基于SCB試驗的瀝青混合料低溫抗裂性研究*

李 萍 吳 中 馬 科 張雅莉

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院 蘭州 730050)

基于SCB試驗的瀝青混合料低溫抗裂性研究*

李 萍 吳 中 馬 科 張雅莉

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院 蘭州 730050)

通過SCB試件(半圓彎拉試件)，采用正交試驗設(shè)計方法對連續(xù)和間斷級配的瀝青混合料在不同外加劑(styrene butadiene styrene, SBS)含量下進(jìn)行低溫SCB試驗.結(jié)果表明：在SCB試驗中，對試驗結(jié)果影響最大的是瀝青混合料本身的級配類型，其次為試驗溫度，最后為SBS含量；間斷級配(SMA)的瀝青混合料在低溫時的力學(xué)性能明顯低于密級配(AC)的瀝青混合料；推薦使用級配類型為AC-16,SBS含量為5%的瀝青混合料來滿足路面設(shè)計低溫抗裂的要求.

抗拉強(qiáng)度; 正交試驗設(shè)計; 瀝青混合料; 低溫SCB試驗

0 引 言

瀝青混合料路面低溫開裂問題，一直是國際學(xué)術(shù)界關(guān)注和研究的熱點之一.目前，國內(nèi)主要以小梁彎曲試驗和間接拉伸試驗作為測定路面材料抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法.但是與小梁彎曲試驗和間接拉伸試驗比較，SCB試驗(semi-cicular bending test， SCB)試件制備和試驗過程都很簡便，試驗時試件的應(yīng)力狀態(tài)更接近于實際路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，具有較好的優(yōu)越性[1]，既有拉的作用，又有壓的效果.目前，這種實驗方法，在瀝青混合料的評價方面越來越引起人們的注意.在國外，M·van de Ven等[2]利用SCB試驗來評價瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，認(rèn)為這種實驗方法與實際路面結(jié)構(gòu)受力基本相吻合;S.M.J.G-Erkens等[3]認(rèn)為SCB試驗是一種既簡單又實用的試驗方法，完全滿足路面設(shè)計參數(shù)(抗壓回彈模量、抗拉強(qiáng)度)的測試，有助于質(zhì)量控制和保證; M.A.Mull等[4]利用SCB試驗，進(jìn)行了瀝青混合料的疲勞開裂問題的研究，認(rèn)為該種試驗方法能夠較好的評價瀝青混合料的疲勞特性； 在國內(nèi)，張志祥等[5]采用直徑為150 mm，支座間距為100 mm的半圓試件進(jìn)行彎曲試驗，得出了試件支座直徑間距與試件底部模量與撓度的關(guān)系；呂光印等[6]進(jìn)行了瀝青混合料半圓彎曲試驗力學(xué)特性的數(shù)值分析，認(rèn)為厚度為25 mm的半圓試件更適宜做SCB試驗，且馬歇爾成型的試件與旋轉(zhuǎn)壓實儀成型的試件具有相同的力學(xué)性能；楊大田等[7]利用半圓彎曲試驗與小梁三點彎曲試驗作對比，認(rèn)為小梁彎曲試驗與半圓彎曲試驗，得到的抗拉強(qiáng)度比接近于1.

文中在已有成果的基礎(chǔ)上,對3種級配類型,3種SBS含量下的瀝青混合料做進(jìn)一步的抗拉強(qiáng)度，抗拉應(yīng)變的研究.

1 試驗原材料

1) 瀝青 為埃索石油瀝青；其各項技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ 052-2000)，見表1.

表1 埃索石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

2) 集料及其礦粉 粗細(xì)集料均來自甘肅永靖采石場，其石質(zhì)類別為石灰?guī)r，經(jīng)實驗室測定主要技術(shù)指標(biāo)，見表2.

礦粉來源于甘肅省蘭州市永登通溝彎水泥廠，它是由石灰?guī)r或巖漿巖等強(qiáng)基性堿性石料經(jīng)過磨細(xì)加工得到的，其礦粉各項檢測結(jié)果,見表3.礦料各項技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ F40-2004).

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

3) 外加劑 外加劑是由燕山石化公司通過陰離子聚合方法制得的線性熱塑性丁苯橡膠(簡稱為SBS改性劑)，其各項指標(biāo)檢測結(jié)果,見表4.

表4 SBS改性劑技術(shù)指標(biāo)

2 試驗方法

為了研究本試驗，選取了3種礦料級配,通過馬歇爾試驗方法，分別確定了各種級配下的瀝青混合料最佳油石比,見表5.考慮到SBS對瀝青路面抗裂性能的影響，本試驗采用正交試驗，各因素水平安排見表6.

表6 半圓彎曲試驗因素水平安排

表5 礦料集配組成

制樣采用大馬歇爾成型的方法，成型直徑為150 mm、高度為100 mm的圓柱體試件，見圖1.為了保證瀝青混合料的均勻性，采用直徑為100 mm的鉆心取樣機(jī)，鉆取直徑為100 mm，高為100 mm的圓柱體試件，再用巖石切割機(jī)切取高度25 mm，直徑100 mm的標(biāo)準(zhǔn)半圓試件,見圖2，每一圓柱體(直徑100 mm，高為100 mm)試件可成型3個標(biāo)準(zhǔn)半圓試件，從而保證同一級配、外加劑、試驗溫度試驗的一致性.

圖1 大馬歇爾試件

圖2 標(biāo)準(zhǔn)半圓試件

試驗儀器為低溫彎曲小梁試驗儀，夾具2支點距離選為直徑的0.8倍，即為80 mm，試驗加載速率為50 mm/s.

3 試驗結(jié)果與分析

采用SCB試驗，可以獲得試驗材料的抗抗拉強(qiáng)度和抗拉應(yīng)變，但是到目前為止對于SCB試驗的試件底部的拉應(yīng)力和拉應(yīng)變還沒有精確地的數(shù)值解，根據(jù)已有文獻(xiàn)資料，本文對SCB試驗采用如下評價指標(biāo)[8-9]:

(1)

(2)

式中：σt為試件底部最大拉壓力，MPa；F為破壞時每單位寬度的荷載，kN；D為試件直徑，mm；ε為試件底部最大拉應(yīng)變；L為支座間距，mm；d為試件中心部撓度，mm.

通過室內(nèi)SCB試驗得到9組試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，見表7.

表7 低溫半圓彎曲試驗結(jié)果

3.1 極差分析

極差分析的方法可以直觀的分析各因素水平對試驗指標(biāo)的影響程度，首先計算各因素的指標(biāo)平均值和極差,然后判定各因素對試驗結(jié)果的影響次序，最后根據(jù)相應(yīng)因素極差數(shù)據(jù)和指標(biāo)平均值綜合判定各個因素，找到各因素對試驗數(shù)據(jù)的最優(yōu)組合.試驗數(shù)據(jù)的極差分析見表8和表9，各因素對試驗試件層底最大抗拉強(qiáng)度和抗拉應(yīng)變影響的大小關(guān)系見圖3、4.

表8 試件層底抗拉強(qiáng)度極差分析

表9 底部層底抗拉應(yīng)變極差分析

由表8和表9可知，就級配類型而言，在低溫SCB試驗中，間斷級配(SMA)類瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度值和抗拉應(yīng)變，明顯低于密級配(AC)類瀝青混合料.

圖3 各因素對層底抗拉強(qiáng)度影響圖

圖4 各因素對層底拉應(yīng)力影響圖

由圖3和圖4可知，在低溫SCB試驗中，對SCB試件底部拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，影響最大的為級配類型，其次為試驗溫度，最后為SBS的含量.

由上述極差分析和因素水平分析可知，在SCB試驗中，當(dāng)試驗試件級配類型為AC-16，SBS含量為5%時，其試驗結(jié)果明顯優(yōu)于其他.

3.2 方差分析

方差分析的基本思想就是將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異兩部分，構(gòu)成F統(tǒng)計量，做F檢驗，即可判斷因素作用是否顯著.

本實驗對SCB試件層底抗拉強(qiáng)度和抗拉應(yīng)變的數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，見表10和表11.

表10 半圓低溫彎拉試驗試件層底抗拉強(qiáng)度方差分析

表11 半圓低溫彎拉試驗試件層底抗拉應(yīng)變方差分析

由表10和表11可見，對于低溫SCB試驗，不論是試件底部最大拉壓力還是試件層底抗拉應(yīng)變，影響最大均是試件本身的級配類型，其次為試驗溫度.

綜上所述，方差分析和極差分析結(jié)果均相同，級配類型對試驗結(jié)果的影響最大，其次為試驗溫度，因此為避免瀝青混合料低溫開裂，應(yīng)選擇合適的級配類型，適量的SBS含量.

4 結(jié) 論

1) 在低溫SCB試驗中，對試驗結(jié)果影響最大的是瀝青混合料級配類型、其次為試驗溫度，最后為外加劑含量.

2) 連續(xù)密級配的AC-16和間斷級配的SMA-16，最優(yōu)SBS含量為5%，在低溫(-10℃)時，AC-16較SMA-16有很好的抗拉強(qiáng)度和抗拉應(yīng)變.

3) 在季節(jié)性冰凍的地區(qū)，為防止路面結(jié)構(gòu)低溫開裂水損現(xiàn)象，優(yōu)先考慮使用連續(xù)級配的瀝青混合料.

[1]付 欣,劉秋,陳拴發(fā).基于ANSYS的帶切口半圓彎曲試驗參數(shù)分析[J].公路交通科技,2012(2):13-17.

[2]van de VEN M,SMIT A.Possibilities of a semi-circular bending test[C]. In proceedings of Eighth International Conference on Asphalt Pavements,University of Washington,Seattle,Washington,1997：939-950.

[3]ERKENS S M J G,MOLENAAR A A A,SCARPAS A.A better understanding of asphalt concrete response[C].16th ASCE Engineering Mechanics Conference.Washington:University of Washington,2003.

[4]MULL M A,OTHMANETAL A.Fatigue crack growth analysis of HMA employing the semi-circular notched bend specimen[C].TRB 2006 Annual Meeting,2006：1-13.

[5]張志祥,吳建浩.再生瀝青混合料疲勞性能試驗研究[J].中國公路學(xué)報,2006(2):31-35.

[6]呂光印,郝培文,龐立果,等.瀝青混合料半圓彎曲試驗力學(xué)特性數(shù)值分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2008(3):50-52.

[7]楊大田,朱洪洲.瀝青混合料的半圓彎拉與小梁三點彎拉對比試驗[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版,2010，34(6):1224-1226，1231.

[8]ERKENS S K J G,MOLENAARA A A，SCARPASA.A better understanding of asphalt concrete response[C].16th ASCE Engineer Mechanics Conference，Washington:university of Washington,2003:1-12.[9]曹軻銘. 瀝青混合料半圓彎拉試驗方法研究[D].長沙：湖南大學(xué),2007.

Cracking Resistant of Asphalt Mixture at the Low Temperature Based on the SCB Test

LI Ping WU Zhong MA Ke ZHANG Yali

(SchoolofCivilEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China)

The tensile strength is one of the key indicators to measure the crack resistant of the asphalt pavement structure. Based on the SCB specimen(the specimen of semicircle), orthogonal experimental is used to test asphalt mixture of continuous gradation and gap-graded bituminous mixture in different admixture (SBS: Styrene Butadiene Styrene) contents . The results show that the gradation type of the asphalt mixture is the highest of the three，with the test temperature the SBS contents. The mechanical properties of gap-graded bituminous mixture (SMA) are significantly lower than that of the dense-graded (AC) of mixture asphalt at the low temperature; the asphalt mixtures with 16mm Nominal Maximum Aggregate Size (NMAS) is recommended as the gradation type of asphalt mixture, 5% SBS contents are the best for the low temperature cracking in the pavement design.

tensile strength; orthogonal experimental design; asphalt mixture; SCB test at the low temperature

2014-11-10

*國家自然科學(xué)基金項目資助(批準(zhǔn)號：51108222)

U416

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.02.002

李 萍(1972- )：女，博士后，教授，主要研究領(lǐng)域為路面材料