瀝青混合料抗低溫開(kāi)裂性能評(píng)價(jià)方法綜述

摘要 為明晰瀝青混合料的低溫開(kāi)裂機(jī)理，評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能，該文綜述了七種瀝青混合料抗低溫開(kāi)裂性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)比了各方法間的應(yīng)用場(chǎng)景及優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)了瀝青混合料抗低溫開(kāi)裂性能評(píng)價(jià)方法的研究熱點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 道路工程；瀝青混合料；低溫抗裂性能

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）19-0189-03

0 引言

公路作為連接社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的紐帶，其建設(shè)質(zhì)量直接關(guān)系到交通的流暢性和安全性。隨著交通流量的不斷增加和行駛速度的提升，對(duì)公路路面的性能要求也日益嚴(yán)格。瀝青混凝土路面具有施工周期短、行車舒適性好、養(yǎng)護(hù)維修便捷等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛用于各地級(jí)路面的鋪裝。然而，由于自然環(huán)境、交通荷載、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工工藝等多重因素的影響，瀝青混凝土路面在未達(dá)到設(shè)計(jì)服役壽命時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)裂縫、坑槽、車轍等病害，嚴(yán)重影響了路面的服役水平和使用壽命[1]。

其中，裂縫作為瀝青混凝土路面的主要破壞形式之一，其產(chǎn)生和發(fā)展對(duì)路面的整體性能有著顯著影響[2]。在交通荷載、水、溫度變化等因素的共同作用下，裂縫會(huì)逐步擴(kuò)展，最終可能導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞。因此，準(zhǔn)確且便捷的瀝青混合料低溫抗裂性能評(píng)價(jià)方法，對(duì)提高瀝青混合料在低溫環(huán)境下的服役水平，延長(zhǎng)道路使用壽命、減少維護(hù)成本具有重要意義[3]。

該文將對(duì)瀝青混合料的低溫抗裂性能評(píng)價(jià)方法進(jìn)行綜述，重點(diǎn)介紹了七種試驗(yàn)方法的基本原理、應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)比分析不同方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，以期為瀝青混合料的性能評(píng)價(jià)和路面設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 瀝青混合料低溫抗裂性評(píng)價(jià)方法

1.1 小梁彎曲試驗(yàn)

1.2.1 低溫小梁彎曲破壞試驗(yàn)

小梁低溫彎曲破壞試驗(yàn)通過(guò)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行三點(diǎn)加載，獲得瀝青混合料的拉伸應(yīng)變。但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為相比于拉伸應(yīng)變，斷裂能更確切地表征瀝青混合料的低溫抗裂能力。

葛折圣等[4]通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)，研究了瀝青混合料的低溫開(kāi)裂機(jī)理，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法，對(duì)多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混合料的彈性應(yīng)變能與其低溫抗裂性能之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系。這一發(fā)現(xiàn)為理解瀝青混合料的低溫性能提供了新的視角。同時(shí)，研究還指出臨界彎曲應(yīng)變和彎曲強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)可被應(yīng)變能密度的臨界值綜合體現(xiàn)。因此，以應(yīng)變能密度的臨界值為瀝青混合料的低溫抗裂性能的關(guān)鍵控制指標(biāo)更為科學(xué)和準(zhǔn)確。申愛(ài)琴等[5]通過(guò)低溫彎曲試驗(yàn)探究了瀝青混合料的低溫抗裂性影響因素，提出并非瀝青標(biāo)號(hào)越高其抗裂性越好。

1.1.2 小梁彎曲蠕變?cè)囼?yàn)

彎曲蠕變?cè)囼?yàn)操作簡(jiǎn)便且具有較好的科學(xué)性和可靠性，被SHRP瀝青標(biāo)準(zhǔn)采用，0℃環(huán)境下瀝青混合料的蠕變速率作為評(píng)價(jià)其低溫抗裂性能的重要指標(biāo)[6]。

大量對(duì)比試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，蠕變速率和蠕變?nèi)崃績(jī)蓚€(gè)指標(biāo)能夠較好地評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能，該試驗(yàn)方法具有較高的可靠性，但在后續(xù)的研究中大多以蠕變速率評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能。在彎曲蠕變?cè)囼?yàn)過(guò)程中，瀝青混合料的蠕變過(guò)程分為遷移、穩(wěn)定和破壞三個(gè)階段。其中，蠕變穩(wěn)定階段的蠕變速率尤為重要，它可直接用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫變形能力。蠕變速率反映了瀝青混合料的變形能力和韌性越強(qiáng)，其蠕變速率越大，抗低溫開(kāi)裂性能越好[7]。

1.1.3 切口小梁彎曲試驗(yàn)

近年來(lái)，基于斷裂力學(xué)的切口小梁彎曲試驗(yàn)也被用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能。為模擬瀝青路面的早期微小裂紋在試驗(yàn)混合料樣件上預(yù)切槽，對(duì)時(shí)間施加溫度和荷載，得出應(yīng)變能對(duì)試驗(yàn)樣件的積分。部分學(xué)者也借助切口小梁彎曲試驗(yàn)研究了瀝青混合料的低溫性能以及低溫條件下的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展機(jī)理。李萍等[8]基于斷裂力學(xué)和權(quán)函數(shù)理論，借助切口小梁彎曲試驗(yàn)，研究了瀝青混合料的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展機(jī)制，其認(rèn)為切口越長(zhǎng)，瀝青混合料越易開(kāi)裂。劉棟等[9]借助切口小梁彎曲試驗(yàn)研究了AC—16瀝青混合料的抗開(kāi)裂性能，研究結(jié)果表明，瀝青混合料在不同受荷模式下的破壞形式相同。

1.2 間接拉伸試驗(yàn)

間接拉伸試驗(yàn)過(guò)程按照規(guī)定的速率對(duì)直徑101.6 mm，高度63.5 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾瀝青混合料試件進(jìn)行軸向加載，記錄試件的垂直和水平變形并計(jì)算瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度。除劈裂強(qiáng)度外，破壞變形和勁度模量等指標(biāo)也可評(píng)價(jià)瀝青的低溫抗裂性能。在這三個(gè)試驗(yàn)參數(shù)中，劈裂破壞強(qiáng)度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性最低，差異較大，破壞應(yīng)變對(duì)其敏感度較高，破壞勁度可綜合體現(xiàn)另外兩個(gè)參數(shù)。因此，為提高劈裂試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性，應(yīng)綜合考慮破壞應(yīng)變和破壞勁度[10]。

齊琳研究發(fā)現(xiàn)[10]，劈裂試驗(yàn)具有方法簡(jiǎn)單，試件制備容易，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，各力學(xué)指標(biāo)對(duì)試驗(yàn)條件的變化更敏感等優(yōu)點(diǎn)。但彎曲應(yīng)變和勁度模量無(wú)法很好地反映瀝青混合料的使用性能，混合料的彎曲應(yīng)變難以精確測(cè)量，并且勁度模量在不同瀝青材料間的差異不明顯。因此，在評(píng)估混凝土在低溫下性能時(shí)，劈裂試驗(yàn)只能作為經(jīng)驗(yàn)性方法來(lái)相互比較。此外，由于缺乏高精度測(cè)試設(shè)備，不同學(xué)者的測(cè)試結(jié)果存在較大差異。因此，間接拉伸試驗(yàn)無(wú)法全面評(píng)估瀝青混凝土在低溫下的抗裂性能指標(biāo)。

1.3 圓盤斷裂拉伸試驗(yàn)（DCT）

圓盤斷裂拉伸試驗(yàn)（Disc-Shaped Compact Tension Test，DCT）是根據(jù)《金屬材料線彈性平面應(yīng)變斷裂韌性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》（ASTM E399-20a）中的類似原理開(kāi)發(fā)的。Wagoner等開(kāi)發(fā)了DCT測(cè)試[11]，DCT測(cè)試采用了由圓柱裁切的圓盤狀的試樣，圓柱形試樣可通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)或現(xiàn)場(chǎng)取芯獲得，這也是DCT試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)之一。并且，DCT試驗(yàn)的結(jié)果變異系數(shù)維持在較低的水平，且與半圓彎曲（Semi-Circular Bending test，SCB）試驗(yàn)相當(dāng)。斷裂能是DCT試驗(yàn)常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，斷裂能表征瀝青混合料產(chǎn)生單位斷裂面所需要的能量。Zhu等[12]提出了FST作為從DCT測(cè)試中區(qū)分混合料低溫抗裂性的次要指標(biāo)。該指標(biāo)可用來(lái)區(qū)分低溫柔韌性相近的瀝青混合料，并且該指標(biāo)的變異性得到了進(jìn)一步的降低。明尼蘇達(dá)州交通部最近提出了另一種方法來(lái)解釋DCT測(cè)試的低溫性能測(cè)試結(jié)果，稱為DCTIndex。DCTIndex能夠較好地表征瀝青混合料抗反射裂縫的能力。Nemati等[13]提出了將加載速率與裂縫擴(kuò)展過(guò)程中的耗散功綜合考慮，以區(qū)分不同瀝青混合料的斷裂特性。此外，閆科偉等[14]借助層次分析法，綜合分析了瀝青混合料的DCT試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定了DCT試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重和影響程度，建立了基于層次分析法的瀝青混合料抗裂性能綜合評(píng)價(jià)方法。朱月風(fēng)等[15]建立了不含裂尖增強(qiáng)函數(shù)的簡(jiǎn)化擴(kuò)展有限元法，模擬瀝青混合料的DCT試驗(yàn)，驗(yàn)證了DCT試驗(yàn)的可靠性，將瀝青混合料的裂紋的產(chǎn)生與拓展過(guò)程分為了線彈性變形階段、損傷累積階段、裂縫宏觀展現(xiàn)并擴(kuò)展階段與破壞階段。

1.4 半圓彎拉試驗(yàn)

半圓彎拉試驗(yàn)在1984年被提出，該試驗(yàn)原本設(shè)用來(lái)評(píng)價(jià)巖石的斷裂韌性，Molenaar驗(yàn)證了SCB試驗(yàn)是一種簡(jiǎn)便有效的瀝青混合料低溫性能測(cè)試方法[16]。該試驗(yàn)在評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫性能方面優(yōu)勢(shì)明顯，但受制于加載方式等影響，國(guó)內(nèi)一直難以開(kāi)展 SCB試驗(yàn)的深入研究。隨著伊利諾伊州提出預(yù)切縫尖端豎向位移加載模式，學(xué)者們對(duì)SCB試驗(yàn)的研究有望提高到一個(gè)新的層次。

半圓彎拉試驗(yàn)通常以斷裂能為低溫性能評(píng)價(jià)依據(jù)，但也有學(xué)者通過(guò)半圓彎拉試驗(yàn)進(jìn)行J積分強(qiáng)度分析、勁度分析、斷裂韌性分析、靈活性因子分析等多種指標(biāo)分析[17]。SCB試驗(yàn)加載簡(jiǎn)單，半圓狀的試件形態(tài)布置使得加載過(guò)程不易產(chǎn)生剪應(yīng)力集中等現(xiàn)象，試驗(yàn)的力學(xué)原理與路面的實(shí)際低溫受力狀態(tài)更相近，這使得該試驗(yàn)?zāi)軌蚓珳?zhǔn)地模擬瀝青混合料在低溫條件下裂縫的擴(kuò)展行為[18]。因此，SCB試驗(yàn)成為評(píng)估瀝青路面低溫性能不可或缺的重要手段，具有十分廣泛的應(yīng)用空間。

1.5 低溫約束應(yīng)力試驗(yàn)法

在現(xiàn)有的瀝青混合料抗裂性評(píng)價(jià)試驗(yàn)室試驗(yàn)中，最關(guān)注特定溫度條件下瀝青混合料的斷裂應(yīng)力或裂紋擴(kuò)展過(guò)程，例如間接拉伸試驗(yàn)、彎曲梁試驗(yàn)、單邊缺口梁試驗(yàn)、SCB試驗(yàn)。其中只有少數(shù)涉及瀝青路面在冷卻天氣下經(jīng)歷的實(shí)際熱應(yīng)力積累過(guò)程，包括低溫約束應(yīng)力試驗(yàn)法[19]。

凍斷試驗(yàn)可使用凍斷溫度、凍斷強(qiáng)度、轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度與濕度—應(yīng)力曲線斜率四項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能[20]。凍斷溫度表征混合料能夠承受的最低溫度，凍斷強(qiáng)度表征瀝青混合料抵抗溫度收縮應(yīng)力的能力，通常將凍斷溫度與凍斷強(qiáng)度結(jié)合起來(lái)表征瀝青混合料的低溫抗裂性能。溫度應(yīng)力隨著溫度變化曲線的拐點(diǎn)可視為瀝青混合料應(yīng)力松弛階段結(jié)束點(diǎn)，其轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度混合料低溫抗裂性越好。瀝青混合來(lái)料應(yīng)力松弛階段結(jié)束后的溫度—應(yīng)力曲線斜率越低其低溫抗裂性越好[21]。

1.6 OT試驗(yàn)

Overlay Test（OT）試驗(yàn)最早由Germann和Lytton提出，用于測(cè)試瀝青加鋪層及土工合成材料的防反性能[22]。該試驗(yàn)過(guò)程中，使試件產(chǎn)生橫向位移，以模擬道路反射裂縫對(duì)瀝青罩面的實(shí)際作用。試驗(yàn)采用了正弦三角波形加載模式，這種加載模式不僅能夠模擬道路在真實(shí)情況下的連續(xù)受力狀態(tài)，還能夠反映出瀝青混合料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[23]。OT試驗(yàn)具備較多優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)得克薩斯州和新澤西州均將OT試驗(yàn)用于瀝青混合料的平衡設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗開(kāi)裂能力。

1.7 彎曲應(yīng)力松弛試驗(yàn)

環(huán)境溫度的急劇變化導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部溫度變化不均勻，混合料內(nèi)部溫度應(yīng)力急劇增長(zhǎng)。當(dāng)混合料內(nèi)部應(yīng)力值大于瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，瀝青混合料開(kāi)裂產(chǎn)生裂縫。因此，應(yīng)力松弛特性對(duì)瀝青材料的抗裂性至關(guān)重要[24]。材料的變形系數(shù)用應(yīng)力松弛模量Er表述：

Er=σ（t）/ε0 （1）

式中：Er——應(yīng)力松弛模量（也稱應(yīng)力松弛勁度模量）（MPa）；ε0——保持不變的初始應(yīng)變；σ——隨時(shí)間變化的應(yīng)力值（MPa）。

因?yàn)棣?是保持不變的初始應(yīng)變，應(yīng)力σ隨時(shí)間t不斷減小，故Er是時(shí)間t的函數(shù)。評(píng)價(jià)應(yīng)力松弛性能的主要指標(biāo)有g0FNa9EObfYaTeLKAqmEtcObUgwsODTVwlUFwWVSvS8=應(yīng)力松弛時(shí)間、松弛勁度模量。松弛模量越小、時(shí)間越短，瀝青混合料應(yīng)力松弛性能越好，瀝青混合料低溫抗裂性能越好。

2 結(jié)論與展望

通過(guò)綜述瀝青混合料的低溫抗裂性能評(píng)價(jià)方法得到以下結(jié)論：

（1）目前瀝青混合料低溫抗裂性評(píng)價(jià)方法較多，但是各方法都存在一定的局限性，評(píng)價(jià)指標(biāo)的可靠性也有待研究，應(yīng)開(kāi)發(fā)更多的試驗(yàn)室試驗(yàn)方法，以再現(xiàn)真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)路面環(huán)境。

（2）半圓彎拉試驗(yàn)是目前的研究熱點(diǎn)，預(yù)切縫尖端豎向位移加載模式的提出，進(jìn)一步推動(dòng)了半圓彎拉試驗(yàn)研究熱度。

（3）OT試驗(yàn)作為瀝青混合料平衡設(shè)計(jì)法的重要一環(huán)，是未來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗開(kāi)裂能力的重要指標(biāo)之一。

（4）每種試驗(yàn)方法都有其特定的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)缺點(diǎn)，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求和條件選擇合適的試驗(yàn)方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。此外，為了獲得更加準(zhǔn)確和可靠的結(jié)果，往往需要結(jié)合多種試驗(yàn)方法進(jìn)行分析和比較。

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收稿日期：2024-07-16

作者簡(jiǎn)介：王躍久（1978—），男，本科，工程師，主要從事道路與橋梁工程研究工作。

基金項(xiàng)目：青海省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目“公路特長(zhǎng)隧道阻燃抗滑瀝青面層材料設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究”（2023-03）。