用彎曲系數評價天然巖瀝青改性瀝青混合料低溫性能

蔣 佳 宏

(湖南省高速百通建設投資有限公司，湖南 長沙 410005)

瀝青路面的低溫病害問題，在我國北方地區較為普遍的存在，這一問題將造成瀝青路面使用壽命和使用質量下降。道路工作者為了改善瀝青混合料低溫性能，進行了多方面的研究，從高分子材料到天然材料等各方面進行了嘗試，其中SBS改性瀝青在兼顧瀝青混合料高溫、水穩定和疲勞等性能的同時，也具有優異的低溫抗裂性，在當今道路工程中得到了大量的應用。但是SBS改性劑存在制備過程能耗高、不環保、存儲運輸不方便和價格高等缺點。天然巖瀝青在道路工程中也有大量應用，但是現階段對瀝青混合料低溫抗裂性的評價指標比較單一，特別是對天然巖瀝青改性瀝青混合料的低溫抗裂性評價，現有瀝青混合料低溫抗裂性評價方法主要是針對傳統的基質瀝青和高分子改性瀝青建立的，室內天然巖瀝青改性瀝青混合料抗裂性的評價結果與現場天然巖瀝青改性瀝青路面實際使用情況存在較大的出入，反映在我國北方地區天然巖瀝青改性瀝青路面低溫抗裂性要好于室內試驗測試的結果。對于瀝青混合料低溫抗裂性的評價，常見的有彎拉強度法、彎拉破壞應變法、勁度模量法和應變能密度函數法[1-3]。

本文通過對上述方法的綜合和分析，提出了采用彎曲系數指標來評價天然巖瀝青改性瀝青混合料低溫抗裂性的合理性與可行性。

1 瀝青路面低溫破壞機理

瀝青混合料的低溫性能主要由材料的變形能力、極限抗拉強度和溫度線收縮系數等因素決定。引起瀝青混合料低溫破壞的機制是：溫度急劇下降造成的橫向裂縫、溫度疲勞裂縫、反射裂縫、凍縮裂縫等破壞形式。

目前業界認為瀝青混合料有三種破壞形式，如圖1所示，即曲線A的脆性破壞，曲線C的柔性破壞，介于曲線A,C之間的曲線B轉變區域破壞。溫度是引起曲線B型破壞的主要因素，B型破壞是一種介于柔性破壞與脆性破壞之間的破壞形式[4]。

其中，σij為應力分量;εij為應變分量;Su為彎曲系數;dw/dv為彎曲耗散能密度函數，kJ/m3；RB為試件破壞時的抗彎拉強度,MPa;εB為試件破壞時的最大彎拉應變,με。

2 原材料性能

2.1 瀝青

研究用瀝青為A級70號瀝青，SBS改性瀝青，試驗采用的天然巖瀝青為印尼布敦巖瀝青。其技術指標均符合相關規范。

2.2 集料

本實驗采用的集料為石灰巖及石灰巖礦粉，依據相關規范標準進行了相關試驗，礦料篩分結果見表1。

表1 礦料篩分結果

2.3 級配類型

采用馬歇爾試驗方法，分別確定AC-16C基質瀝青混合料、AC-16布敦巖瀝青改性瀝青混合料、AC-16C SBS改性瀝青混合料的最佳瀝青用量，其結果分別見表2～表4。

表2 AC-16C基質瀝青混合料4.4%最佳瀝青用量設計結果

表3 AC-16C巖瀝青改性瀝青混合料4.4%最佳瀝青用量設計結果

表4 AC-16C SBS改性瀝青混合料5.2%最佳瀝青用量設計結果

3 試驗結果及分析

3.1 試驗方法

目前國內主要采用低溫彎曲梁破壞試驗評價混合料低溫抗裂性能[6]，本試驗運用此方法對三種瀝青混合料的低溫抗裂性進行評價，試件采用輪碾成型并切割成為250 mm×30 mm×35 mm梁體，在-10 ℃、加載頻率為50 mm/min條件下利用萬能試驗機(MTS)進行三種瀝青混合料低溫抗裂性能試驗。

3.2 不同瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

通過對上文中三種瀝青混合料進行低溫彎曲試驗，得到結果如表5所示。

表5 -10 ℃彎曲試驗結果

由表5可知，從RB,εB,SB和dw/dv分別對三種瀝青混合料進行低溫性能評價時出現了互相矛盾的結論。主要是由于RB,εB是瀝青路面結構的技術參數，但是在評價瀝青混合料低溫性能時僅采用這兩個參數，不能真實地表征瀝青混合料低溫性能和低溫破壞形式；傳統的評價參數主要是對基質瀝青混合料和高分子改性瀝青混合料；對天然巖瀝青改性瀝青混合料低溫性能的評價，尚未有一致認可的方法。于是有學者引入了彎曲應變能密度函數值這一綜合指標進行瀝青混合料低溫性能的評價，它較為合理地表征了瀝青混合料的低溫性能，但它不能反映瀝青混合料的破壞形式，也不能反映材料在路面實際應用的效果，因此引入Su這一指標，它綜合考慮了dw/dv,RB和εB三個指標，更加綜合科學的表征了瀝青混合料的低溫性能，也更加直觀地反映布敦巖瀝青改性瀝青混合料在低溫時的破壞形式。

從彎曲系數可以看出三種瀝青混合料彎曲系數變化規律為：AC-16C SBS改性瀝青混合料>AC-16C布敦巖瀝青改性瀝青混合料>AC-16C基質瀝青混合料，由此可知，布敦巖瀝青提升了瀝青混合料低溫破壞時的能量耗費，使瀝青混合料的低溫開裂破壞變得“困難”，進而提高了瀝青混合料的低溫抗裂性能。

4 結語

1)目前，評價瀝青混合料低溫性能的眾多，但大都是適用于傳統的基質瀝青和高分子改性瀝青，對于天然巖瀝青改性瀝青低溫性能的評價是否合適，仍存在爭議，本研究引入彎曲系數Su，綜合考慮了應變能密度函數值dw/dv、抗彎拉強度RB和最大彎拉應變εB三個參數之間的關系和彎曲破壞曲線的特性，既可更加科學直觀的判斷天然巖瀝青改性瀝青混合料的低溫性能，又可判斷其低溫破壞的曲線形式。

2)從彎曲系數方面分析，三種瀝青混合料低溫性能規律為AC-16C SBS改性瀝青混合料>AC-16C布敦巖瀝青改性瀝青混合料>AC-16C基質瀝青混合料，因此天然巖瀝青可以改善瀝青混合料的低溫抗裂性能。