油石比對瀝青混合料低溫性能的影響分析

韓武松

（邯鄲市交通運輸局公路工程二處，河北 邯鄲 056000）

0 引言

瀝青路面的開裂是國內外道路界普遍關注的問題，也是世界各國都存在的普遍現象，其危害在于大量裂縫的存在使得路表水、空氣及其它有害物質可通過裂隙浸入路面結構內部，并沿著混合料的空隙滲入路面基層和路基，使路面基層和路基發軟，路面結構承載力下降，在行車荷載作用下產生唧漿、唧泥和沖刷，界面層出現局部脫空，進而在路面形成局部凹陷，最終導致路面發生網裂與坑槽，嚴重地影響車輛的行駛質量，大大地降低了路面的使用壽命。而且，在冰凍地區當溫度降至冰點時，滯留在路面結構空隙中的水分還會產生凍脹，進一步可能發生混合料內部的凍融循環，這些將導致路面材料的內部損傷和損傷累積，進一步加速路面的破壞[1]。因此，提高路面的抗裂性能是瀝青路面設計的重要研究內容。本文通過瀝青混合料劈裂抗拉試驗，研究溫度和油石比對瀝青混合料劈裂性能的影響及變化規律。

1 原材料

瀝青材料采用SBS改性瀝青。各項指標符合《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中技術要求，具體檢測指標見表1。

表1 SBS改性瀝青技術指標

粗集料要求選用質地堅硬、表面粗糙、抗磨耗、耐磨光、形狀接近立方體的破碎石料，破碎率一般為100%。本試驗粗集料采用石灰巖碎石。具體檢測指標見表2。

表2 粗集料技術指標

細集料采用由制砂機專門生產的石灰機制砂，要求不得有泥土、雜物。

填料采用石灰巖經磨制的新鮮礦粉，要求不含有泥土雜質和團粒，礦粉要求干燥、潔凈，顆粒松散，無結團，遭雨淋或受潮結團的礦粉不得使用。

試驗所用級配為AC—16規范中值，最佳油石比通過馬氏方法確定為6.5%。

2 試驗分析

采用馬氏方法成型劈裂試驗試件六組，每兩組為同一油石比，對三種油石比試件分別在-10℃、0℃下進行劈裂試驗，加載速度1mm/min，針對一種溫度、一種油石比取有效試件4個。利用電子萬能材料試驗機進行試驗，計算機自動采集數據，溫度控制裝置為環境箱，溫控精度±0.1℃。

2.1 劈裂強度分析

對制備的劈裂試件在-10℃和0℃進行劈裂試驗，劈裂強度結果如圖1。

圖1 油石比與劈裂強度關系

圖1 表明：在試驗的兩個溫度下，瀝青混合料劈裂強度曲線呈單調變化。0℃條件下的劈裂強度曲線近似一條直線，其變化為單調遞減，隨著油石比的增大劈裂強度減小；就-10℃劈裂曲線整體而言，劈裂強度隨油石比的增大而增加，但增大速率在6.0%~6.5%變化幅度較緩，增加約4.5%；在6.5%~7.0%之間變化較快，提高約11%。分析三種油石比可知，-10℃瀝青混合料的劈裂強度均大于0℃的值，且兩種溫度下的差值隨著油石比的增大而增加，6.5%油石比對應的劈裂強度為6.0%的1.2倍，而7.0%的油石比對應的劈裂強度為6.0%的1.5倍。說明在所研究的溫度及油石比范圍內，溫度對劈裂強度的影響隨油石比的增大而增大。

已有研究表明，瀝青混合料的劈裂強度主要由集料間嵌擠力與內摩阻力和瀝青與集料交互作用而產生的粘聚力組成[2]。嵌擠力和內摩阻力的大小主要取決于礦質集料的尺寸、均勻度、顆粒形狀和表面粗糙度，此外瀝青膜對摩阻力也有影響。瀝青混合料的粘聚力主要取決于下列兩個因素：一是瀝青與集料之間的相互作用力；二是瀝青材料本身的粘結力，其與瀝青的性質、礦料的性質以及瀝青含量等有關。產生上述現象的原因可能是：在較低溫度下，裹附集料表面的瀝青膜厚度隨著油石比的增大而變厚，集料間的瀝青除了起到粘結作用外，同時也有潤滑作用，在瀝青膜增厚的情況下，集料間潤滑作用增強，劈裂強度變小。隨著溫度降低，瀝青膠結料由粘彈性體向彈性體轉化，瀝青的勁度模量增加，瀝青混合料的劈裂強度除了依賴瀝青粘度和由瀝青與集料的相互作用而產生的作用力外，還有自由瀝青所提供的粘結力。隨著溫度的降低，自由瀝青的粘聚力的貢獻率逐漸增大，所以出現了劈裂強度受油石比影響明顯的情況。

2.2 拉伸應變分析

在0℃和-10℃下對制備的瀝青混合料試件進行劈裂試驗，拉伸應變結果如圖2所示。

圖2 油石比與拉伸應變關系圖

由圖2可得：油石比對拉伸應變的影響較大，兩個溫度下的拉伸應變曲線隨油石比呈線性變化。溫度不同，其增減變化不同，0℃的拉伸應變隨油石比的增加而增加，且其增加速率較大；-10℃的拉伸應變隨油石比的增加而減小，減小幅度較緩。溫度對瀝青混合料拉伸應變的影響隨油石比的增大而增大，且增大幅度逐漸提高，6.5%的油石比對應的兩個溫度下拉伸應變差值為6.0%的3.3倍，而7.0%油石比對應值為6.0%的7.8倍。

原因主要是：瀝青為溫度敏感性材料，其性狀受溫度影響較大，隨著溫度的升高，瀝青混合料的黏性增大，彈性減小，使瀝青混合料在受到荷載時，其應變增大[3]，所以瀝青混合料在0℃下拉伸應變高于-10℃的值。溫度不同，瀝青及瀝青混合料的力學性能亦不同，在較低溫度時，瀝青混合料為粘彈性體，應變量隨裹附集料表面的瀝青膜厚度的增大而增加，而低溫時，瀝青接近于彈性體，性狀向脆性方向發展，其應變減小。溫度對瀝青混合料拉伸應變的影響由溫度對瀝青及瀝青膠漿作用決定，所以油石比對兩種溫度下瀝青混合料的拉伸應變的差值影響較大[5]。

2.3 勁度模量分析

對試件在0℃和-10℃下進行劈裂試驗，勁度模量結果如圖3所示。

圖3 油石比與勁度模量關系圖

圖3 表明：瀝青混合料的勁度模量受溫度及油石比的影響規律與劈裂強度相似，其升降性和升降速率近同。兩個試驗溫度下勁度模量的差值整體及局部變化與劈裂強度差值亦相似。由于瀝青混合料勁度模量性質與瀝青的勁度模量規律相似，由劈裂強度及拉伸應變決定[4]，所以，出現以上結論亦可由上述劈裂強度及拉伸應變的解釋說明。

綜合三個試驗參數結果，溫度對瀝青混合料劈裂特性有顯著影響；油石比對劈裂強度的影響較大，而對拉伸應變和勁度模量的影響較小；兩者的交互作用對劈裂強度和勁度模量影響顯著，而對拉伸應變的影響不明顯。

3 結語

由此可見，在進行瀝青路面結構和材料設計時，應考慮冰凍地區實際溫度條件對混合料劈裂性能的影響。同時，在低溫地區施工時，應根據實際情況及施工經驗，在確定的最佳油石比用量基礎上適當增加瀝青用量，以提高低溫條件下瀝青混合料的低溫性能，從而減少裂縫的產生。

[1]沈金安.瀝青與瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]R.C.G.Haas.瀝青路面低溫收縮開裂的設計方法[J].李福普，譯.石油瀝青，1994， （2）： 41－49.

[3]Weixin Shen and David J.Kirkner.Thermal Cracking of Viscoelastic Asphalt-Concrete Pavement[J].J.Engrg.Mech.,2001， 127（7）： 700－709.

[4]葛折圣，黃曉明，許國光.用彎曲應變能方法評價瀝青混合料的低溫抗裂性能[J].東南大學學報：自然科學版， 2002， 32（4）： 1－3.