橡膠瀝青混合料面層抗裂性能的研究

桑偉寧，謝　康，周　輝

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥　230009；2.安徽土木結(jié)構(gòu)與材料省級實驗室，安徽 合肥　230009)

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橡膠瀝青混合料面層抗裂性能的研究

桑偉寧1,2，謝康1，周輝1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥230009；2.安徽土木結(jié)構(gòu)與材料省級實驗室，安徽 合肥230009)

摘要：文章主要采用小梁低溫三點(diǎn)彎曲試驗，對比研究不同級配、不同瀝青種類及纖維添加對瀝青混合料面層抗裂性能的影響，以分析不同因素對瀝青面層開裂的影響。研究結(jié)果表明，間斷級配橡膠瀝青混合料具有更好的抗裂性，橡膠瀝青混合料面層的抗裂性比SBS改性瀝青和普通瀝青更好，添加纖維可增強(qiáng)瀝青混合料的抗裂性，可為實體工程中選擇合理的橡膠瀝青混合料工程級配類型提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：橡膠瀝青混合料面層；密級配AC-13；間斷級配SMA-13;小梁低溫三點(diǎn)彎曲試驗；纖維

0引言

在瀝青路面所存在的病害中，瀝青路面開裂是主要病害之一。按路面開裂的形式，路面裂縫可分為橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫。瀝青路面開裂的主要原因分為兩大類：一類是由于行車荷載作用而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性破壞裂縫，稱為荷載型裂縫；另一類是瀝青面層溫度變化而產(chǎn)生的溫縮裂縫和由基層溫縮、干縮、疲勞引起的面層裂縫，稱之為非荷載型裂縫[1]。其中，非荷載型裂縫是最主要的，非荷載裂縫大都表現(xiàn)為橫向裂縫，一次性氣溫驟降或者溫度循環(huán)作用都有可能引起溫度收縮裂縫[2]。

影響瀝青路面開裂的主要因素有瀝青及瀝青混合料性質(zhì)、基層材料性質(zhì)、氣候條件、交通量、車輛類型及施工因素等，其中瀝青和瀝青結(jié)合料的性質(zhì)是影響瀝青路面溫縮開裂的最主要原因[3]。目前，減輕瀝青路面裂縫的有效措施主要從路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計、瀝青混合料原材料改進(jìn)(改性瀝青的使用，不同級配的路用性能研究)、纖維使用以及施工等方面進(jìn)行改善[4]。

近年來，對瀝青進(jìn)行改性，選用性能更優(yōu)的級配類型及在混合料中摻加其他材料(如纖維)改善路面開裂狀況的技術(shù)，受到了各國道路工作者的普遍關(guān)注[5-6]。與橡膠瀝青改性一樣，纖維改性瀝青由于對路面的路用性能改善效果好及施工簡單，同樣受到國內(nèi)外普遍重視，橡膠改性瀝青作為近幾年發(fā)展起來的新型材料，具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性、優(yōu)異的低溫性能、突出的抗老化、抗裂性能和抗變形能力的性能特點(diǎn)[7]。

開展橡膠瀝青及纖維對瀝青路面抗裂效果的研究，具有改善道路使用性能、經(jīng)濟(jì)及環(huán)保節(jié)能等多方面良好的效益，將有助于橡膠瀝青在路面材料實際使用中的推廣應(yīng)用。

1試驗原材料

(1) 瀝青。試驗采用橡膠瀝青，并用SBS改性瀝青和AH-70普通瀝青作對比，對瀝青相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行試驗。

(2) 集料。粗、細(xì)集料均選用玄武巖，產(chǎn)地蚌埠，規(guī)格分別為1#(10～15 mm)、2#(5～10 mm)、3#(3～5 mm)、4#(0～3 mm)4種，按照文獻(xiàn)[8]要求，對所用集料主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試，粗、細(xì)集料各項技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，可用于試驗研究。

(3) 纖維。采用聚酯纖維(白色)和玄武巖纖維(褐黃色)，2種纖維的物化性能見表1所列，其耐熱性在210 ℃、2 h條件下，體積均無變化，無卷曲。

表1　纖維物化性能表

2纖維橡膠瀝青混合料配合比設(shè)計

2.1確定礦料級配

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究資料[9-11]，選取在橡膠瀝青混合料面層中運(yùn)用較多的密級配AC-13及間斷級配SMA-13作為礦料級配，并參考美國及國內(nèi)相關(guān)省市礦料級配標(biāo)準(zhǔn)，采用試配法得到本試驗所采用的密級配AC-13及間斷級配SMA-13作為礦料級配，結(jié)果見表2所列。

表2　礦料級配質(zhì)量百分率　%

2.2確定最佳油石比

按照文獻(xiàn)[12]要求，以馬歇爾體積指標(biāo)、力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)確定橡膠瀝青混合料的最佳瀝青用量，配合比設(shè)計結(jié)果見表3所列。

表3　橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

2.3不同級配纖維橡膠瀝青抗裂性

用于瀝青混合料抗裂性研究的試驗方法主要有間接拉伸試驗、直接拉伸試驗、蠕變試驗、約束試件的溫度應(yīng)力試驗(TSRST)、切口小梁試件的彎曲試驗及應(yīng)力松弛試驗等[13-14]。本文采用小梁低溫三點(diǎn)彎曲試驗評價橡膠瀝青混合料的抗裂性能。規(guī)范中關(guān)于小梁低溫彎曲試驗3個評價指標(biāo)為抗彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變和彎曲勁度模量，抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變越大低溫抗裂性能越好。但是，通常如果抗彎拉強(qiáng)度大，則相應(yīng)的最大彎拉應(yīng)變就相對較小，這兩者對于材料而言很難同時兼具，僅采用單一指標(biāo)很難確切評價混合料的低溫抗裂性能。研究表明，瀝青路面低溫開裂病害的產(chǎn)生不僅與材料抗變形能力有關(guān)，還取決于材料的強(qiáng)度，如果瀝青混合料試件破壞時消耗的能量越大，其低溫抗裂性能就越好，即使材料抗變形能力不強(qiáng)也不易發(fā)生開裂，所以，在評價瀝青混合料低溫抗裂性能的時候也應(yīng)以能量為基準(zhǔn)。按照能量守恒原理，不同的瀝青混合料在保持某一狀態(tài)時都具有一定能量儲存，為了改變其本來現(xiàn)狀而作的功則可評價其儲存能量的多少。對于低溫抗裂性，同種條件下，瀝青混合料破壞時，能量消耗越多則說明其低溫抗裂性越好[15]。稱這種破壞能量為應(yīng)變能，假定材料破壞形式與單位體積內(nèi)能量狀態(tài)相對應(yīng)，則材料損傷可以用應(yīng)變能密度函數(shù)表示為

(1)

其中，δij為應(yīng)力分量;εij為應(yīng)變分量;ε0為臨界應(yīng)變。

瀝青混合料試件應(yīng)變能密度在應(yīng)力應(yīng)變曲線中的幾何意義為低溫彎曲試驗應(yīng)力達(dá)到最大值以前，曲線下方與橫坐標(biāo)軸的包絡(luò)面積，如圖1所示。

圖1　低溫彎曲試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線

本文采用小梁低溫三點(diǎn)彎曲試驗評價瀝青混合料低溫抗裂性，并輔以破壞應(yīng)變能指標(biāo)對其進(jìn)行評價。試驗共分2個部分，第1部分對比分析密集配AC-13及間斷級配SMA-13類型級配下橡膠瀝青、SBS改性瀝青、AH-70號普通瀝青混合料試件的抗裂性能,第2部分對比分析間斷級配SMA-13的3種類型瀝青混合料在添加聚氨酯纖維和玄武巖纖維后對小梁低溫抗裂性能的影響，小梁低溫三點(diǎn)彎曲試驗結(jié)果見表4、表5所列。

表4　第1部分試驗小梁低溫彎曲試驗結(jié)果

表5　第2部分低溫彎曲試驗結(jié)果

3試驗結(jié)果分析

(1) 間斷級配SMA-13瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變及彎曲勁度模量性能均要優(yōu)于密集配AC-13瀝青混合料，橡膠瀝青SMA-13與AC-13試件斷裂裂口細(xì)部如圖2、圖3所示。

圖2　SMA-13瀝青混合料斷裂面大樣圖

圖3　AC-13瀝青混合料斷裂面大樣圖

從圖2、圖3中可以看出，間斷級配SMA-13試件沿裂縫處粗集料因相互嵌鎖作用壓裂，而密集配AC-13試件的裂縫多沿著空隙處和粗集料邊緣開裂。這是由于SMA-13型級配混合料中粗集料的大量使用(66.3%)，粗集料之間的嵌鎖作用加大，使粗集料之間的內(nèi)摩擦角增大，試件在受豎向荷載作用擠壓時，粗集料由于嵌鎖作用，內(nèi)摩擦角大可以較好地抵抗外力，使間斷級配SMA-13型混合料的彎拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)大于密集配AC-13。同時間斷級配混合料具有相對較大的空隙率，這種多孔結(jié)構(gòu)可有效地切斷裂縫尖端的延伸，將應(yīng)力、應(yīng)變的傳遞均勻釋放。此外，橡膠瀝青混合料的收縮系數(shù)較小，其大粒徑粗集料形成嵌擠骨架加上高粘度的橡膠瀝青膠結(jié)料的作用，使其具有抵抗較大的塑性變形能力，可以將裂紋釋放的應(yīng)變能充分吸收，減小裂縫處的應(yīng)力集中，從而減小裂縫擴(kuò)展的速度，使橡膠瀝青試件斷裂時呈現(xiàn)為柔性斷裂破壞特征[16]。由圖2可知，間斷級配SMA-13瀝青混合料的臨界應(yīng)變能比密集配AC-13瀝青混合料提高了近1倍，說明相同條件下發(fā)生斷裂時，間斷級配SMA-13試件要比密集配AC-13吸收更多的能量，間斷級配SMA-13瀝青混合料的抗裂性能要優(yōu)于密集配AC-13型。

(2) 不同瀝青抗彎拉強(qiáng)度SBS改性瀝青最強(qiáng)，橡膠瀝青與普通瀝青相近，而彎拉應(yīng)變橡膠瀝青要明顯優(yōu)于SBS改性瀝青和普通瀝青混合料，不同級配下橡膠瀝青的彎曲勁度模量均小于SBS改性瀝青及普通瀝青，低溫下勁度模量越小，瀝青的抗裂性能越好，在低溫條件下，橡膠顆粒瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度和破壞勁度模量由于橡膠顆粒的添加而降低，而破壞彎拉應(yīng)變顯著提高，且橡膠瀝青小梁試件低溫斷裂過程呈現(xiàn)明顯的韌性斷裂破壞特征，小梁試件裂而不斷。SBS改性瀝青及普通瀝青試件出現(xiàn)裂紋后迅速貫穿整個斷面，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞，這主要是由于橡膠顆粒具有柔性和彈性，并且隨瀝青用量的增加，兩者共同作用使橡膠顆粒瀝青混合料的低溫抗彎拉強(qiáng)度隨橡膠顆粒的加入而下降。破壞勁度模量的下降和破壞彎拉應(yīng)變的升高則說明橡膠顆粒的加入賦予橡膠顆粒瀝青混合料一定的低溫柔性，由于低模量的特點(diǎn)，使橡膠瀝青具有很強(qiáng)的吸收應(yīng)力的能力。

(3) 添加纖維后，3種瀝青的臨界應(yīng)變能密度相對無添加的試件均有所提升，其中添加聚酯纖維的混合料試件臨界應(yīng)變能密度提升比率(約30%)要高于添加玄武巖纖維試件(約15%)，橡膠瀝青在添加2種纖維后的臨界應(yīng)變能密度均高于SBS改性瀝青及普通瀝青。在瀝青混合料中摻入高抗拉強(qiáng)度和高模量的增強(qiáng)纖維后,數(shù)以萬計的單絲纖維在瀝青混合料中呈三維網(wǎng)狀分布,對瀝青混合料起到了“加筋”作用，約束了混合料內(nèi)部缺陷或裂紋進(jìn)一步發(fā)展，纖維瀝青混合料在受到拉伸的過程中，纖維可阻止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，對裂擴(kuò)展起到阻滯作用。摻入高抗拉強(qiáng)

度、高模量的纖維可以增加混合料的變形能力，使混合料具有很高的韌性，對纖維瀝青混合料而言，即使已出現(xiàn)裂紋，纖維的橋接作用仍可使材料承受外載作用，使彎拉應(yīng)變繼續(xù)增大，從而改善材料的抗裂能力，提高瀝青混合料的抗裂性能。

4結(jié)論

(1) 配制出符合規(guī)范要求的密級配AC-13和間斷級配SMA-13的礦料級配及橡膠瀝青最佳油石比。

(2) 用臨界應(yīng)變能密度評價瀝青混合料低溫性能，可體現(xiàn)材料的強(qiáng)度及抗變形特征，相對單純用彎曲應(yīng)變、強(qiáng)度或勁度模量評價混合料低溫性能更合理。

(3) 通過對比得出橡膠瀝青混合料在間斷級配及添加纖維后，其抗裂性能將會有明顯提升。

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收稿日期：2016-03-28

作者簡介：桑偉寧(1988-)，男，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生．

中圖分類號：TU528.07

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0218-04