瀝青混合料低溫性能影響因素研究

王善興

(中國鐵建十八局集團，河北 涿州 072750)

目前，針對瀝青路面低溫開裂問題，部分學者針對瀝青混合料低溫路用性能進行了一定研究.崔亞楠[1]、劉沅[2]等研究發現膠粉改性瀝青混合料低溫抗裂性能良好，適合北方地區道路.王如先[3]研究發現天然瀝青改性90#基質瀝青及混合料低溫性能滿足設計要求.樂金朝[4]等研究發現Sasobit改性劑可明顯改善瀝青混合料低溫性能，Sasobit改性劑最佳摻量為3.0%.張洋[5]等研究表明橡膠改性瀝青混合料低溫路用性能優于SBS改性混合料.楊國明[6]等研究了不同型號SBS改性劑的改性瀝青低溫性能，發現線型SBS提升瀝青低溫性能顯著.龍新躍[7]等研究表明采用環氧樹脂∶固化劑為3:1、環氧體系∶基質瀝青為45∶55制備的環氧瀝青混合料低溫路用性能最佳.傅珍[8]等研究表明增塑劑明顯提升瀝青混合料低溫柔韌性.以上研究主要對單一瀝青混合料進行低溫性能研究，而不同瀝青之間組分存在部分差異，且礦料級配對瀝青混合料低溫性能產生較大影響.同時，瀝青混合料多采用小梁彎曲試驗和凍融試驗評價其低溫性能，對于約束試件溫度應力試驗研究較少.另外，5℃延度與脆點評價瀝青低溫性能具有一定局限性[9-10]，而彎曲梁流變試驗能更好反應低溫環境下瀝青路面低溫性能變化.對此，基于現有瀝青及其混合料低溫性能研究成果，筆者采用彎曲梁流變試驗、約束試件溫度應力試驗和小梁彎曲試驗系統研究了瀝青和級配類型對瀝青混合料低溫性能影響規律，并對瀝青和瀝青混合料低溫性能關聯性進行了分析.

1 原材料與研究方案

1.1 原材料

基質瀝青選用茂名70#、90#基質瀝青，改性瀝青選用SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青，技術性質見表1和表2.粗集料選用玄武巖，細集料選用機制砂，集料技術性質見表3和表4.填料選用石灰巖礦粉，技術性質見表5.纖維選用玄武巖纖維，摻量為0.3%，技術性質見表6.

表1 基質瀝青技術性質

表2 改性瀝青技術性質

表3 粗集料技術性質

表4 細集料技術性質

表5 礦粉技術性質

表6 玄武巖纖維技術指標

1.2 混合料配合比設計

分別設計AC-13和SMA-13兩種混合料級配，見表7.采用馬歇爾試驗方法確定混合料最佳瀝青用量，見表8.

表7 瀝青混合料試驗級配

表8 瀝青混合料最佳瀝青用量

1.3 研究方案

結合當前瀝青路面常用瀝青和混合料級配，研究瀝青和級配對瀝青混合料低溫抗裂性能影響規律.

(1)瀝青低溫性能

基于彎曲梁流變試驗評價70#基質瀝青、90#基質瀝青、SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青低溫性能.試驗儀器采用彎曲梁流變試驗機，試驗溫度擬-5℃、-8℃、-10℃、-13℃、-15℃和-18℃.試件尺寸為127mm×6.35mm×12.7mm，試驗前將試件放入已設置試驗溫度的恒溫浴中，恒溫保持60±5min.每組試驗采用兩個平行試件.

(2)瀝青混合料低溫性能

根據瀝青路面在低溫環境下受力狀態及破壞情況，選用約束試件溫度應力試驗、小梁彎曲試驗分析瀝青和混合料級配對瀝青混合料低溫抗裂性能影響規律.約束試件溫度應力試驗采用APTTS材料試驗機，擬試驗初始溫度為20℃，降溫速率為10℃/h，試件尺寸為50mm×50mm×30mm；當試驗過程中試件斷裂，結束試驗.小梁彎曲試驗采用萬能試驗機UTM-100，擬試驗溫度為-10℃、-20℃，加載速率為50mm/min，試件尺寸為250mm×30mm×35mm.

圖1 彎曲梁流變試驗機

圖2 APTTS材料試驗機

2 試驗結果與分析

2.1 瀝青低溫性能

四種瀝青彎曲梁流變試驗結果見圖3和圖4.圖中勁度模量和蠕變速率均為60s時的試驗結果.

圖3 不同溫度下的勁度模量

圖4 不同溫度下的蠕變速率

由圖3和圖4可知：

(1)隨試驗溫度降低，四種瀝青勁度模量變化趨勢相近，勁度模量與試驗溫度呈反相關，試驗溫度越低，瀝青勁度模量越大.且任一試驗溫度下，四種瀝青勁度模量均能滿足SHRP規范中勁度模量s≤300MPa的要求.同一試驗溫度下，橡膠改性瀝青勁度模量最小，SBS改性瀝青次之，而70#基質瀝青勁度模量最大且已發生低溫開裂，說明改性瀝青低溫性能良好.

(2)四種瀝青蠕變速率與試驗溫度變化關系基本一致，蠕變速率與試驗溫度呈正相關，試驗溫度越低，瀝青蠕變速率越小.且SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青蠕變速率滿足SHRP規范中蠕變速率m≥0.3的要求，而基質瀝青在-18℃時的蠕變速率不滿足要求.同一試驗溫度下，SBS改性瀝青蠕變速率最小，橡膠改性瀝青次之，而90#基質瀝青蠕變速率最大，說明改性瀝青具有良好的低溫抗裂性能，抗松弛能力強.

(3)根據SHRP規范，可確定基質瀝青與改性瀝青低溫等級分別為-22℃和-28℃.

2.2 瀝青混合料低溫性能

2.2.1 約束試件溫度應力試驗

不同瀝青混合料約束試件溫度應力試驗結果見下表9.

由上表9可知：

(1)相同試驗條件下，瀝青混合料AC-13、SMA-13低溫斷裂溫度范圍分別為-31℃～-26℃、-34℃～-27℃，且瀝青混合料SMA-13凍斷溫度均低于混合料AC-13凍斷溫度，混合料SMA-13凍斷應力均大于AC-13凍斷應力，說明級配SMA-13更有利于保證瀝青混合料低溫性能，而不同級配類型對瀝青混合料凍斷溫度和應力影響存在差異，其中級配類型對SBS改性瀝青混合料影響顯著，相比于混合料AC-13，混合料SMA-13，凍斷溫度降低了9.1%、凍斷應力提高了9.1%；級配類型分別為AC-13、SMA-13時，70#基質瀝青混合料凍斷溫度與應力均最低，且兩者凍斷溫度與應力基本無變化.

(2)與相同級配類型的瀝青混合料相比，改性瀝青混合料低溫性能更優，SBS改性瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度分別比70#基質瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度降低了3.9℃、6.5℃，其凍斷應力比70#基質瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷應力分別提高了11.1%和10.8%.

表9 瀝青混合料約束試件溫度應力試驗結果

2.2.2 小梁彎曲試驗

不同瀝青混合料小梁彎曲試驗見表10和表11.

表10 瀝青混合料小梁彎曲試驗結果(-10℃)

表11 瀝青混合料小梁彎曲試驗結果(-20℃)

由表10和表11可知：

(1)相同級配類型和試驗溫度下，改性瀝青混合料彎拉強度與彎拉應變均大于基質瀝青混合料，其中SBS改性瀝青混合料彎拉應變最大，70#基質瀝青混合料彎拉應變最小，說明改性瀝青混合料低溫抗裂性較優.另外，SBS改性瀝青混合料AC-13、SMA-13彎拉強度和彎拉應變至少分別提高8.4%和9.6%.

(2)試驗溫度為-10℃時，基質(改性)瀝青混合料滿足高等級瀝青路面低溫性能要求，而試驗溫度變為-20℃后，70#基質瀝青混合料AC-13不滿足瀝青路面低溫性能要求，且同類型瀝青混合料彎拉強度和彎拉應變至少分別降低7.9%、18.2%.這是因為溫度降低，瀝青抗變形能力降低，導致瀝青混合料脆性增加、低溫性能降低.

2.3 瀝青關聯度分析

灰色關聯度分析法(Grey Relational Analysis)是灰色系統分析方法的一種.是根據因素之間發展趨勢的相似或相異程度，亦即“灰色關聯度”，作為衡量因素間關聯程度的一種方法，灰色系統理論提出了對各子系統進行灰色關聯度分析的概念，意圖透過一定的方法，去尋求系統中各子系統(或因素)之間的數值關系.因此，可基于灰色關聯度理論，以瀝青混合料凍斷溫度為參考數列，對不同試驗溫度下的瀝青蠕變速率及瀝青混合料小梁彎曲試驗結果與瀝青混合料凍斷溫度進行灰關聯分析，關聯度見表12和表13.

表12 瀝青與瀝青混合料AC-13試驗結果

表13 瀝青與瀝青混合料SMA-13試驗結果

由表12～表13可知，各類瀝青混合料彎拉強度與凍斷溫度關聯性最好，關聯度均在0.85以上；其次為-10℃下的蠕變速率，關聯度均在0.75以上，這說明采用-10℃下的蠕變速率可以很好地表征瀝青混合料的低溫性能，建議采用-10℃下的蠕變速率表征瀝青混合料低溫路用性能.另外，相同試驗溫度下的瀝青蠕變速率與瀝青混合料AC-13凍斷溫度的關聯度均大于瀝青蠕變速率與瀝青混合料SMA-13凍斷溫度的關聯度，說明瀝青蠕變速率能更好地表征瀝青混合料AC-13低溫性能.

3 結論

通過對基質瀝青和改性瀝青及其混合料AC-13、SMA-13的低溫性能進行室內試驗，得到以下結論：

(1)基質瀝青和改性瀝青的勁度模量與溫度呈負相關、蠕變速率與試驗溫度呈正相關，且任一試驗溫度下，SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青的勁度模量、蠕變速率均滿足SHRP規范要求.同一試驗溫度下，橡膠改性瀝青勁度模量最小，SBS改性瀝青蠕變速率最小.另外，根據SHRP規范確定基質瀝青與改性瀝青低溫等級分別為-22℃和-28℃.

(2)同一試驗條件下，瀝青和級配類型對瀝青混合料影響存在差異.相比于混合料AC-13，混合料SMA-13凍斷溫度降低了9.1%、凍斷應力提高了9.1%，70#基質瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度與應力基本無變化；SBS改性瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度分別比70#基質瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度降低了3.9℃、6.5℃，且凍斷應力分別提高了11.1%和10.8%；同類型瀝青混合料SMA-13比AC-13彎拉強度和彎拉應變至少分別提高8.4%和9.6%；試驗溫度從-10℃降至-20℃，同類型瀝青混合料彎拉強度和彎拉應變至少分別降低7.9%、18.2%.

(3)各類瀝青混合料彎拉強度與凍斷溫度關聯性最好，-10℃下的蠕變速率與瀝青混合料凍斷溫度關聯度均在0.75以上，且相同試驗溫度下的瀝青蠕變速率與瀝青混合料AC-13凍斷溫度的關聯度均大于瀝青蠕變速率與瀝青混合料SMA-13凍斷溫度的關聯度.建議采用-10℃下的蠕變速率表征瀝青混合料低溫路用性能.