片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料低溫斷裂特性研究

張叢明

（中交第四航務(wù)工程局第一工程有限公司，廣東 廣州 510420）

0 引言

瀝青混合料作為一種對溫度敏感的黏彈塑性材料，低溫時易發(fā)生斷裂，特別是應(yīng)用于我國冬季嚴寒地區(qū)，會引發(fā)瀝青混凝土路面開裂，導(dǎo)致瀝青混凝土路面的服役壽命縮短。目前，對于瀝青混合料低溫斷裂性能的研究，較多使用半圓彎曲試驗，根據(jù)測試的位移—荷載曲線，計算用于評價瀝青混合料低溫性能的指標，包括剛度、斷裂韌性、斷裂能、斷裂能密度等。

研究人員在利用半圓彎曲試驗評價瀝青混合料斷裂性能的同時，開展了瀝青混合料的自愈合能力研究，并定義了瀝青混合料的自愈合指數(shù)等評價指標[1-4]。陳飛等結(jié)合瀝青路面低溫開裂的機理，歸納了瀝青混合料低溫抗裂性能試驗方法的進展，對比分析了各種試驗方法的優(yōu)缺點，并結(jié)合試驗評價難度、試驗結(jié)果變異性與現(xiàn)場實際受力相關(guān)性等，建議結(jié)合連續(xù)體試驗和斷裂力學(xué)試驗，綜合評價瀝青路面在不同狀態(tài)下的抗裂性能和裂縫抗延展能力[5]。

綜合現(xiàn)有文獻可以看出，對于酸性集料片麻巖與SBS橡膠改性瀝青制備的片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的斷裂性能研究較少。本文在制備SBS橡膠改性瀝青的基礎(chǔ)上，利用馬歇爾試驗進行片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的配合比設(shè)計，成型旋轉(zhuǎn)壓實試件，并切割制備用于半圓彎曲試驗的試件，開展不同溫度的半圓彎曲測試，計算斷裂韌性、斷裂能指標，評價片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的低溫斷裂特性。

1 原材料性質(zhì)及瀝青混合料的配合比設(shè)計

1.1 SBS改性瀝青及SBS橡膠瀝青的性質(zhì)

本文所使用的瀝青為SBS改性瀝青，制備SBS橡膠瀝青的膠粉粒徑為40目，以外摻的方式摻加占SBS改性瀝青質(zhì)量10%的膠粉。SBS橡膠瀝青的制備流程如下：將一定質(zhì)量的SBS改性瀝青加熱至180℃，稱取對應(yīng)質(zhì)量的膠粉，均勻加入SBS改性瀝青中，以500r/min的轉(zhuǎn)速進行攪拌，膠粉摻加完畢后，移至高速剪切機以5 000r/min的轉(zhuǎn)速剪切30min，最后加入抗剝落劑，以500r/min的轉(zhuǎn)速緩慢攪拌和發(fā)育30min，從而完成SBS橡膠瀝青的制備。室內(nèi)試驗結(jié)果見表1。

表1 SBS改性瀝青和SBS橡膠瀝青的性能指標

對比SBS改性瀝青和SBS橡膠瀝青，SBS橡膠瀝青的針入度和延度減小，軟化點升高，黏度增大，說明膠粉的摻加提升了瀝青的高溫性能，但低溫性能受到一定影響，這是因為膠粉在SBS改性瀝青中溶脹，吸收了改性瀝青中的輕質(zhì)組分，增強了膠粉與改性瀝青的相互作用，但膠粉為顆粒狀材料，加入SBS改性瀝青中改變其原有的相對均勻的結(jié)構(gòu)體系，從而影響了其低溫性能。

1.2 集料的性質(zhì)

粗、細集料均為斜長片麻巖，由于斜長片麻巖為酸性集料，為了提升酸性集料與SBS橡膠改性瀝青的黏附性，保證片麻巖集料與SBS橡膠改性瀝青具有較強的界面作用，本研究摻加非胺類抗剝落劑，摻量為SBS橡膠改性瀝青質(zhì)量的0.3%。

1.3 片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的配合比

本研究以密級配AC-16片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料為研究對象，各檔集料的通過率見表2。

表2 片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的級配

通過馬歇爾試驗分別測試片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的毛體積密度、穩(wěn)定度、流值、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度，在滿足空隙率和礦料間隙率的條件下，通過計算，確定最佳油石比為5.5%。

1.4 半圓彎曲試件制備

根據(jù)設(shè)計的SBS橡膠瀝青混合料配合比進行備料，利用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型直徑為150mm、高度為150mm的圓柱形試件。鑒于旋轉(zhuǎn)壓實試件上下兩端接近表面部分的密實度、空隙結(jié)構(gòu)和分布與靠近試件中間部分存在差異，切掉試件上下2cm部分，以保證試件的整體結(jié)構(gòu)、性能等一致。從接近試件中部的位置切割直徑為150mm、厚度為24.7mm的試件，將該試件沿直徑方向切割成對稱的半圓試件，對每個半圓形試件自圓心垂直于直徑方向切縫，縫的深度為15mm、寬度為1.5mm。

2 半圓彎曲試驗結(jié)果與分析

在對瀝青混合料低溫斷裂特性的研究中，主要采用的方法包括單邊切口梁試驗、間接拉伸試驗、圓盤拉伸試驗、裂縫擴展性能試驗和半圓彎曲試驗。

單邊切口梁試驗可以通過變換切口設(shè)置研究Ⅰ型斷裂模式和混合斷裂模式。該試驗的缺點為當切口較深時，試樣可能會在自重作用下開裂。

圓盤拉伸試驗試件表面為圓形，在槽口的兩側(cè)設(shè)有加載孔，可以使斷裂面積最大化，從而減小因幾何形狀導(dǎo)致的測試結(jié)果可變性。但該試驗的試件內(nèi)部應(yīng)力分布復(fù)雜，加載孔可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致試件過早失效，使得試驗結(jié)果失真，且試件的制備較為復(fù)雜。

半圓彎曲試驗（Semi-Circular Bending,SCB）基于斷裂力學(xué)原理，該試驗方法對帶有缺口的半圓形試件進行三點彎曲加載，在試件的底部產(chǎn)生張力，從而導(dǎo)致裂紋從底部萌生，沿試件底部向整個試件擴展。該試驗方法的試件制備簡便，試件的切口易切割，試件的獲取可通過試驗室或現(xiàn)場取芯，試驗操作簡單，可重復(fù)性強。

采用半圓彎曲試驗測試不同溫度下片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的斷裂過程及性能指標，測試溫度分別為-15℃,-10℃和0℃，加載速率為1mm/min。

2.1 溫度與斷裂韌性的關(guān)系

斷裂韌性KIC是臨界荷載時的應(yīng)力強度因子，臨界荷載為試驗過程中的最大彎曲力，斷裂韌性反映瀝青混合料在斷裂過程中吸收能量的能力，KIC越大，說明阻礙裂紋擴展的能力越強。KIC由式（1）計算，不同溫度條件下的斷裂韌性如圖1所示。

圖1 片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的斷裂韌性

式（1）中：YI(0.8)為標準應(yīng)力強度因子，由式（2）計算得出；σ0為臨界荷載對應(yīng)的應(yīng)力（MPa），由式（3）計算得出；a為裂縫長度（m）。

式（2）～式（3）中：r為試件半徑（m）；Pc為臨界荷載（MN），即最大彎曲力；t為試件厚度（m）。

由圖1可以看出，溫度對片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料斷裂韌性的影響較大。隨著溫度的升高，瀝青混合料的斷裂韌性減小，說明瀝青混合料在低溫環(huán)境下發(fā)生斷裂需要消耗更多的能量，溫度升高后，瀝青混合料的黏彈性更加顯著，施加荷載使得試件產(chǎn)生斷裂所消耗的能量減少。與-15℃時的斷裂韌性相比，-10℃和0℃時片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的斷裂韌性分別減小18.2%和28.0%。

2.2 溫度與斷裂能的關(guān)系

斷裂能Gf是半圓彎曲試驗所計算的主要參數(shù)之一，其定義為裂縫在試件中萌生、擴展直至斷裂所需的功，以荷載-位移曲線下的面積表示。斷裂能越大，表示瀝青混合料在某一溫度下的抗裂性能越好。斷裂能Gf為斷裂功與韌性區(qū)面積之比，見式（4）。

式（4）中：Gf為斷裂能（J/m2）；Wf為斷裂功（J），由式（5）確定；Alig為韌性區(qū)面積（m2），由式（6）確定。

式（5）～式（6）中：P為施加的荷載（N）；u為平均位移（m）；其他參數(shù)意義同前。

根據(jù)式（4），通過對片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的荷載-位移曲線與X軸包圍的面積進行積分，得到不同試驗溫度條件下瀝青混合料的斷裂能，如圖2所示。

圖2 片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的斷裂能

由圖2可知，片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的斷裂能隨著溫度的升高而減小，特別是當溫度從-15℃上升至-10℃期間斷裂能急劇下降，與-15℃時片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的斷裂能相比，-10℃和0℃時的斷裂能分別下降了38.9%和42.4%，說明溫度越低，片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的抗裂性能越優(yōu)，隨著溫度的升高，瀝青混合料逐漸呈現(xiàn)出黏彈塑性，其抗裂性能下降。

3 結(jié)論

綜上所述，本文得出以下結(jié)論：

（1）摻加膠粉后，SBS橡膠瀝青的針入度、延度減小，軟化點、黏度增大。

（2）隨著溫度的升高，片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的斷裂韌性減小，瀝青混合料試件產(chǎn)生斷裂消耗的能量隨之降低.

（3）片麻巖-SBS橡膠瀝青混合料的斷裂能隨著溫度的升高而減小。