高模量瀝青低溫抗裂性能的評價指標

耿 韓， 李立寒， 張 磊， BAHIA Hussain U(1.上海海事大學(xué) 交通運輸學(xué)院， 上海 0106；.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 0180；.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150090；.威斯康星大學(xué)麥迪遜分校 土木與環(huán)境工程系， 威斯康星 麥迪遜 5706)

高模量瀝青是高模量瀝青混合料的重要組成材料，一般指使用性能分級達到PG76～PG16，60℃剪切復(fù)數(shù)模量不低于10kPa的道路瀝青結(jié)合料[1].高模量瀝青一般可分為3類：高分子聚烯烴改性瀝青、巖瀝青改性瀝青、硬質(zhì)瀝青[2].低溫抗裂性能是影響高模量瀝青推廣應(yīng)用的核心問題之一.

國內(nèi)諸多學(xué)者針對高模量瀝青材料的低溫抗裂性能進行了研究.杜少文[3]研究表明：布敦巖瀝青的加入可以增加基質(zhì)瀝青混合料的低溫彎曲破壞應(yīng)變，提高其低溫抗裂性能.劉云全等[1,4]研究表明：在路面低溫設(shè)計溫度為-23.5℃的條件下，高分子聚烯烴改性高模量瀝青上面層與SBS改性瀝青上面層的低溫橫向裂縫沒有顯著差異.程箭等[5]研究表明：硬質(zhì)瀝青延度與硬質(zhì)瀝青混合料低溫性能無直接相關(guān)性，30號硬質(zhì)瀝青混合料用于年極端最低氣溫不低于-37.0℃的非冬嚴寒區(qū)瀝青路面表面層是可行的.一般而言，高模量瀝青延度較低、低溫蠕變勁度較高，以這2項指標表征的低溫抗裂性能不及SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，而這與高模量瀝青鋪面在中國冬寒區(qū)的實際應(yīng)用效果不符[5-6].因此，采用延度指標、Superpave使用性能評價指標無法準確評價高模量瀝青的低溫抗裂性能.

為此，本文選取彎曲蠕變勁度試驗、單邊切口彎曲梁試驗，對比研究了蠕變勁度、斷裂韌度、斷裂能等指標用于評價高模量瀝青低溫抗裂性能的適用性，以期得出合理、能夠反映高模量瀝青低溫抗裂性能的評價指標.

1 試驗

1.1 試驗材料

除A-30硬質(zhì)瀝青外，本文選擇1種基質(zhì)瀝青(A-70)、3種高模量改性劑(Baoli，PRM，Gilsonite)、1種線性SBS改性劑進行改性瀝青配制.A-70基質(zhì)瀝青的使用性能分級為PG64～PG22；Baoli，PRM為產(chǎn)自中國、法國的聚烯烴類改性粒子；Gilsonite為北美巖瀝青.進行Baoli，PRM高模量瀝青配制時，采用高速剪切機使改性劑逐漸變細，而后采用拌和設(shè)備充分攪拌，直至改性劑充分溶于基質(zhì)瀝青.進行Gilsonite巖瀝青改性瀝青配制時，先使巖瀝青通過0.075mm 孔徑篩，而后直接采用攪拌機拌和，直至其充分溶于基質(zhì)瀝青.改性劑均為外摻，其摻量(改性劑質(zhì)量與基質(zhì)瀝青質(zhì)量的百分比，下同)按照工程實踐中的推薦摻量選取，Baoli，PRM，Gilsonite的摻量分別為9.0%，9.0%，10.0%，對應(yīng)的高溫性能分級分別為PG94，PG94，PG76；SBS的摻量分別為4.0%(推薦摻量)，13.5%(PG 94對應(yīng)的摻量).瀝青的高溫性能分級、60℃復(fù)數(shù)剪切模量G*見表1.

表1 瀝青的技術(shù)指標Table 1 Technical requirements of asphalt binders

石料為石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r礦粉.混合料采用Superpave-19.0型級配，級配組成見表2.制備混合料時，外摻劑采用濕法投放，設(shè)計瀝青用量為5.5%(質(zhì)量分數(shù))，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》用輪碾儀將瀝青混合料制成30cm×30cm ×5cm的車轍板，再切制成規(guī)定尺寸的小梁試件.

表2 瀝青混合料合成級配組成Table 2 Gradation of asphalt mixtures

1.2 瀝青彎曲蠕變勁度試驗

彎曲蠕變勁度試驗(BBR)按照JTG E20—2011進行，試件尺寸(長×寬×高)為127.00mm×6.35mm×12.70mm，試驗溫度為0，-6，-12℃.試驗時，對梁施加0.980N的荷載240s，用位移傳感器測量其撓度；240s后卸去荷載.評價指標為加載時間60s的蠕變勁度和雙對數(shù)坐標下的蠕變斜率.二者分別采用式(1)，(2)進行計算[7].在Superpave膠結(jié)料規(guī)范中，較小的蠕變勁度(S值)和較大的蠕變斜率(m值)表征較優(yōu)的低溫抗裂性能，以S≤300MPa，m≥0.300作為低溫使用性能的分級標準[8].

S(t)=PL3/4bh3δ(t)

(1)

(2)

式中：S(t)為t時刻的蠕變勁度，Pa；m(t)為t時刻蠕變斜率的絕對值；P為施加的荷載，N；L為梁支撐間距，0.102m；b為梁寬度，m；h為梁高度，m；δ(t) 為t時刻梁的撓度，m.

1.3 瀝青單邊切口彎曲梁試驗

1.3.1試件制作

單邊切口彎曲梁(SENB)試驗采用改造后的BBR模具成型瀝青梁.首先，在模具中點沿高度方向切出3.0mm深、0.1mm寬的縫隙；然后，將2片厚度均為0.05mm的塑料板置于縫隙當(dāng)中；最后，在模具中澆筑瀝青材料，冷卻脫模后，即可進行試驗.脫模后2片塑料片不再取出，起到防止切縫兩側(cè)瀝青粘連的作用.

1.3.2試驗方法與評價指標

單邊切口彎曲梁試驗參照ASTM E399進行，試驗溫度為-12℃，加載速率為0.01mm/s.圖1，2為試驗及加載曲線示意圖.評價指標為斷裂荷載Pf，N；斷裂撓度Df，mm；斷裂韌度KIC，N/m3/2；斷裂能Gf，J/m2.斷裂韌度、斷裂能分別采用式(3)，(4)進行計算[9-10].公式中的瀝青梁尺寸、支撐間距與BBR試驗相同.

(3)

(4)

式中：f(a/h)為與裂縫深度a、梁高度h相關(guān)的常數(shù)，文中取為1.292；Wf為試件斷裂之前荷載所做的功，即圖2中加載曲線下的陰影面積，J.

圖1 單邊切口彎曲梁試驗示意圖Fig.1 Schematic of single-edge notch bending test

圖2 單邊切口彎曲梁試驗加載曲線Fig.2 Force-displacement curve of single-edge notch bending test

1.4 瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗

低溫彎曲試驗按照JTG E20—2011進行.利用材料試驗機(MTS810)進行試驗，小梁試件尺寸為50mm×50mm×250mm，跨徑為200mm，試驗溫度為-10℃，加載速率為50mm/min.評價指標為彎拉強度、極限彎拉應(yīng)變和臨界彎曲應(yīng)變能.其中，臨界彎曲應(yīng)變能為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下方、低于峰值應(yīng)力一側(cè)的面積，數(shù)值越大，混合料抗裂性能越好[11].

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 彎曲蠕變勁度試驗結(jié)果分析

2.1.1蠕變勁度與蠕變斜率

瀝青的蠕變勁度和蠕變斜率試驗結(jié)果見圖3.如圖3(a) 所示，高模量瀝青的蠕變勁度顯著高于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，其蠕變勁度由高到低的排序為：Gilsonite巖瀝青改性瀝青、A-30硬質(zhì)瀝青、聚烯烴(Baoli，PRM)改性瀝青.如圖3(b)所示，高模量瀝青的蠕變斜率(m值)顯著低于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，其m值由高到低的排序同樣為：Gilsonite巖瀝青改性瀝青、A-30硬質(zhì)瀝青、聚烯烴改性瀝青.試驗結(jié)果說明：當(dāng)路面溫度降低導(dǎo)致相同的收縮應(yīng)變時，高模量瀝青所承受的溫度應(yīng)力較高、應(yīng)力松弛能力較差.若以蠕變勁度和蠕變斜率進行評價，則高模量瀝青的低溫抗裂性能不及SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青.

圖3 瀝青蠕變勁度和蠕變斜率Fig.3 Creep stiffness and m value of asphalt binders

2.1.2連續(xù)低溫分級溫度

圖4為由蠕變勁度、蠕變斜率的低溫分級標準(S=300MPa，m=0.300)計算得到的瀝青連續(xù)低溫分級溫度.如圖4所示，由蠕變斜率計算得到的分級溫度較高，各類瀝青的連續(xù)低溫分級溫度由高到低依次為：高模量瀝青、SBS改性瀝青、基質(zhì)瀝青.3類高模量瀝青的低溫分級溫度差異不大，均在-17.0～-15.6℃ 之間.試驗結(jié)果與高模量瀝青在中國冬寒區(qū)(極端氣溫-37.0～-21.5℃)的工程實踐效果不相符[1,4-5]，因此，蠕變勁度和蠕變斜率這2項指標無法準確評價高模量瀝青的低溫抗裂性能.

2.2 單邊切口彎曲梁試驗結(jié)果分析

單邊切口彎曲梁試驗結(jié)果見圖5.

如圖5(a)，(b)所示，斷裂荷載Pf排序與斷裂韌度KIC排序一致，Baoli及PRM改性瀝青的斷裂荷載、斷裂韌度均高于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青，但Gilsonite巖瀝青改性瀝青、A-30硬質(zhì)瀝青的斷裂荷載低于SBS改性瀝青和基質(zhì)瀝青.Baoli，PRM改性瀝青的斷裂荷載為13.5%摻量的SBS改性瀝青的1.4，1.8倍.

圖4 瀝青連續(xù)低溫分級溫度Fig.4 Continuous low-temperature grading temperatures of asphalt binders

如圖5(c)所示，4種高模量瀝青的斷裂撓度Df均低于13.5%摻量的SBS改性瀝青.

由試驗結(jié)果可知，高模量瀝青的斷裂荷載和斷裂韌度較高，但斷裂撓度較低.單以斷裂荷載或斷裂韌度進行評價，將高估高模量瀝青的低溫抗裂性能.反之，單以斷裂撓度評價，將低估高模量瀝青的低溫抗裂性能.斷裂能Gf則綜合考慮了斷裂時的荷載大小和抗變形能力，可以比較全面地評價高模量瀝青材料的低溫抗裂性能.

圖5 單邊切口彎曲梁試驗結(jié)果Fig.5 SENB test results

如圖5(d)所示，以斷裂能進行評價，Baoli，PRM改性瀝青的低溫抗裂性能優(yōu)于4.0%摻量的SBS改性瀝青；Gilsonite巖瀝青改性瀝青、A-30硬質(zhì)瀝青的低溫抗裂性能不及4.0%摻量的SBS改性瀝青和A-70基質(zhì)瀝青.因此，斷裂能可較好地區(qū)分Baoli, PRM和Gilsonite巖瀝青這3種高模量瀝青低溫抗裂性能的差異.

2.3 低溫性能評價指標比較分析

圖6給出了蠕變勁度與其他評價指標的相關(guān)性.如圖6(a)，(b)所示，蠕變勁度S與斷裂韌度KIC,斷裂能Gf無顯著的相關(guān)性.如圖6(c)，(d)所示，蠕變勁度S與Pf/Df(斷裂荷載與斷裂撓度的比值)呈一定的正相關(guān)性，蠕變勁度S與斷裂撓度Df呈一定的負相關(guān)性.試驗結(jié)果說明：蠕變勁度與單邊切口小梁彎曲試驗中荷載-撓度曲線斜率的大小正相關(guān)，與斷裂能不顯著相關(guān).在斷裂韌度相近的情況下，蠕變勁度可作為瀝青低溫抗裂性能的間接評價指標.由于文中討論的3種高模量瀝青的斷裂韌度存在較大差異，因此采用蠕變勁度這一指標無法準確評價高模量瀝青的低溫抗裂性能.

圖6 低溫抗裂性能評價指標相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis between low temperature cracking resistance indicators

2.4 瀝青混合料小梁低溫彎曲試驗驗證

表3給出了5種Superpave -19.0型瀝青混合料的小梁低溫彎曲試驗結(jié)果.由表3可知，各種瀝青混合料的彎拉強度存在較大差異，對其低溫抗裂性能的影響不可忽略.因此，文中采用臨界彎曲應(yīng)變能來評價瀝青混合料的低溫抗裂性能，綜合考慮了彎拉應(yīng)變和彎拉強度對瀝青混合料低溫抗裂性能的影響，臨界彎曲應(yīng)變能較大的瀝青混合料具有較優(yōu)的低溫抗裂性能[11].

表3 瀝青混合料低溫彎曲試驗結(jié)果Table 3 Results of asphalt mixtures bending test

表3中，5種瀝青混合料的臨界彎曲應(yīng)變能由大到小排序為：PRM改性瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、A-70基質(zhì)瀝青混合料、Gilsonite巖瀝青改性瀝青混合料、A-30硬質(zhì)瀝青混合料.此低溫性能排序與以斷裂能表征的瀝青低溫抗裂性能排序一致，在一定程度上驗證了單邊切口彎曲梁試驗的斷裂能指標用于評價高模量瀝青低溫抗裂性能的可行性.

3 結(jié)論

(1)在斷裂韌度相近的情況下，蠕變勁度與斷裂撓度呈一定的負相關(guān)性，可作為瀝青低溫抗裂性能的間接評價指標.高模量改性瀝青的斷裂韌度存在較大差異，因此采用蠕變勁度無法準確評價其低溫抗裂性能.

(2)單邊切口彎曲梁試驗的斷裂能對于高模量瀝青的低溫抗裂性能有較好的區(qū)分度，以其確定的瀝青低溫抗裂性能排序與以臨界彎曲應(yīng)變能確定的瀝青混合料低溫抗裂性能排序一致，建議以單邊切口彎曲梁試驗的斷裂能作為高模量瀝青的低溫抗裂性能評價指標.

(3)在工程應(yīng)用的推薦摻量下，以斷裂能進行評價，外摻PRM(質(zhì)量分數(shù)為9.0%)和Baoli(質(zhì)量分數(shù)為9.0%)的高模量瀝青低溫抗裂性能優(yōu)于SBS改性瀝青(SBS外摻，質(zhì)量分數(shù)為4.0%)；Gilsonite巖瀝青改性瀝青(Gilsonite巖瀝青外摻，質(zhì)量分數(shù)為10.0%)、A-30硬質(zhì)瀝青的低溫抗裂性能不及A-70基質(zhì)瀝青.

(4)低溫抗裂性能是高模量瀝青在中國冬寒區(qū)(-37.0～ -21.5℃)應(yīng)用的重要影響因素之一，鑒于不同種類高模量瀝青的低溫抗裂性能存在顯著差異，建議通過瀝青試驗、瀝青混合料試驗對高模量瀝青材料的低溫抗裂性能進行綜合評價，以保證其應(yīng)用效果.

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