PA-1/UV-531/SBR改性瀝青混合料高低溫性能評價

閔天府(青海大學土木工程學院，青海 西寧 810016)

0 引言

青海省地處西北寒旱區(qū)，具有干燥、寒冷、溫差、強紫外線和大風等氣候特征及冷熱交替等典型的氣候條件，導致瀝青路面過早老化，路用性能嚴重降低，因此，提高青藏高原地區(qū)瀝青路面路用性能具有一定研究意義。基于此，文章分別對0.7%PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR(占基質(zhì)瀝青質(zhì)量分數(shù))改性瀝青混合料進行高溫車轍試驗和半圓彎曲試驗，采用動穩(wěn)定度技術(shù)指標評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，以斷裂能和斷裂韌性作為評價瀝青混合料低溫抗裂性指標。試驗結(jié)論有望對青海地區(qū)瀝青路面高低溫性能評價體系提供參考和依據(jù)。

李寧等[1]通過研究車轍深度發(fā)現(xiàn)泡沫溫拌瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能更好；何俊輝等[2]研究結(jié)果表明隨著荷載增大，瀝青混合料動穩(wěn)定度降低，車轍深度呈增大趨勢；同時有關(guān)學者對影響瀝青混合料低溫性能有關(guān)因素進行分析[3]。美國SHRP計劃提出將J積分作為評價瀝青路面開裂指標[4]。

1 材料概況

1.1瀝青技術(shù)指標

試驗選用抗剝落劑PA-1、抗紫外線劑UV-531和丁苯橡膠SBR三種改性劑，制備組分為0.7% PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR復配改性瀝青，性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 0.7%PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 復配改性瀝青主要技術(shù)指標

1.2 瀝青混合料配合比設(shè)計

研究選用AC-16密集配瀝青混合料類型，集料采用石灰?guī)r材質(zhì)的碎石和礦粉，配比為10 ～ 20 mm∶10～15 mm∶5～10 mm∶3～5 mm∶0～ 3 mm∶礦粉 =16∶19∶14∶19∶29∶3，通過一系列馬歇爾穩(wěn)定度和體積試驗，確定最佳油石比為4.5%。對粗、細集料以及礦粉技術(shù)指標測定結(jié)果滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對于各項指標的技術(shù)要求。瀝青混合料級配設(shè)計結(jié)果如表2所示。

表2 AC-16瀝青混合料級配設(shè)計結(jié)果

2 試驗方法

2.1 高溫車轍試驗

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》，進行高溫車轍試驗。首先將成型好的尺寸為300 mm× 300 mm×50 mm車轍試件置于室溫養(yǎng)護24 h，然后置于60 ℃的試驗環(huán)境中保溫6 h之后進行車轍試驗，試驗溫度60 ℃，輪壓為0.7 MPa，速率42次/min的標準條件下進行。碾壓時間為60 min，每組試驗進行3次平行試驗，取平均值作為結(jié)果。

2.2 SCB試驗加載

SCB試驗采用UTM-130瀝青混合料多功能試驗機，以0.05 kN/s接觸試件，產(chǎn)生接觸力0.1±0.01 kN，以0.5 mm/min豎向位移下壓速率對試件進行加載，荷載下降到最大值的25%時終止試驗。SCB試驗試件尺寸為：直徑150 mm、厚度24.7 mm，預切口15 mm的半圓切片。試驗溫度為-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃。SCB試件在試驗溫度下養(yǎng)護3 h，每個溫度進行2組有效平行試驗，取平均值作為結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 SCB試驗

SCB試驗基于彈塑性斷裂力學理論，對五個溫度下-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃的SCB試件進行加載，得到荷載-位移曲線圖，如圖1所示。

圖1 不同溫度下SCB試件荷載-位移曲線

瀝青混合料屬于感溫性材料，溫度降低會引起瀝青混合料脆性提高。由圖1可見，SCB試件荷載-位移曲線受溫度影響顯著，破壞峰值荷載隨著溫度降低逐漸增大，在0～-5 ℃之間，峰值荷載變化上升幅度最大，提高率達到48.2%。同時，不同溫度下峰值荷載之后仍有下降段，說明SCB試件在達到極限抗壓強度后，仍具有彈性變形能力。

3.1.1 基于斷裂能指標評價SCB試件低溫抗裂性能

斷裂能按公式(1)進行計算，得到五個溫度下的斷裂能，繪制成圖2。

圖2 改性瀝青混合料SCB試件斷裂能柱狀圖

式中：wf為斷裂功，wf=∫Pdu，P為荷載，u為平均線位移；Alig為韌帶區(qū)域，Alig=(r-a)t，r為試件半徑，a為開口長度，t為試件厚度。

由圖2所示，溫度變化會對瀝青混合料抗裂性能產(chǎn)生顯著影響，隨著溫度降低，斷裂能先增大后降低，并在0 ℃達到峰值。說明SCB試件在0 ℃時抗裂性能最好。0 ℃以下時，溫度降低會引起材料彈性變形能力減弱，產(chǎn)生破壞所需能量減小。同時發(fā)現(xiàn)0～-5 ℃，斷裂能變化顯著，減小率達到53.1%。分析原因：溫度降低使瀝青變硬變脆，引起瀝青—集料之間黏附性變差，瀝青混合料內(nèi)部出現(xiàn)溫度應力累積，導致試件還未達到所承受極限抗拉強度時，累積溫度應力已達到自身抗拉強度極限值而破壞，因此低溫環(huán)境下斷裂能較小。

3.1.2 基于斷裂韌性指標評價SCB試件低溫抗裂性能

斷裂韌性按公式(2)～(4)進行計算，將五種溫度下的斷裂韌性計算結(jié)果繪制成圖3所示。

圖3 改性瀝青混合料SCB試件斷裂韌性折線圖

式中：Y(I(0.8))為標準應力強度因子；σ0為峰值荷載對應的應力；a為裂縫長度；P為施加荷載；r為試件半徑；t為試件厚度。

斷裂韌性是表征材料組織裂縫擴展能力的固有屬性，如圖3所示，SCB試件斷裂韌性隨著溫度降低，先升高后下降，并在0 ℃時達到最高值1.06 MPa·m0.5,0 ℃之后，斷裂韌性開始大幅減小，說明此時SCB試件開裂程度從0 ℃開始變大，抗裂縫發(fā)展水平更差。采用斷裂韌性評價指標和斷裂能評價結(jié)果一致，說明0.7%PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 改性瀝青混合料SCB試件低溫抗裂性在0 ℃時達到最佳。

3.2 高溫車轍試驗

每組試樣記錄0～60 min內(nèi)的車轍位移，間隔5 s取一個點，共取13個點，將3組試件車轍結(jié)果繪制成如圖3所示曲線。采用動穩(wěn)定度(DS)值作為評價瀝青混合料高溫抗車轍性能指標，動穩(wěn)定度越大，說明車轍永久變形速率越慢，高溫抗車轍能力越好。計算公式如下式：

式中：DS為瀝青混合料車轍動穩(wěn)定度(次/mm)；d1、d2分別為對應時間t1、t2的變形量；C1為試驗機類型系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動加載輪往返運行方式為1.0；C2為試件系數(shù)，實驗室制備寬為300 mm的試件為1.0；N為試驗輪往返碾壓速度，通常為42次/min。

如圖4所示，三組車轍試驗曲線表明：隨著車轍碾壓時間的增長，車轍板的變形量不斷增大，變化速率逐漸趨于平緩。

圖4 改性瀝青混合料漢堡車轍試驗曲線

根據(jù)JTG F40—2019《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：青海地區(qū)瀝青混合料車轍試驗DS≥2 400次/mm。通過對三組試驗結(jié)果計算分析，0.7% PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 改性瀝青混合料三組DS平均值比標準值高63.75%，說明改性瀝青混合料動穩(wěn)定度滿足青海地區(qū)要求，具有較好的高溫抗車轍能力。

4 結(jié)語

(1)采用斷裂能和斷裂韌性評價指標，發(fā)現(xiàn)0.7% PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 改性瀝青混合料低溫抗裂性在0 ℃達到最佳。在10～-10 ℃溫度范圍內(nèi)，瀝青混合料在達到極限抗壓強度后，仍具有彈性變形能力。

(2)高溫車轍試驗結(jié)果表明，0.7%PA-1/1.6% UV-531/1.0% SBR 改性瀝青混合料動穩(wěn)定度比標準值提高63.75%，具有較好的高溫抗車轍能力，滿足規(guī)范對青海地區(qū)要求。