權(quán)戈冰

重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院

瀝青混合料低溫抗裂性能評價(jià)方法研究

權(quán)戈冰

重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院

本文對各種瀝青混合料低溫抗裂性能試驗(yàn)和評價(jià)指標(biāo)作了分析，并進(jìn)行了比較，基于試驗(yàn)的可靠度和試驗(yàn)難度進(jìn)行了綜合評分。通過室內(nèi)試驗(yàn)對比了間接拉伸試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，結(jié)果表明間接拉伸試驗(yàn)比低溫彎曲試驗(yàn)的結(jié)果變異系數(shù)更小，敏感度更高。

瀝青混合料；低溫；評價(jià)方法

1 前言

近年來，我國公路在取得量的發(fā)展同時(shí)，質(zhì)的問題也越來越突出，早期強(qiáng)度、耐久性、車轍和抗裂性等問題一直困擾著我們的工程設(shè)計(jì)人員。在眾多的瀝青路面損害形式當(dāng)中，低溫開裂是最為突出的路面破壞形式之一[1]。為了在路面設(shè)計(jì)時(shí)就做好對路面低溫開裂的預(yù)防，需對材料的低溫抗裂性能進(jìn)行評定，低溫抗裂性能試驗(yàn)是必不可少的一步。然而，瀝青混合料的低溫抗裂性能評價(jià)試驗(yàn)很多，各方法評價(jià)參數(shù)也不同，如何選擇更能反應(yīng)材料工程實(shí)際低溫抗裂性能的試驗(yàn)及評價(jià)參數(shù)成為一個(gè)重要的問題。因此本文對得到廣泛認(rèn)可的幾個(gè)試驗(yàn)方法和評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了總結(jié)分析，可為設(shè)計(jì)人員提供參考。

2 低溫開裂因素

瀝青混合料低溫開裂是其自身因素和外界因素的綜合作用結(jié)果。

2.1 材料因素

材料因素包括了瀝青的低溫性能、集料的品質(zhì)、瀝青混合料的均勻性以及瀝青與礦料的粘結(jié)強(qiáng)度。瀝青的針入度越大，延度越大，低溫勁度越小，低溫流變指數(shù)越小，瀝青的低溫性能往往越好。集料的吸水率對瀝青和集料之間的粘附性有影響，吸水率越低，粘附性越強(qiáng)，抗裂性能更好[2]。

2.2 外界因素

除了材料本身，溫度變化過大、氣溫下降過快、交通量過大、超載嚴(yán)重、路面設(shè)計(jì)考慮不全和施工方式不當(dāng)?shù)仁且鹇访娴蜏亻_裂的外部因素[3]。

瀝青面層在路面的最表面，直接受到氣溫變化的影響。當(dāng)氣溫下降時(shí)，瀝青面層的收縮變形將受到路面基層的限制，導(dǎo)致在瀝青面層內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。在一般情況下，瀝青混合料本身具有的應(yīng)力松弛性能能夠消解溫度應(yīng)力，但是當(dāng)氣溫下降過快時(shí)，拉應(yīng)力的產(chǎn)生速度過快，材料本身的應(yīng)力松弛模量增大，導(dǎo)致混合料的內(nèi)部應(yīng)力累積。除了面層受溫度應(yīng)力以外，基層也會因?yàn)闇囟葢?yīng)力而開裂，從而使瀝青面層底部開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過抗拉強(qiáng)度后，面層會從下往上開裂來釋放應(yīng)力，形成反射裂縫。

3 試驗(yàn)方法及評價(jià)指標(biāo)分析

3.1 間接拉伸試驗(yàn)

間接拉伸試驗(yàn)又稱低溫劈裂試驗(yàn)，采用馬歇爾試件，在一定的變形速率下，對試件的軸向進(jìn)行壓縮加載，通過LVDT得到垂直和水平變形量，從而獲得劈裂強(qiáng)度和變形數(shù)據(jù)。Anderson等人建議加載速率1.5mm/min比較合適，在我國的試驗(yàn)規(guī)程[4]當(dāng)中采用1mm/min作為推薦加載速率，試驗(yàn)溫度為-10℃。實(shí)際研究中可以根據(jù)需要調(diào)整試驗(yàn)溫度和加載速率。

3.2 低溫彎曲試驗(yàn)

我國試驗(yàn)規(guī)程中采用輪碾法成型的試件切割成尺寸為250mm×30mm×35mm的小梁以50mm/min中點(diǎn)加載，試驗(yàn)時(shí)小梁跨徑為200mm，試驗(yàn)溫度與間接拉伸試驗(yàn)一致。國外也有采用82.55mm×82.55mm×381mm的梁進(jìn)行三點(diǎn)加載來試。該試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)為彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變及勁度模量。

但是在實(shí)際的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)[5]，彎拉強(qiáng)度的變化規(guī)律往往會和彎拉應(yīng)變產(chǎn)生沖突，因此有研究建議采用彎曲應(yīng)變能作為評價(jià)指標(biāo)，它兼顧了彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變，同時(shí)彎拉應(yīng)變比彎拉強(qiáng)度更能表征低溫性能。

3.3 蠕變試驗(yàn)

低溫蠕變試驗(yàn)分為直接拉伸蠕變、劈裂拉伸蠕變和彎曲蠕變試驗(yàn)。我國試驗(yàn)規(guī)程中采用彎曲蠕變試驗(yàn)評定混合料的低溫變形性能，其試件成型方法與彎曲破壞試驗(yàn)一致，試驗(yàn)溫度為0℃，要求對小梁中間施加恒定荷載，測定蠕變變形變化情況，用蠕變速率來評價(jià)混合料的低溫變形性能。

有研究表明[6]蠕變速率越大不代表其低溫性能越好，而是應(yīng)該注意選擇合適的加載大小，一般選擇0.1δf，但是這會使試驗(yàn)量很大。

3.4 凍斷試驗(yàn)(約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn))

凍斷試驗(yàn)來自于SHRP計(jì)劃。該試驗(yàn)通過模擬實(shí)際路面的溫度改變和受力情況，獲取混合料的低溫性能。試驗(yàn)將輪碾法成型后切割的250mm×40mm×40mm小梁兩端用粘結(jié)劑固定，以0.04kN為初始應(yīng)力開始降溫，降溫速率60℃/h，獲取應(yīng)力曲線、凍斷溫度、凍斷強(qiáng)度和轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度。

實(shí)踐表明[7]，同一組凍斷試驗(yàn)采用不同的評價(jià)指標(biāo)會得到不同的評價(jià)結(jié)果，因此凍斷試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)的選擇很關(guān)鍵。凍斷應(yīng)力和斜率與瀝青混合料的實(shí)際低溫抗裂性能差距過大，而凍斷溫度指標(biāo)能較好表現(xiàn)實(shí)際性能。

3.5 收縮試驗(yàn)

采用經(jīng)輪碾法成型后切割的250mm×20mm×20mm小梁，于水槽中以5℃/h速率降溫，獲取試件變形與試件長度的比值為收縮系數(shù)，用其考量路面的低溫抗裂性能。

有研究指出[8]單憑收縮性難以評價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能，還需考慮低溫柔性。

3.6 應(yīng)力松弛試驗(yàn)

應(yīng)力松弛試驗(yàn)通過小梁下部受拉建立彎曲應(yīng)力松弛模型，試件尺寸250mm×25mm×30mm，跨徑200m，中點(diǎn)以50mm/min速率加載，至預(yù)定應(yīng)變水平時(shí)保持恒定，以松弛時(shí)間和松弛模量為評價(jià)指標(biāo)。

3.7 直接拉伸試驗(yàn)

直接拉伸試驗(yàn)采用小梁試件或“八字形”試件，根據(jù)需要選擇試驗(yàn)溫度和加載速率。直接拉伸試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)主要有：拉伸強(qiáng)度、應(yīng)變及模量。

3.8 三點(diǎn)彎曲J積分試驗(yàn)

該試驗(yàn)也是美國SHRP計(jì)劃中提出的試驗(yàn)方法，對250mm×40mm×40mm試件進(jìn)行切口來模擬路面當(dāng)中的應(yīng)力集中現(xiàn)象，加載速率0.5mm/min，最終通過J-積分的臨界值評價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性能，其刻槽深度和裂縫開裂率難以控制，試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)。

4 方法比較

由以上分析可得出，對于瀝青混合料的低溫抗裂試驗(yàn)方法較多，試驗(yàn)原理和試驗(yàn)參數(shù)等各有不同。從反映實(shí)際瀝青路面低溫抗裂能力的角度而言，凍斷試驗(yàn)直接模擬了實(shí)際路面的溫度改變和受力情況，獲得的溫度—溫度應(yīng)力關(guān)系最能全面真實(shí)反映瀝青混合料低溫開裂性能。其他試驗(yàn)得到的應(yīng)變、強(qiáng)度和模量等指標(biāo)都是間接指標(biāo)，無法直接用于預(yù)測溫度收縮裂縫的力學(xué)模型，更無法直接表征瀝青混合料的實(shí)際低溫性能。

從試驗(yàn)的難易程度來說，三點(diǎn)彎曲J積分試驗(yàn)由于難以控制刻槽深度和開裂率不便操作，應(yīng)力松弛試驗(yàn)雖然可用來評價(jià)混合料的低溫松弛特性，但是試驗(yàn)儀器要求嚴(yán)格，試驗(yàn)量也較大，不便于推廣。凍斷試驗(yàn)彎曲蠕變試驗(yàn)的工作量也比較大，且采用常應(yīng)力水平的適用性較低。而間接拉伸試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)作為我國試驗(yàn)規(guī)程當(dāng)中選用的方法，試驗(yàn)儀器大眾化，試驗(yàn)可操作性強(qiáng)。本文對各種方法進(jìn)行的綜合比較結(jié)果見表1。

表1 評價(jià)方法對比

80 80拉伸強(qiáng)度、應(yīng)變及模量一般直接拉伸試驗(yàn)三點(diǎn)彎曲J積分試驗(yàn)一般J-積分臨界值高難

5 具體試驗(yàn)對比分析

為了對我國最為常用的間接拉伸試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)進(jìn)行方法比較，從而指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行瀝青混合料低溫性能評價(jià)方面作出合理的選擇，本文對同等瀝青混合料進(jìn)行了低溫劈裂試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)統(tǒng)一溫度-10℃，按照試驗(yàn)規(guī)程試驗(yàn)。采用中海AH-70#基質(zhì)瀝青，石灰?guī)r集料，AC-13型級配，通過馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比4.8%。試驗(yàn)結(jié)果和變異系數(shù)分析分別見表2和表3。

試驗(yàn)結(jié)果表明，無論是強(qiáng)度還是應(yīng)變，低溫劈裂試驗(yàn)的變異系數(shù)皆小于低溫彎曲試驗(yàn)，即在-10℃條件下，低溫劈裂試驗(yàn)比低溫彎曲實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可靠度更高，這可能是因?yàn)榱菏皆嚰谱飨鄬щy造成的。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)劈裂試驗(yàn)的數(shù)據(jù)敏感性更強(qiáng)，結(jié)果更有說服力。然而，試驗(yàn)結(jié)果可靠度高和敏感性強(qiáng)不代表低溫劈裂試驗(yàn)就更能表征混合料的實(shí)際路面低溫抗裂性能，其相關(guān)性還有待進(jìn)一步討論。

表2 低溫試驗(yàn)結(jié)果

表3 低溫試驗(yàn)變異系數(shù)對比分析

6 建議和展望

（1）凍斷試驗(yàn)?zāi)苣M現(xiàn)場情況，其數(shù)據(jù)可靠性更高，試驗(yàn)過程也并不困難，因此建議在有條件的情況下盡量采用。

（2）我國規(guī)范[9]中對低溫彎曲試驗(yàn)的彎拉應(yīng)變作了要求，但是多項(xiàng)研究指出彎曲應(yīng)變能更能描述低溫性能，因此建議將彎曲應(yīng)變能作為主要考量因素。

（3）瀝青路面的開裂與氣溫的循環(huán)變化密切相關(guān)，而試驗(yàn)規(guī)程中對低溫劈裂試驗(yàn)只要求在試驗(yàn)溫度恒溫水槽中放1.5h，使試件內(nèi)外溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度后即可試驗(yàn)，未考慮溫度循環(huán)影響。因此建議：將試件置于試驗(yàn)溫度水槽2h,然后取出置于室溫2h，再放入試驗(yàn)溫度水槽2h，之后進(jìn)行試驗(yàn)。低溫彎曲試驗(yàn)可同法處置。

7 結(jié)論

目前瀝青混合料低溫試驗(yàn)方法很多，但是各方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，評價(jià)指標(biāo)的可靠性也有待研究，特別的對于通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際路面情況的考慮仍欠缺。低溫劈裂試驗(yàn)比低溫彎曲試驗(yàn)的數(shù)據(jù)可靠度和敏感性更高，但試驗(yàn)與材料的實(shí)際路面低溫性能相關(guān)性尚需討論。因此對于混合料低溫抗裂性的評價(jià)方法及指標(biāo)需再作研究，建議在條件允許的情況下優(yōu)先選用凍斷試驗(yàn)?？傊?，在進(jìn)行混合料低溫性能評價(jià)時(shí)，盡量選用多種方法比較，進(jìn)行綜合評價(jià)。

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Evaluation Method Research on Asphalt Mixture Anticracking Performance at Low Temperature

Quan Ge-bing
CHONG COMMUNICATIONS PLANNING SURVEY&DESIGN INSTITUTE，Chongqing 400074

In this paper,all kinds of asphalt mixture at low tem?perature crack resistance test and evaluation index were analyzed,and on the basis of the comparison,based on the difficulty of test re?liability and test scores synthetically.Through indoor experiment compared the indirect tensile test and low temperature bending test two test methods,and data analysis,the results show that the indi?rect tensile test the variation coefficient less than low temperature bending test result,higher sensitivity.

asphalt mixture；low temperature；evaluation method

權(quán)戈冰（出生年份：1976），性別：男，民族：漢，籍貫：湖南常德。職務(wù)/職稱:高級工程師，學(xué)歷：研究生，單位：重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，單位省市：重慶市，郵編：401121，研究方向：道橋。