗反射裂縫性能，發(fā)現(xiàn)采用目標(biāo)空隙率為2%的CAM-10瀝青混合料低溫抗裂性能最優(yōu)。閆科偉等[7]應(yīng)用圓盤(pán)拉伸試驗(yàn)進(jìn)行溫度為-12 ℃下的瀝青混合料斷裂試驗(yàn)，選取斷裂應(yīng)變?nèi)菹拗禐樵u(píng)價(jià)指標(biāo)。王磊等[8]利用有限元計(jì)算出路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)面層線膨脹系數(shù)減小，溫度應(yīng)力也會(huì)減小。耿立濤等[9]利用Hankel積分變換等數(shù)學(xué)手段推導(dǎo)出解析式并研究溫度對(duì)瀝青混合料材料特性的影響關(guān)系。才洪美等[10]發(fā)現(xiàn)圓盤(pán)拉伸試驗(yàn)測(cè)定的破壞應(yīng)變與凍斷試驗(yàn)得到的斷裂溫度之間存在較好的相關(guān)性。Aflaki S等[11]選用Burgers模型擬合出對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)發(fā)現(xiàn)橡膠粉改性瀝青的低溫抗裂性要優(yōu)于其他三種改性瀝青。Huang B.S等[12]建立了熱拌瀝青混合料細(xì)觀力學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)抗拉強(qiáng)度，與低溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)一致性較好。Das P K等[13]建立的熱斷裂模型考慮了斷裂能閾值和非線性熱膨脹系數(shù)，結(jié)果表明非線性熱膨脹系數(shù)對(duì)低溫抗裂性能的預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性更好。

本研究目的是提高SMA瀝青混合料低溫抗裂性能。為此，主要探討了SMA瀝青混合料凍斷溫度及其影響因素。設(shè)計(jì)三種不同改性瀝青和九種SMA混合料，進(jìn)行約束試件凍斷試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、瀝青彎曲梁流變?cè)囼?yàn)和瀝青混合料的體積參數(shù)，分析研究各參數(shù)對(duì)凍斷溫度的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 原材料

本研究采用的基質(zhì)瀝青為韓國(guó)雙龍70號(hào)石油瀝青。SBS改性瀝青為試驗(yàn)室高速剪切機(jī)以7 500 r/min在160 ℃ 攪拌爐中剪切40 min制備而成，SBS摻量為4.5%，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。三大指標(biāo)和動(dòng)力黏度均符合JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范，測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 SBS改性劑的性能指標(biāo)

表2 4.5%改性瀝青性能指標(biāo)

另一改性劑選用60目的橡膠粉，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3，在SBS改性瀝青的基礎(chǔ)上采用濕拌法制備，摻量分別為10%和20%。結(jié)合上文提到的SBS改性瀝青共制備成三種改性瀝青，以下簡(jiǎn)記為A，B，C。

表3 橡膠粉的技術(shù)指標(biāo)

粗細(xì)集料選用海南產(chǎn)玄武巖碎石，共4檔：10 mm～15 mm，5 mm～10 mm，3 mm～5 mm，0 mm～3 mm，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 集料技術(shù)指標(biāo)

2.2 SMA混合料配合比設(shè)計(jì)和試驗(yàn)組合

SMA作為瀝青混合料中抗車(chē)轍性較好的級(jí)配類(lèi)型，同時(shí)，試驗(yàn)證明它的低溫抗裂性能也較好。所以本研究選用SMA為混合料的級(jí)配。圖1是SMA-13，SMA-10和SMA-5三種最大公稱粒徑的集料篩孔通過(guò)率以及合成級(jí)配曲線。

采用馬歇爾試驗(yàn)方法測(cè)定并計(jì)算體積參數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。其中SMA-13的最佳配比：10 mm～15 mm，5 mm～10 mm，0 mm～3 mm和礦粉的用量為44%，35%，15%和8%；SMA-10的最佳配比：5 mm～10 mm，3 mm～5 mm，0 mm～3 mm和礦粉的用量為55%，15.5%，20.5%和9%；SMA-5的最佳配比：3 mm～5 mm，0 mm～3 mm和礦粉的用量為63.9%，22.9%和13.2%。

表5 瀝青混合料的體積參數(shù)

試驗(yàn)組合：將九種不同瀝青混合料按照瀝青種類(lèi)分成三組，其中4.5%SBS改性瀝青為A，4.5%SBS+10%CRM雙改性瀝青為B，4.5%SBS+20%CRM雙改性瀝青為C。

2.3 試驗(yàn)方法

1)約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)。

約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)采用UTM萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，如圖2所示。試件為輪碾法壓實(shí)成型的瀝青混合料切割成50 mm×50 mm×250 mm的棱柱體，擬試驗(yàn)初始溫度為10 ℃，降溫速率為15 ℃/h，采用三個(gè)平行試件取均值得到試驗(yàn)結(jié)果。

2)瀝青混合料小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)。

小梁彎曲試驗(yàn)采用低溫小梁彎曲蠕變儀，如圖3所示，加載速率為50 mm/min，小梁試件為車(chē)轍板輪碾法壓實(shí)成型的瀝青混合料切割成200 mm×30 mm×35 mm的棱柱體，試驗(yàn)得到-10 ℃下小梁破壞時(shí)的跨中撓度d和最大荷載PB，采用三個(gè)平行試件取均值得到試驗(yàn)結(jié)果。

3)瀝青彎曲梁低溫流變?cè)囼?yàn)。

瀝青彎曲梁低溫流變?cè)囼?yàn)儀器為彎曲梁流變儀試驗(yàn)儀器為彎曲梁流變儀，如圖4所示。按照J(rèn)TGE 20—2011規(guī)程制備試件，在-5 ℃的水浴中冷卻10 min再脫模。試驗(yàn)前將試件放入試驗(yàn)溫度±0.5 ℃的恒溫水浴中保持(60±5)min。三種改性瀝青試驗(yàn)溫度擬-12 ℃，-18 ℃和-24 ℃，每組試驗(yàn)采用三個(gè)平行試件，得到勁度模量S和蠕變速率m。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 凍斷應(yīng)力與凍斷溫度的影響關(guān)系

將SMA混合料按照最大公稱粒徑分別為5 mm，10 mm和13 mm分編為1，2，3，則A1～A3，B1～B3，C1～C3的 約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果以及凍斷溫度與應(yīng)力之間的關(guān)系分別如表6，圖5所示。

表6 不同瀝青混合料約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，A，B，C三組的凍斷溫度均隨凍斷應(yīng)力的減小而升高。對(duì)于A組瀝青混合料，凍斷應(yīng)力從A1的4.83 MPa到A2的2.05 MPa再到A3的1.48 MPa，對(duì)應(yīng)的凍斷溫度卻逐級(jí)升高，從-22.4 ℃到-18.9 ℃再到-16.7 ℃，凍斷溫度增幅為15.6%和11.6%，整體增幅25.4%，說(shuō)明凍斷應(yīng)力越小，瀝青混合料的凍斷溫度也會(huì)越高，低溫抗裂性能也就越差。對(duì)于B組瀝青混合料，當(dāng)凍斷應(yīng)力從B3的1.60 MPa到B2的2.87 MPa再到B1的5.40 MPa逐級(jí)提高，對(duì)應(yīng)的凍斷溫度從-20.4 ℃到-23.8 ℃再到-29.2 ℃逐級(jí)降低，凍斷溫度減幅為16.7%和22.7%，整體減幅43.1%，說(shuō)明凍斷應(yīng)力越大，瀝青混合料的凍斷溫度越低，表現(xiàn)出越來(lái)越優(yōu)異的低溫抗裂性能，從反面驗(yàn)證了凍斷應(yīng)力對(duì)凍斷溫度的影響明顯。這一影響規(guī)律在C組試驗(yàn)中則更為顯著，當(dāng)C1的凍斷應(yīng)力達(dá)到6.15 MPa時(shí)，其凍斷溫度降為九種瀝青混合料中最低值-31.5 ℃。

通過(guò)分析上文的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，凍斷應(yīng)力與凍斷溫度之間聯(lián)系緊密相互影響，凍斷溫度越低其凍斷應(yīng)力越高，低溫抗裂性能越好，反之，提高混合料的凍斷應(yīng)力有利于降低其凍斷溫度，解決溫縮開(kāi)裂問(wèn)題。

3.2 瀝青低溫流變性能與瀝青混合料凍斷溫度的關(guān)系

利用彎曲梁流變儀測(cè)試A，B，C三類(lèi)改性瀝青的勁度模量和蠕變速率，研究不同溫度環(huán)境下瀝青的低溫流變情況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及關(guān)系變化如表7，圖6所示，圖7橫軸命名為ABC+試驗(yàn)溫度。

表7 三種瀝青低溫流變的試驗(yàn)結(jié)果

從圖7可知，A，B，C三類(lèi)改性瀝青的勁度模量和蠕變速率受試驗(yàn)溫度的影響之大。A瀝青在-12 ℃的勁度模量為85.5 MPa，當(dāng)試驗(yàn)溫度降低到-18 ℃和-24 ℃時(shí)，勁度模量升高到237.6 MPa和344.2 MPa，同樣地，蠕變速率隨著溫度降低從0.365先降低到0.309再降到0.254，說(shuō)明瀝青的流動(dòng)性和韌性隨著溫度降低越來(lái)越差，且勁度模量和蠕變速率呈負(fù)相關(guān)。相比之下，B瀝青也存在同樣的變化趨勢(shì)，但其勁度模量整體優(yōu)于A瀝青和C瀝青，在-12 ℃的勁度模量最小，為81.3 MPa，但-24 ℃的勁度模量307.5 MPa>300 MPa，不滿足一般路用安全要求，瀝青在-24 ℃容易脆斷。B瀝青的蠕變速率在-24 ℃時(shí)較其他兩類(lèi)瀝青好，但僅為0.297<0.3，同樣說(shuō)明-24 ℃的瀝青流動(dòng)性較差。

由于瀝青是瀝青混合料中主要的原材料，所以分析瀝青的低溫流變性能對(duì)研究瀝青混合料的凍斷溫度具有重要意義。綜合三組瀝青的測(cè)試結(jié)果可知，勁度模量與蠕變速率呈反相關(guān)關(guān)系。試驗(yàn)溫度越低，瀝青的勁度模量越大，蠕變速率越小，韌性變差，脆性增大越易斷裂，凍斷溫度也會(huì)越高。

3.3 混合料體積參數(shù)與凍斷溫度的影響關(guān)系

根據(jù)2.2節(jié)SMA瀝青混合料配比設(shè)計(jì)及體積參數(shù)可知，不同最大公稱粒徑瀝青混合料的最佳瀝青用量有所不同，所以本小節(jié)通過(guò)研究混合料體積參數(shù)分析對(duì)凍斷溫度的影響，圖7，圖8橫軸為ABC+最佳瀝青用量。

圖7是最大公稱粒徑下，A，B，C瀝青混合料的毛體積密度和空隙率隨最佳瀝青用量變化的情況。從各組A,B,C瀝青混合料來(lái)看，A的毛體積密度略高于B，C瀝青混合料，在A，C最佳瀝青用量相差0.6%時(shí)，SMA-5的最大值為2.503 g/cm3，最小值2.493 g/cm3，差值0.01 g/cm3。SMA-10和SMA-13的最大最小毛體積密度之差也只有0.017 g/cm3和0.021 g/cm3。說(shuō)明各類(lèi)型瀝青混合料的毛體積密度差異較小，即毛體積密度并非影響最佳瀝青用量的關(guān)鍵因素。從空隙率方面看，由于瀝青用量增多，混合料之間的空隙率會(huì)急劇下降，而且SMA-5和SMA-10的最大最小空隙率相差0.11和0.12，但SMA-13的最大最小空隙率差值最小為0.03，這主要是因?yàn)槠錇r青用量增加較少造成的。綜合兩項(xiàng)體積參數(shù)可知增加瀝青用量會(huì)減小SMA混合料的空隙率而對(duì)毛體積密度的影響較小。

圖8是最大公稱粒徑下，A，B，C瀝青混合料的礦料間隙率和飽和度隨最佳瀝青用量變化的情況。SMA-5和SMA-10兩組變化趨勢(shì)較為相似，當(dāng)瀝青用量從6.3%提高到6.9%，SMA-5的礦料間隙率從17.6%降為17.2%。當(dāng)瀝青用量從6.1%提高到6.6%，SMA-10的礦料間隙率從17.9%降為17.5%。說(shuō)明對(duì)于SMA-5和SMA-10增加瀝青用量會(huì)降低礦料間隙率，兩者呈反相關(guān)。但對(duì)于大粒徑SMA-13較為特殊，B瀝青用量6.1%的礦料間隙率18.7%遠(yuǎn)高于A-5.8%和C-6.1%。從飽和度來(lái)看，SMA-5的B-6.7%和SMA-10的B-6.5%飽和度低于同組其他瀝青用量試驗(yàn)的飽和度，分別為80.6和78.3，SMA-13三組飽和度同樣與瀝青用量和礦料間隙率無(wú)明顯線性規(guī)律。

圖9是不同最佳瀝青用量與凍斷溫度的變化關(guān)系情況。當(dāng)A混合料的最佳瀝青用量從6.3%分別減少到6.1%和5.8%時(shí)，凍斷溫度從-22.4 ℃分別提高到-18.9 ℃和-16.7 ℃。B混合料的最佳瀝青用量從6.7%分別減少到6.5%和6.1%時(shí)，凍斷溫度從-29.2 ℃分別提高到-23.8 ℃和-20.4 ℃。C混合料的變化規(guī)律也相似，且在最佳瀝青用量為6.9%時(shí)測(cè)得最低凍斷溫度-31.5 ℃。以上均表明凍斷溫度會(huì)隨最佳瀝青用量的減少而升高，兩者呈反相關(guān)的變化規(guī)律。

綜合體積參數(shù)分析可得空隙率的大小對(duì)最佳瀝青用量的確定影響最大，毛體及密度，礦料間隙率和飽和度的影響相對(duì)較小。所以凍斷溫度的主要影響因素來(lái)自空隙率，空隙率越小，凍斷溫度越低，低溫抗裂性能更好。

3.4 瀝青混合料低溫彎曲性能與凍斷溫度的關(guān)系

瀝青混合料的低溫彎曲性能可測(cè)定在規(guī)定溫度和加載速率時(shí)彎曲破壞的力學(xué)性質(zhì)，通過(guò)跨中撓度d和最大荷載PB計(jì)算彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量，如表8所示。

表8 小梁的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

圖10是彎拉應(yīng)變與凍斷溫度之間的變化關(guān)系，兩者的變化方向一致。當(dāng)A混合料的彎拉應(yīng)變?yōu)? 855 με，其凍斷溫度為-22.4 ℃，當(dāng)彎拉應(yīng)變提高到3 028 με和3 203 με時(shí)，凍斷溫度上升到-18.9 ℃和-16.7 ℃。說(shuō)明A混合料的彎拉應(yīng)變與凍斷溫度呈正相關(guān)，彎拉應(yīng)變?cè)叫?，凍斷溫度越低。B混合料的彎拉應(yīng)變最大2 654 με最小2 918 με，整體小于A混合料，相應(yīng)的凍斷溫度分別為-29.2 ℃和-20.4 ℃，低于A混合料的凍斷溫度區(qū)間，同樣表明越小的彎拉應(yīng)變其凍斷溫度越低。C混合料的彎拉應(yīng)變變化幅度小于A，B混合料，尤其SMA-10和SMA-13的彎拉應(yīng)變接近，分別為2 660 με和2 664 με，但由于整體彎拉應(yīng)變計(jì)算結(jié)果小于A，B混合料，其凍斷溫度波動(dòng)區(qū)間更大，SMA-5的凍斷溫度達(dá)到-31.5 ℃，表現(xiàn)出良好的低溫性能。

圖11是彎曲勁度模量與凍斷溫度之間的變化關(guān)系，兩者的變化趨勢(shì)一致。當(dāng)A混合料的彎曲勁度模量從3 082 MPa提高到3 632 MPa，其凍斷溫度從-22.4 ℃增加到-16.7 ℃，兩者呈正相關(guān)。B混合料的凍斷溫度也隨著彎曲勁度模量的降低而降低，升高而升高。由于彎曲勁度模量與彎拉應(yīng)變相關(guān)，所以盡管C混合料的彎曲勁度模量變化不大，凍斷溫度整體仍然呈正相關(guān)影響。

綜上所述，小梁的彎拉應(yīng)變與彎曲勁度模量也直接影響混合料的凍斷溫度，彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量越大，其凍斷溫度會(huì)越高。

4 結(jié)論

本文以約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)中的凍斷溫度為研究對(duì)象，準(zhǔn)確模擬SMA瀝青路面在降溫過(guò)程中受力和破壞情況，通過(guò)凍斷應(yīng)力，瀝青的勁度模量和蠕變速率，混合料的體積參數(shù)，低溫抗荷載破壞應(yīng)變和彎曲勁度模量分析對(duì)凍斷溫度的影響規(guī)律。得到以下結(jié)論：

1)凍斷應(yīng)力作為約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)的另一個(gè)主要指標(biāo)，與凍斷溫度聯(lián)系緊密，當(dāng)凍斷應(yīng)力提高70.9%，凍斷溫度降低33.7%，反之亦然，說(shuō)明兩者相互影響，呈負(fù)相關(guān)且凍斷應(yīng)力高的瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

2)SMA混合料的低溫性質(zhì)與瀝青低溫流變性能相聯(lián)系，所以研究勁度模量和蠕變速率對(duì)凍斷溫度的影響。當(dāng)瀝青的勁度模量為81.3 MPa，蠕變速率為0.383，此時(shí)試驗(yàn)溫度為-12 ℃。當(dāng)瀝青的勁度模量為344.2 MPa，蠕變速率為0.254，此時(shí)的試驗(yàn)溫度為-24 ℃。說(shuō)明降低試驗(yàn)溫度，勁度模量會(huì)增大，蠕變速率會(huì)減小，流變性降低導(dǎo)致凍斷溫度提高。

3)體積指標(biāo)中的空隙率是影響凍斷溫度的最關(guān)鍵因素。當(dāng)空隙率升高0.23時(shí)，最佳瀝青用量會(huì)降低0.5%，凍斷溫度升高5.7 ℃。當(dāng)空隙率升高0.32時(shí)，最佳瀝青用量會(huì)降低0.8%，凍斷溫度升高10.6 ℃。

4)凍斷溫度與小梁低溫彎曲試驗(yàn)中的彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量呈正向影響關(guān)系，當(dāng)其彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量分別降低5.3%和5.8%，凍斷溫度也會(huì)降低33.7%。說(shuō)明降低瀝青混合料的彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量，有助于降低凍斷溫度，提高其低溫抗裂性能。