不同類型瀝青混合料的低溫性能評價分析

劉衛斌

(新疆華天工程建設股份有限公司,新疆烏魯木齊 830011)

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不同類型瀝青混合料的低溫性能評價分析

劉衛斌

(新疆華天工程建設股份有限公司,新疆烏魯木齊 830011)

摘要:低溫下的瀝青混合料強度較高,但抗變形能力較差,因而其流變特性十分重要。文中基于國內外研究成果,通過瀝青混合料低溫彎曲破壞試驗,以低溫彎曲應變能密度作為混合料低溫性能定量分析指標,對不同類型瀝青混合料的抗低溫性能進行分析。研究表明,相同基質瀝青含量下,隨著PR、AC-16摻量的增加,彎曲應變能密度逐漸增加;LSAM-25的低溫動態模量大于Superpave25和ATB-25;LSAM-25的彎曲應變能密度最大,抗低溫性能最好。

關鍵詞:公路;瀝青混合料;低溫性能;彎曲應變能密度

瀝青混合料作為一種粘彈性材料,具有較好的蠕變特性和松弛特性。在現場直接測量瀝青路面的松弛模量很難實現,而蠕變模量雖可通過試驗測得,但測量時間較長,試驗中很難只加載矩形載荷,因而誤差較大。動態模量評價可準確反映混合料在交通載荷交替作用和溫度作用下的力學性能,得出非線性材料的破壞特性。混合料在低溫時的變形情況類似彈性體,利用動態模量曲線即可得出一定溫度范圍內的瀝青混合料力學性質。

大粒徑密級配的瀝青混合料(LSAM)可承載較重的交通負荷和環境溫度變化,具有較好的耐久性和抗變形能力,對LSAM的路用性能進行研究具有重要意義。該文以瀝青混合料低溫彎曲破壞試驗為研究基礎,對不同類型瀝青混合料的抗低溫性能及動態模量、低溫彎曲應變能密度對瀝青混合料低溫性能的影響進行分析,為瀝青混合料低溫性能評價研究提供參考。

1 低溫彎曲試驗研究

低溫狀態下的瀝青混合料強度較高,其流變特性十分重要。為了避免溫縮裂縫的出現,應選擇流變特性較好的混合料。低溫性能評價一般基于小梁彎曲試驗,采用MTS810試驗臺,基質瀝青選擇克拉瑪依90#,瀝青混合料選擇AC-16型。試驗步驟為:采用馬歇爾擊實法確定混合料密度,并利用輪碾法制備成型試件;以混合料實際密度為依據,設置合理的壓實次數;將碾壓成型的板狀試件進行切割,制備成200 mm×30 mm×35 mm試件;試驗溫度取-10℃,試驗記載速率為50 mm/min。試件出現彎曲破壞時的彎拉強度為:

式中:L為試件跨徑;PB為試件臨界載荷;b為試件寬度;h為試件高度。

試件梁底最大拉應變為:

式中:d為跨中撓度。

為提高瀝青混合料的耐久性和使用壽命,除對破壞強度、勁度模量進行計算外,還應對應力-應變曲線進行評價。當瀝青混合料處于脆性破壞時,應力-應變曲線應為直線;當瀝青混合料處于柔性破壞時,應力-應變曲線應為曲線。但應力-應變曲線只能對瀝青混合料的低溫性能作定性分析。

低溫下的瀝青混合料可以看作彈性材料,其破壞過程為能量耗散過程,若瀝青混合料儲存的彈性應變能量越多,則低溫抗裂性能越好。根據材料損傷準則,損傷過程主要有裂縫的引發、裂縫的生長及終止生長3個階段。假設材料破壞形式與材料的能量狀態有關,則材料損傷能用應變能量密度衡量,其函數關系為:

式中:d W/d V為應變能量密度函數;σij為應力分量;εij為應變分量;εo為最大應力下的應變值。

通過對低溫彎曲試驗得出的應力-應變曲線進行分析,可求解應變能密度,并得到瀝青混合料脆化溫度。瀝青混合料脆化溫度可作為評價瀝青混合料低溫抗裂性能的主要指標。應變能量密度函數可通過低溫彎曲試驗測定,因此以低溫彎曲應變能密度作為混合料低溫性能定量分析指標。低溫彎曲試驗結果見表1。

從試驗結果來看,相同基質瀝青含量下,隨著PR、AC-16摻量的增加,彎曲應變能密度逐漸增加。對于不同的改性劑,其彎曲應變能密度并無明顯規律,但不同試驗對象的值差距很大。不同材料彎曲破壞應變對比見圖1。

表1 低溫彎曲試驗結果

圖1 彎曲破壞應變試驗結果

2 低溫彎曲應變能密度評價

采用低溫彎曲試驗,對LSAM-25瀝青混合料的低溫性能進行研究。以Superpave25、ATB-25作為對比材料。3種混合料的級配曲線見圖2。

圖2 3種瀝青混合料的級配曲線

按照設計手冊確定瀝青最佳用量,并根據級配情況制備成型試件,每種材料制備2個試件。3種瀝青混合料的配合比設計結果見表2。

ATB-25和Superpave25相比,其礦料間隙率、有效瀝青飽和度均高些。因此,ATB-25常作為柔性基層使用。低溫彎曲試驗得到的彎曲應變能密度、動態模量見表3。

由表3可知:LSAM-25的低溫動態模量大于Superpave25和ATB-25,Superpave25的低溫各頻率動態模量最小;LSAM-25的彎曲應變能密度最大,說明其性能最好。

表2 3種瀝青混合料的配合比設計結果

表3 3種瀝青混合料的彎曲應變能密度和動態模量

由于LSAM的配合比設計采用主骨料空隙填充法,LSAM-25在-10℃的低溫性能最好。這種配合比設計法可充分利用粗骨料的嵌擠能力,將細集料、礦粉、瀝青等填充到主骨料空隙中。ATB -25中的壓實能量指數較大,材料雖然不易產生離析,但可壓性較差,嵌擠密實度不夠,其低溫性能低于LSAM-25。Superpave25混合料中集料主要為5～10 mm碎石,其擠密實度最差,低溫性能最差。

使用改性瀝青SBS后,瀝青混合料的抗低溫性能增加。從試驗結果來看,使用改性瀝青SBS的Superpave25混合料的低溫性能最好,LSAM-25混合料居中,ATB-25混合料最差。這是由于改性瀝青增加了膠結能力,Superpave25混合料瀝青含量最高,表現出較好的低溫性能。LSAM-25和ATB-25的瀝青含量相同,由于LSAM-25的嵌擠密實度高于ATB-25,使用改性瀝青SBS后的低溫性能也優于ATB-25。

但只提高瀝青含量并不能完全改善瀝青混合料的低溫性能,在PG58-22工況中,Superpave25的瀝青含量雖然是4.1%,但其低溫性能最差。瀝青含量增加,混合料的松弛性增加,同時收縮性也增強,如果兩者相互抵消,則提高瀝青含量并不能改善瀝青混合料的低溫性能。使用改性瀝青SBS后,Superpave25的收縮性增加,低溫性能得到改善。

3 結語

動態模量評價可準確反映混合料在交通載荷交替作用和溫度作用下的力學性能,得出非線性材料的破壞特性。該文以瀝青混合料低溫彎曲破壞試驗為研究基礎,對不同類型瀝青混合料的抗低溫性能進行分析,結果表明LSAM-25的低溫動態模量大于Superpave25和ATB-25,其彎曲應變能密度最大,說明其性能最好;只提高瀝青含量并不能完全改善瀝青混合料的低溫性能。

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收稿日期:2015-09-25

中圖分類號:U 416.217

文獻標志碼:A

文章編號:1671-2668(2016)02-0098-03