橡膠瀝青混合料面層抗裂性能的研究

桑偉寧，謝　康，周　輝

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥　230009；2.安徽土木結構與材料省級實驗室，安徽 合肥　230009)

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橡膠瀝青混合料面層抗裂性能的研究

桑偉寧1,2，謝康1，周輝1

(1.合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥230009；2.安徽土木結構與材料省級實驗室，安徽 合肥230009)

摘要：文章主要采用小梁低溫三點彎曲試驗，對比研究不同級配、不同瀝青種類及纖維添加對瀝青混合料面層抗裂性能的影響，以分析不同因素對瀝青面層開裂的影響。研究結果表明，間斷級配橡膠瀝青混合料具有更好的抗裂性，橡膠瀝青混合料面層的抗裂性比SBS改性瀝青和普通瀝青更好，添加纖維可增強瀝青混合料的抗裂性，可為實體工程中選擇合理的橡膠瀝青混合料工程級配類型提供參考依據。

關鍵詞：橡膠瀝青混合料面層；密級配AC-13；間斷級配SMA-13;小梁低溫三點彎曲試驗；纖維

0引言

在瀝青路面所存在的病害中，瀝青路面開裂是主要病害之一。按路面開裂的形式，路面裂縫可分為橫向裂縫、縱向裂縫和網狀裂縫。瀝青路面開裂的主要原因分為兩大類：一類是由于行車荷載作用而產生的結構性破壞裂縫，稱為荷載型裂縫；另一類是瀝青面層溫度變化而產生的溫縮裂縫和由基層溫縮、干縮、疲勞引起的面層裂縫，稱之為非荷載型裂縫[1]。其中，非荷載型裂縫是最主要的，非荷載裂縫大都表現為橫向裂縫，一次性氣溫驟降或者溫度循環作用都有可能引起溫度收縮裂縫[2]。

影響瀝青路面開裂的主要因素有瀝青及瀝青混合料性質、基層材料性質、氣候條件、交通量、車輛類型及施工因素等，其中瀝青和瀝青結合料的性質是影響瀝青路面溫縮開裂的最主要原因[3]。目前，減輕瀝青路面裂縫的有效措施主要從路面結構層設計、瀝青混合料原材料改進(改性瀝青的使用，不同級配的路用性能研究)、纖維使用以及施工等方面進行改善[4]。

近年來，對瀝青進行改性，選用性能更優的級配類型及在混合料中摻加其他材料(如纖維)改善路面開裂狀況的技術，受到了各國道路工作者的普遍關注[5-6]。與橡膠瀝青改性一樣，纖維改性瀝青由于對路面的路用性能改善效果好及施工簡單，同樣受到國內外普遍重視，橡膠改性瀝青作為近幾年發展起來的新型材料，具有較強的高溫穩定性、優異的低溫性能、突出的抗老化、抗裂性能和抗變形能力的性能特點[7]。

開展橡膠瀝青及纖維對瀝青路面抗裂效果的研究，具有改善道路使用性能、經濟及環保節能等多方面良好的效益，將有助于橡膠瀝青在路面材料實際使用中的推廣應用。

1試驗原材料

(1) 瀝青。試驗采用橡膠瀝青，并用SBS改性瀝青和AH-70普通瀝青作對比，對瀝青相關性能指標進行試驗。

(2) 集料。粗、細集料均選用玄武巖，產地蚌埠，規格分別為1#(10～15 mm)、2#(5～10 mm)、3#(3～5 mm)、4#(0～3 mm)4種，按照文獻[8]要求，對所用集料主要技術指標進行測試，粗、細集料各項技術指標均滿足規范要求，可用于試驗研究。

(3) 纖維。采用聚酯纖維(白色)和玄武巖纖維(褐黃色)，2種纖維的物化性能見表1所列，其耐熱性在210 ℃、2 h條件下，體積均無變化，無卷曲。

表1　纖維物化性能表

2纖維橡膠瀝青混合料配合比設計

2.1確定礦料級配

根據國內外相關研究資料[9-11]，選取在橡膠瀝青混合料面層中運用較多的密級配AC-13及間斷級配SMA-13作為礦料級配，并參考美國及國內相關省市礦料級配標準，采用試配法得到本試驗所采用的密級配AC-13及間斷級配SMA-13作為礦料級配，結果見表2所列。

表2　礦料級配質量百分率　%

2.2確定最佳油石比

按照文獻[12]要求，以馬歇爾體積指標、力學強度指標確定橡膠瀝青混合料的最佳瀝青用量，配合比設計結果見表3所列。

表3　橡膠瀝青混合料馬歇爾試驗結果

2.3不同級配纖維橡膠瀝青抗裂性

用于瀝青混合料抗裂性研究的試驗方法主要有間接拉伸試驗、直接拉伸試驗、蠕變試驗、約束試件的溫度應力試驗(TSRST)、切口小梁試件的彎曲試驗及應力松弛試驗等[13-14]。本文采用小梁低溫三點彎曲試驗評價橡膠瀝青混合料的抗裂性能。規范中關于小梁低溫彎曲試驗3個評價指標為抗彎拉強度、最大彎拉應變和彎曲勁度模量，抗彎拉強度和最大彎拉應變越大低溫抗裂性能越好。但是，通常如果抗彎拉強度大，則相應的最大彎拉應變就相對較小，這兩者對于材料而言很難同時兼具，僅采用單一指標很難確切評價混合料的低溫抗裂性能。研究表明，瀝青路面低溫開裂病害的產生不僅與材料抗變形能力有關，還取決于材料的強度，如果瀝青混合料試件破壞時消耗的能量越大，其低溫抗裂性能就越好，即使材料抗變形能力不強也不易發生開裂，所以，在評價瀝青混合料低溫抗裂性能的時候也應以能量為基準。按照能量守恒原理，不同的瀝青混合料在保持某一狀態時都具有一定能量儲存，為了改變其本來現狀而作的功則可評價其儲存能量的多少。對于低溫抗裂性，同種條件下，瀝青混合料破壞時，能量消耗越多則說明其低溫抗裂性越好[15]。稱這種破壞能量為應變能，假定材料破壞形式與單位體積內能量狀態相對應，則材料損傷可以用應變能密度函數表示為

(1)

其中，δij為應力分量;εij為應變分量;ε0為臨界應變。

瀝青混合料試件應變能密度在應力應變曲線中的幾何意義為低溫彎曲試驗應力達到最大值以前，曲線下方與橫坐標軸的包絡面積，如圖1所示。

圖1　低溫彎曲試驗應力-應變曲線

本文采用小梁低溫三點彎曲試驗評價瀝青混合料低溫抗裂性，并輔以破壞應變能指標對其進行評價。試驗共分2個部分，第1部分對比分析密集配AC-13及間斷級配SMA-13類型級配下橡膠瀝青、SBS改性瀝青、AH-70號普通瀝青混合料試件的抗裂性能,第2部分對比分析間斷級配SMA-13的3種類型瀝青混合料在添加聚氨酯纖維和玄武巖纖維后對小梁低溫抗裂性能的影響，小梁低溫三點彎曲試驗結果見表4、表5所列。

表4　第1部分試驗小梁低溫彎曲試驗結果

表5　第2部分低溫彎曲試驗結果

3試驗結果分析

(1) 間斷級配SMA-13瀝青混合料的抗彎拉強度、彎拉應變及彎曲勁度模量性能均要優于密集配AC-13瀝青混合料，橡膠瀝青SMA-13與AC-13試件斷裂裂口細部如圖2、圖3所示。

圖2　SMA-13瀝青混合料斷裂面大樣圖

圖3　AC-13瀝青混合料斷裂面大樣圖

從圖2、圖3中可以看出，間斷級配SMA-13試件沿裂縫處粗集料因相互嵌鎖作用壓裂，而密集配AC-13試件的裂縫多沿著空隙處和粗集料邊緣開裂。這是由于SMA-13型級配混合料中粗集料的大量使用(66.3%)，粗集料之間的嵌鎖作用加大，使粗集料之間的內摩擦角增大，試件在受豎向荷載作用擠壓時，粗集料由于嵌鎖作用，內摩擦角大可以較好地抵抗外力，使間斷級配SMA-13型混合料的彎拉強度要遠大于密集配AC-13。同時間斷級配混合料具有相對較大的空隙率，這種多孔結構可有效地切斷裂縫尖端的延伸，將應力、應變的傳遞均勻釋放。此外，橡膠瀝青混合料的收縮系數較小，其大粒徑粗集料形成嵌擠骨架加上高粘度的橡膠瀝青膠結料的作用，使其具有抵抗較大的塑性變形能力，可以將裂紋釋放的應變能充分吸收，減小裂縫處的應力集中，從而減小裂縫擴展的速度，使橡膠瀝青試件斷裂時呈現為柔性斷裂破壞特征[16]。由圖2可知，間斷級配SMA-13瀝青混合料的臨界應變能比密集配AC-13瀝青混合料提高了近1倍，說明相同條件下發生斷裂時，間斷級配SMA-13試件要比密集配AC-13吸收更多的能量，間斷級配SMA-13瀝青混合料的抗裂性能要優于密集配AC-13型。

(2) 不同瀝青抗彎拉強度SBS改性瀝青最強，橡膠瀝青與普通瀝青相近，而彎拉應變橡膠瀝青要明顯優于SBS改性瀝青和普通瀝青混合料，不同級配下橡膠瀝青的彎曲勁度模量均小于SBS改性瀝青及普通瀝青，低溫下勁度模量越小，瀝青的抗裂性能越好，在低溫條件下，橡膠顆粒瀝青混合料的抗彎拉強度和破壞勁度模量由于橡膠顆粒的添加而降低，而破壞彎拉應變顯著提高，且橡膠瀝青小梁試件低溫斷裂過程呈現明顯的韌性斷裂破壞特征，小梁試件裂而不斷。SBS改性瀝青及普通瀝青試件出現裂紋后迅速貫穿整個斷面，表現出明顯的脆性破壞，這主要是由于橡膠顆粒具有柔性和彈性，并且隨瀝青用量的增加，兩者共同作用使橡膠顆粒瀝青混合料的低溫抗彎拉強度隨橡膠顆粒的加入而下降。破壞勁度模量的下降和破壞彎拉應變的升高則說明橡膠顆粒的加入賦予橡膠顆粒瀝青混合料一定的低溫柔性，由于低模量的特點，使橡膠瀝青具有很強的吸收應力的能力。

(3) 添加纖維后，3種瀝青的臨界應變能密度相對無添加的試件均有所提升，其中添加聚酯纖維的混合料試件臨界應變能密度提升比率(約30%)要高于添加玄武巖纖維試件(約15%)，橡膠瀝青在添加2種纖維后的臨界應變能密度均高于SBS改性瀝青及普通瀝青。在瀝青混合料中摻入高抗拉強度和高模量的增強纖維后,數以萬計的單絲纖維在瀝青混合料中呈三維網狀分布,對瀝青混合料起到了“加筋”作用，約束了混合料內部缺陷或裂紋進一步發展，纖維瀝青混合料在受到拉伸的過程中，纖維可阻止裂紋進一步擴展，對裂擴展起到阻滯作用。摻入高抗拉強

度、高模量的纖維可以增加混合料的變形能力，使混合料具有很高的韌性，對纖維瀝青混合料而言，即使已出現裂紋，纖維的橋接作用仍可使材料承受外載作用，使彎拉應變繼續增大，從而改善材料的抗裂能力，提高瀝青混合料的抗裂性能。

4結論

(1) 配制出符合規范要求的密級配AC-13和間斷級配SMA-13的礦料級配及橡膠瀝青最佳油石比。

(2) 用臨界應變能密度評價瀝青混合料低溫性能，可體現材料的強度及抗變形特征，相對單純用彎曲應變、強度或勁度模量評價混合料低溫性能更合理。

(3) 通過對比得出橡膠瀝青混合料在間斷級配及添加纖維后，其抗裂性能將會有明顯提升。

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收稿日期：2016-03-28

作者簡介：桑偉寧(1988-)，男，安徽合肥人，合肥工業大學碩士生．

中圖分類號：TU528.07

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5781(2016)02-0218-04