基于SCB試驗(yàn)的改性瀝青混合料中溫抗裂性能研究

丁子豪

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摘要 選取某種硬質(zhì)瀝青、高粘高彈改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，通過(guò)半圓彎曲試驗(yàn)對(duì)不同改性瀝青混合料的中溫抗裂性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：在中溫條件下，硬質(zhì)瀝青混合料的破壞強(qiáng)度較大;在裂縫擴(kuò)展階段，高粘高彈改性瀝青混合料的變形能力要強(qiáng)于硬質(zhì)瀝青混合料，且SMA-13混合料的變形性能要優(yōu)于AC-13混合料;從斷裂能角度分析，硬質(zhì)瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的能力強(qiáng)于高粘高彈改性瀝青混合料，而高粘高彈改性瀝青混合料帶裂縫工作的能力較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞 半圓彎曲試驗(yàn);改性瀝青混合料;中溫抗裂性能;斷裂能

中圖分類(lèi)號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）02-0144-03

0 引言

隨著交通荷載的累積及氣候惡劣的加劇，越來(lái)越多的改性瀝青被用作瀝青路面的膠結(jié)料，以確保瀝青路面的高溫抗車(chē)轍性能、低溫抗開(kāi)裂性能及耐疲勞性能得到提升?，F(xiàn)階段困擾江蘇省高速公路瀝青路面技術(shù)狀況的頭號(hào)難題依然是路面開(kāi)裂[1]，與低溫季節(jié)瀝青路面易發(fā)生脆裂相比，長(zhǎng)路齡路面近年來(lái)開(kāi)始呈現(xiàn)常溫季節(jié)開(kāi)裂的趨勢(shì)。針對(duì)瀝青混合料的抗裂性能，小梁彎曲試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)及半圓彎曲試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱“SCB試驗(yàn)”）均有其適用的場(chǎng)景。與前兩種試驗(yàn)方法相比，SCB試驗(yàn)具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，SCB試驗(yàn)操作方法簡(jiǎn)單，便于重復(fù)性試驗(yàn)。其次，SCB試驗(yàn)是基于斷裂力學(xué)的研究方法，能夠更為科學(xué)地解釋瀝青混合料的抗裂性能[2]。斷裂力學(xué)理論指出瀝青混合料的開(kāi)裂主要包括兩個(gè)階段：裂縫的產(chǎn)生與裂縫的擴(kuò)展。

選取SCB試驗(yàn)深入研究瀝青膠結(jié)料種類(lèi)、級(jí)配類(lèi)型對(duì)改性瀝青混合料中溫抗裂性能的影響，從而為不同氣候特征地區(qū)減少瀝青路面開(kāi)裂提供一定參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選取兩種成品改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料。其一為某種硬質(zhì)瀝青，多用于易發(fā)生車(chē)轍的地區(qū)，以下簡(jiǎn)記為“Ⅰ瀝青”;另一種為某高粘高彈改性瀝青，其動(dòng)力黏度較大且變形能力較強(qiáng)，在高寒地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，以下簡(jiǎn)記為“Ⅱ?yàn)r青”。兩種改性瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

使用的粗集料、細(xì)集料均為玄武巖，填料為石灰?guī)r礦粉。其中SMA混合料還需摻入一定量的纖維，其用量為混合料質(zhì)量的0.3%。

1.2 試件制備

選取兩種瀝青路面面層常用級(jí)配AC-13與SMA-13，其不同篩孔的通過(guò)率均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）要求。首先，使用馬歇爾法確定AC-13、SMA-13混合料的最佳瀝青用量。其次，高溫拌和后使用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑150 mm，高度180 mm的圓柱體瀝青混合料，脫模后放在室溫條件下至少養(yǎng)生2天。再次，使用切割機(jī)沿高度方向切除圓柱體上、下表面各15 mm，然后在高度方向?qū)ζ溥M(jìn)行三等分切割，從而得到3個(gè)直徑150 mm，高度50 mm的小圓柱體試件，再沿直徑方向?qū)Π肭懈詈蟮玫?個(gè)用于SCB試驗(yàn)的半圓形試件。最后，使用小型切割機(jī)對(duì)半圓試件進(jìn)行預(yù)切縫處理，預(yù)切縫在矩形截面中部位置，其深度為15 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

如圖1所示，借助萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行SCB試驗(yàn)，試驗(yàn)的加載速率為50 mm/min。為評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的中溫抗裂性能，試驗(yàn)溫度確定為25 ℃，試驗(yàn)開(kāi)始之前SCB試件須在25 ℃恒溫環(huán)境箱中至少保溫4 h[3]。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種改性瀝青混合料至少進(jìn)行4組平行試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差剔除離散程度較大的數(shù)據(jù)并補(bǔ)充平行試驗(yàn)，最終取有效數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

從強(qiáng)度、變形、能量三個(gè)角度評(píng)價(jià)不同改性瀝青混合料的中溫抗裂性能[4]。如圖2所示，強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)為峰值力Fmax，其定義為豎向加載力—位移曲線的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加載力;變形能力評(píng)價(jià)指標(biāo)為峰值位移DP及破壞位移Dcf，DP為峰值力Fmax對(duì)應(yīng)的位移，Dcf為豎向加載力—位移曲線峰后部分豎向力為Fmax/2時(shí)對(duì)應(yīng)的位移;能量指標(biāo)綜合考慮試件的受荷與變形能力，該次使用峰前斷裂能Gbf與峰后斷裂能Gaf分別評(píng)價(jià)改性瀝青混合料在裂縫產(chǎn)生前后的抗裂性能，Gbf與Gaf的計(jì)算方法見(jiàn)公式（1）～（5）。

式中：A為試件的中部連接面積，mm2;r為試件半徑，mm;a為預(yù)切縫深度，mm;t為試件厚度，mm;Fb為試件峰前階段的豎向力，kN;Fa為試件峰后階段的豎向力，kN;u為試件的豎向位移，mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同改性瀝青混合料SCB斷裂試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，以下分別從強(qiáng)度、變形能力及能量角度進(jìn)行具體分析。

2.1 強(qiáng)度

圖3展現(xiàn)了不同改性瀝青混合料SCB斷裂試驗(yàn)峰值力的差異情況。由圖3可知，無(wú)論級(jí)配類(lèi)型是AC-13還是SMA-13，Ⅰ瀝青混合料的峰值力Fmax均要明顯大于Ⅱ?yàn)r青混合料，這表明瀝青膠結(jié)料性質(zhì)對(duì)混合料的強(qiáng)度影響較為顯著。25 ℃下Ⅰ瀝青的針入度遠(yuǎn)小于Ⅱ?yàn)r青，在一定程度上保證了中溫條件下Ⅰ瀝青混合料的強(qiáng)度更大，即硬質(zhì)瀝青混合料中溫條件下的強(qiáng)度要明顯大于高粘高彈改性瀝青混合料。此外，當(dāng)瀝青膠結(jié)料為Ⅰ瀝青時(shí)，AC-13混合料的峰值力要大于SMA-13混合料;當(dāng)瀝青膠結(jié)料為Ⅱ?yàn)r青時(shí)，AC-13混合料的峰值力要略小于SMA-13混合料，這表明級(jí)配對(duì)改性瀝青混合料強(qiáng)度的影響相對(duì)較弱。

2.2 變形能力

圖4（a）～（b）表征不同改性瀝青混合料在SCB斷裂試驗(yàn)中的變形能力。由圖4（a）可知，在改性瀝青混合料開(kāi)裂的瞬間，SMA-13級(jí)配的Ⅱ?yàn)r青混合料的位移要明顯大于其余三種改性瀝青混合料，而AC-13級(jí)配的Ⅱ?yàn)r青混合料峰值位移最小。根據(jù)圖4（b），進(jìn)一步跟蹤不同改性瀝青混合料產(chǎn)生裂縫之后的變形情況，可以發(fā)現(xiàn)同一級(jí)配的Ⅱ?yàn)r青混合料破壞位移均要大于Ⅰ瀝青混合料，這表明在裂縫擴(kuò)展階段，高粘高彈改性瀝青混合料擁有更好的變形能力。在瀝青膠結(jié)料相同的情況下，SMA-13級(jí)配的改性瀝青混合料的破壞位移更大，即SMA-13改性瀝青混合料在裂縫擴(kuò)展階段的變形能力要略優(yōu)于AC-13。

2.3 斷裂能

圖5（a）～（b）分別為不同改性瀝青混合料在裂縫產(chǎn)生之前及裂縫擴(kuò)展階段的斷裂能情況。由圖5（a）可知，同一級(jí)配Ⅰ瀝青混合料的峰前斷裂能均要大于Ⅱ?yàn)r青混合料，主要原因是裂縫產(chǎn)生之前Ⅰ瀝青混合料承受的加載力要明顯大于后者，這表明相同級(jí)配條件下，硬質(zhì)瀝青改性瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的性能要優(yōu)于高粘高彈改性瀝青混合料。從圖5（b）可以看出，從裂縫產(chǎn)生到裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段，相同級(jí)配條件下，雖然Ⅰ瀝青混合料峰值力相對(duì)較大，但Ⅱ?yàn)r青混合料帶裂縫的變形量更大，綜合兩個(gè)因素之后Ⅱ?yàn)r青混合料的峰后斷裂能反而大于Ⅰ瀝青混合料，表明高粘高彈改性瀝青混合料帶裂縫的工作能力要強(qiáng)于硬質(zhì)瀝青混合料，即高粘高彈改性瀝青混合料在中溫條件下能夠保持更為穩(wěn)定的延性破壞狀態(tài)。

3 結(jié)論

該研究選取硬質(zhì)瀝青、高粘高彈改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，并探究了級(jí)配對(duì)混合料性能的影響，通過(guò)半圓彎曲試驗(yàn)研究了不同改性瀝青混合料在中溫條件下的抗裂性能，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：

（1）與級(jí)配類(lèi)型相比，瀝青膠結(jié)料的種類(lèi)對(duì)改性瀝青混合料的強(qiáng)度影響更為顯著，且中溫條件下硬質(zhì)瀝青混合料的強(qiáng)度要明顯大于高粘高彈改性瀝青混合料。（2）相同級(jí)配條件下，高粘高彈改性瀝青混合料在裂縫擴(kuò)展階段的變形能力要優(yōu)于硬質(zhì)瀝青混合料;同一瀝青膠結(jié)料條件下，SMA-13瀝青混合料在裂縫擴(kuò)展階段的變形能力要優(yōu)于AC-13瀝青混合料。（3）相同級(jí)配條件下，硬質(zhì)瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的性能要優(yōu)于高粘高彈改性瀝青混合料;高粘高彈改性瀝青混合料在中溫條件下能夠保持更為穩(wěn)定的延性破壞狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

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