用彎曲系數(shù)評價(jià)天然巖瀝青改性瀝青混合料低溫性能

蔣 佳 宏

(湖南省高速百通建設(shè)投資有限公司，湖南 長沙 410005)

瀝青路面的低溫病害問題，在我國北方地區(qū)較為普遍的存在，這一問題將造成瀝青路面使用壽命和使用質(zhì)量下降。道路工作者為了改善瀝青混合料低溫性能，進(jìn)行了多方面的研究，從高分子材料到天然材料等各方面進(jìn)行了嘗試，其中SBS改性瀝青在兼顧瀝青混合料高溫、水穩(wěn)定和疲勞等性能的同時(shí)，也具有優(yōu)異的低溫抗裂性，在當(dāng)今道路工程中得到了大量的應(yīng)用。但是SBS改性劑存在制備過程能耗高、不環(huán)保、存儲(chǔ)運(yùn)輸不方便和價(jià)格高等缺點(diǎn)。天然巖瀝青在道路工程中也有大量應(yīng)用，但是現(xiàn)階段對瀝青混合料低溫抗裂性的評價(jià)指標(biāo)比較單一，特別是對天然巖瀝青改性瀝青混合料的低溫抗裂性評價(jià)，現(xiàn)有瀝青混合料低溫抗裂性評價(jià)方法主要是針對傳統(tǒng)的基質(zhì)瀝青和高分子改性瀝青建立的，室內(nèi)天然巖瀝青改性瀝青混合料抗裂性的評價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場天然巖瀝青改性瀝青路面實(shí)際使用情況存在較大的出入，反映在我國北方地區(qū)天然巖瀝青改性瀝青路面低溫抗裂性要好于室內(nèi)試驗(yàn)測試的結(jié)果。對于瀝青混合料低溫抗裂性的評價(jià)，常見的有彎拉強(qiáng)度法、彎拉破壞應(yīng)變法、勁度模量法和應(yīng)變能密度函數(shù)法[1-3]。

本文通過對上述方法的綜合和分析，提出了采用彎曲系數(shù)指標(biāo)來評價(jià)天然巖瀝青改性瀝青混合料低溫抗裂性的合理性與可行性。

1 瀝青路面低溫破壞機(jī)理

瀝青混合料的低溫性能主要由材料的變形能力、極限抗拉強(qiáng)度和溫度線收縮系數(shù)等因素決定。引起瀝青混合料低溫破壞的機(jī)制是：溫度急劇下降造成的橫向裂縫、溫度疲勞裂縫、反射裂縫、凍縮裂縫等破壞形式。

目前業(yè)界認(rèn)為瀝青混合料有三種破壞形式，如圖1所示，即曲線A的脆性破壞，曲線C的柔性破壞，介于曲線A,C之間的曲線B轉(zhuǎn)變區(qū)域破壞。溫度是引起曲線B型破壞的主要因素，B型破壞是一種介于柔性破壞與脆性破壞之間的破壞形式[4]。

其中，σij為應(yīng)力分量;εij為應(yīng)變分量;Su為彎曲系數(shù);dw/dv為彎曲耗散能密度函數(shù)，kJ/m3；RB為試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度,MPa;εB為試件破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變,με。

2 原材料性能

2.1 瀝青

研究用瀝青為A級70號瀝青，SBS改性瀝青，試驗(yàn)采用的天然巖瀝青為印尼布敦巖瀝青。其技術(shù)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范。

2.2 集料

本實(shí)驗(yàn)采用的集料為石灰?guī)r及石灰?guī)r礦粉，依據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，礦料篩分結(jié)果見表1。

表1 礦料篩分結(jié)果

2.3 級配類型

采用馬歇爾試驗(yàn)方法，分別確定AC-16C基質(zhì)瀝青混合料、AC-16布敦巖瀝青改性瀝青混合料、AC-16C SBS改性瀝青混合料的最佳瀝青用量，其結(jié)果分別見表2～表4。

表2 AC-16C基質(zhì)瀝青混合料4.4%最佳瀝青用量設(shè)計(jì)結(jié)果

表3 AC-16C巖瀝青改性瀝青混合料4.4%最佳瀝青用量設(shè)計(jì)結(jié)果

表4 AC-16C SBS改性瀝青混合料5.2%最佳瀝青用量設(shè)計(jì)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)方法

目前國內(nèi)主要采用低溫彎曲梁破壞試驗(yàn)評價(jià)混合料低溫抗裂性能[6]，本試驗(yàn)運(yùn)用此方法對三種瀝青混合料的低溫抗裂性進(jìn)行評價(jià)，試件采用輪碾成型并切割成為250 mm×30 mm×35 mm梁體，在-10 ℃、加載頻率為50 mm/min條件下利用萬能試驗(yàn)機(jī)(MTS)進(jìn)行三種瀝青混合料低溫抗裂性能試驗(yàn)。

3.2 不同瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

通過對上文中三種瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，得到結(jié)果如表5所示。

表5 -10 ℃彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，從RB,εB,SB和dw/dv分別對三種瀝青混合料進(jìn)行低溫性能評價(jià)時(shí)出現(xiàn)了互相矛盾的結(jié)論。主要是由于RB,εB是瀝青路面結(jié)構(gòu)的技術(shù)參數(shù)，但是在評價(jià)瀝青混合料低溫性能時(shí)僅采用這兩個(gè)參數(shù)，不能真實(shí)地表征瀝青混合料低溫性能和低溫破壞形式；傳統(tǒng)的評價(jià)參數(shù)主要是對基質(zhì)瀝青混合料和高分子改性瀝青混合料；對天然巖瀝青改性瀝青混合料低溫性能的評價(jià)，尚未有一致認(rèn)可的方法。于是有學(xué)者引入了彎曲應(yīng)變能密度函數(shù)值這一綜合指標(biāo)進(jìn)行瀝青混合料低溫性能的評價(jià)，它較為合理地表征了瀝青混合料的低溫性能，但它不能反映瀝青混合料的破壞形式，也不能反映材料在路面實(shí)際應(yīng)用的效果，因此引入Su這一指標(biāo)，它綜合考慮了dw/dv,RB和εB三個(gè)指標(biāo)，更加綜合科學(xué)的表征了瀝青混合料的低溫性能，也更加直觀地反映布敦巖瀝青改性瀝青混合料在低溫時(shí)的破壞形式。

從彎曲系數(shù)可以看出三種瀝青混合料彎曲系數(shù)變化規(guī)律為：AC-16C SBS改性瀝青混合料>AC-16C布敦巖瀝青改性瀝青混合料>AC-16C基質(zhì)瀝青混合料，由此可知，布敦巖瀝青提升了瀝青混合料低溫破壞時(shí)的能量耗費(fèi)，使瀝青混合料的低溫開裂破壞變得“困難”，進(jìn)而提高了瀝青混合料的低溫抗裂性能。

4 結(jié)語

1)目前，評價(jià)瀝青混合料低溫性能的眾多，但大都是適用于傳統(tǒng)的基質(zhì)瀝青和高分子改性瀝青，對于天然巖瀝青改性瀝青低溫性能的評價(jià)是否合適，仍存在爭議，本研究引入彎曲系數(shù)Su，綜合考慮了應(yīng)變能密度函數(shù)值dw/dv、抗彎拉強(qiáng)度RB和最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖三個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系和彎曲破壞曲線的特性，既可更加科學(xué)直觀的判斷天然巖瀝青改性瀝青混合料的低溫性能，又可判斷其低溫破壞的曲線形式。

2)從彎曲系數(shù)方面分析，三種瀝青混合料低溫性能規(guī)律為AC-16C SBS改性瀝青混合料>AC-16C布敦巖瀝青改性瀝青混合料>AC-16C基質(zhì)瀝青混合料，因此天然巖瀝青可以改善瀝青混合料的低溫抗裂性能。