延慶崇禮高速公路瀝青混合料低溫性能試驗研究

熊 祝， 曹東偉， 劉 玉*

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，西安 710061；2.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

延慶崇禮高速公路是冬奧會工程，地處冬嚴寒區(qū)，為極端低溫氣候，其沿線各城區(qū)年平均最低氣溫達-24 ℃，冬季平均氣溫達-12 ℃,且10月中下旬至次年4月初多雪,全年積雪1.5 m左右,存雪期150多天，即其沿線各城區(qū)長達5個多月都處于冬季低溫狀態(tài)，夏季高溫時段相對較短，低溫對其影響極大，故對瀝青混合料低溫抗裂性能提出了很高要求。而已知瀝青瑪蹄脂碎石-13(stone mastic asphalt-13，SMA-13)、連續(xù)級配瀝青混合料-13(superpave-13，SUP-13)以及密級配瀝青混合料-13(asphalt concrete-13，AC-13)在中國各地被廣泛應(yīng)用，究竟哪種混合料適用于延慶崇禮高速公路卻不得而知。中外很多學(xué)者就瀝青混合料的低溫性能相關(guān)的問題展開了研究。Monismith等[1]在1964年首次通過試驗手段對不同溫度條件下的瀝青混合料抗拉蠕變、低溫收縮系數(shù)以及低溫收縮應(yīng)力等展開全面系統(tǒng)的試驗研究。此后很多學(xué)者展開瀝青混合料的低溫性能的研究，包括評價指標(biāo)[2-4]、試驗方法[5-7]等。冉武平等[8]通過瀝青混合料劈裂試驗、彎曲試驗、蠕變試驗等對瀝青混合料的低溫性能及性能評價指標(biāo)進行研究，為瀝青混合料道面設(shè)計提供理論依據(jù)。

通過室內(nèi)試驗，研究用于瀝青路面面層的3種瀝青混合料的低溫性能和確定其低溫性能評價指標(biāo)，找出適用于延慶崇禮高速公路、低溫性能優(yōu)越的瀝青混合料，并分析不同瀝青對此瀝青混合料的影響。

1 原材料性能

1.1 原材料組成

1.1.1 集料

3種瀝青混合料粗集料均選用同一料源的玄武巖，細集料均選用同一料源的石灰?guī)r。粗集料為玄武巖碎石，即1#(13.2～16 mm)、2#(9.5～13.2 mm)、3#(4.75～9.5 mm)；細集料為石灰?guī)r，即4#(2.36～4.75 mm) 、5#(0～2.36 mm)。按照規(guī)范[9]對準備好的集料進行性能和質(zhì)量的檢測，材料質(zhì)量均符合要求。各種規(guī)格集料密度及技術(shù)性質(zhì)結(jié)果見表1～表2所示。

1.1.2 礦粉

礦粉是3種瀝青混合料中的重要組成部分，尤其以SMA瀝青混合料用量較多。本文選用的礦粉為石灰?guī)r礦粉，試驗結(jié)果如表3所示。

表1 粗集料技術(shù)指標(biāo)

表2 細集料技術(shù)指標(biāo)

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 瀝青

3種瀝青混合料均選用苯乙烯-丁二烯共聚物(styrene-butadiene-styrene，SBS)改性瀝青，對瀝青按規(guī)范[9]要求進行了規(guī)定項目的試驗檢測。檢測結(jié)果表明，SBS改性瀝青所檢項目均符合SBS類I-D級改性瀝青技術(shù)要求，試驗檢測結(jié)果如表4所示。

找出延慶崇禮高速公路低溫性能優(yōu)越的瀝青混合料后，替換用環(huán)氧瀝青為HLJ-2910型，該型號環(huán)氧瀝青包含A、B雙組成分，其中，A組為環(huán)氧樹脂，B組為基質(zhì)瀝青與固化劑的混合物。環(huán)氧瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

表4 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表5 環(huán)氧瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 混合料級配組成

通過3種混合料配合比設(shè)計，分別選出3種混合料級配，結(jié)果如表6和圖1所示。

表6 兩種混合料級配組成

圖1 3種混合料級配曲線Fig.1 Three blending grade matching curves

從圖1可以看出，SUP-13、AC-13與SMA-13相比，其顯著特點就是混合料中粗集料含量不如SMA-13多。

2 溫度設(shè)定

調(diào)查統(tǒng)計延慶崇禮高速公路沿線各城區(qū)2011—2018年的年最低氣溫，其中張北不經(jīng)過但離得近，氣溫如表7和圖2所示，最低氣溫平均值達-24 ℃。

表7 各地平均最低氣溫

圖2 各地平均最低氣溫變化Fig.2 Average minimum temperature changes

由圖2可知，從懷來到崇禮每年最低氣溫呈現(xiàn)降低趨勢，而崇禮到張北有多年變化不大，且延慶崇禮高速公路不經(jīng)過張北，因此確定以崇禮地區(qū)的最低氣溫平均值(-27 ℃)為低溫試驗最低溫度。

3 3種瀝青混合料低溫性能分析

確定低溫試驗最低溫度為-27 ℃，以10 ℃為一個溫度梯度，分別進行低溫劈裂試驗以及低溫彎曲試驗，研究不同溫度下試件的劈裂強度和彎拉強度；另外，以-27 ℃和-17 ℃為試驗溫度，進行低溫蠕變試驗，研究不同溫度下試件的蠕變速率。

3.1 瀝青混合料低溫劈裂試驗

劈裂試驗為間接拉伸試驗，可間接反映瀝青混合料的抗拉性能，常用來評價瀝青混合料低溫抗裂性能。采用馬歇爾擊實儀成型直徑為101.6 mm的試件，通過環(huán)境保溫箱預(yù)設(shè)試驗溫度保養(yǎng)不低于5 h，確保試件內(nèi)外溫度一致。試驗在UTM100上進行，加載速率為1 mm/min，加載模具壓條寬度為12.7 mm，分別測得不同溫度條件下[(補-30 ℃)-27、-17、-7、0、7、17(補20 ℃)]試件的劈裂抗拉強度，補的兩個溫度是為凸顯變化趨勢，3種瀝青混合料試件劈裂強度和溫度的關(guān)系如表8、圖3所示。

表8 3種混合料不同溫度下劈裂強度

圖3 不同溫度下劈裂強度Fig.3 Split intensity at different temperatures

通過圖3可知，當(dāng)溫度從20 ℃降低到0 ℃時，SUP-13及AC-13瀝青混合料劈裂強度大于SMA-13瀝青混合料的劈裂強度，但當(dāng)溫度繼續(xù)降低到大約-5 ℃時，3種瀝青混合料劈裂強度基本相當(dāng)，此后隨著溫度的降低，SMA-13瀝青混合料劈裂強度大于SUP-13及AC-13瀝青混合料劈裂強度，且三者破壞變形相當(dāng)，但到了一定低溫，大約-26 ℃左右，SUP-13劈裂強度增加到大于SMA-13劈裂強度，而AC-13劈裂強度仍舊小于SMA-13劈裂強度。

然而當(dāng)溫度低于-26 ℃時，SUP-13及SMA-13瀝青混合料破壞形態(tài)如圖4、圖5所示，可知，SUP-13瀝青混合料發(fā)生了脆性破壞，幾乎沒有變形，但SMA-13瀝青混合料沒有劈開，變形大概為1.33 mm，遠大于SUP-13瀝青混合料的變形，故雖SUP-13劈裂強度更大，但變形太小，所以綜合來看，當(dāng)溫度低于-26 ℃時，SMA-13瀝青混合料低溫性能優(yōu)于SUP-13。以上分析說明：以-5 ℃左右為分界點，當(dāng)溫度高于-5 ℃時,AC-13瀝青混合料劈裂強度最大，低溫性能更好；當(dāng)溫度低于-5 ℃時，SMA-13瀝青混合料劈裂強度最大，低溫性能更好。

圖4 SUP-13破壞形態(tài)Fig.4 SUP-13 destruction patterns

圖5 SMA-13破壞形態(tài)Fig.5 SMA-13 destruction patterns

因此，對于常年冬季平均最低溫度低于-5 ℃的地區(qū)，宜選用SMA-13瀝青混合料作為瀝青路面面層；而延慶崇禮高速公路常年冬季平均最低溫度達-24 ℃，故推薦采用SMA-13瀝青混合料作為面層。

3.2 瀝青混合料低溫彎曲試驗

瀝青混合料的彎曲試驗可評價瀝青混合料彎曲性能和變形適應(yīng)能力，根據(jù)規(guī)范成型車轍板試件，試件尺寸及加載模式參照文獻[10]的試驗方法，切割小梁尺寸為250 mm×30 mm×35 mm,，試驗儀器為UTM100，加載速率為50 mm/min，對瀝青混合料小梁試件跨中施加集中荷載至斷裂破壞，分別測得不同溫度條件下(-27、-17、-7、7、17、27 ℃)試件的彎曲抗拉強度，3種瀝青混合料試件彎拉強度和溫度的關(guān)系如表9、圖6所示。

通過圖6可知，當(dāng)溫度從27 ℃降低到17 ℃時，SUP-13及AC-13瀝青混合料彎拉強度大于SMA-13瀝青混合料的彎拉強度，但差距不是很大，當(dāng)溫度繼續(xù)降低到15 ℃左右時，3種瀝青混合料彎拉強度基本相當(dāng)，此后隨著溫度的降低，SMA-13瀝青混合料彎拉強度一直大于SUP-13及AC-13瀝青混合料彎拉強度，且就SUP-13瀝青混合料來說，溫度從-17 ℃降低到-27 ℃時，彎拉強度基本穩(wěn)定，而AC-13瀝青混合料彎拉強度保持增長但一直低于SUP-13瀝青混合料。以上分析說明：以15 ℃左右為分界點，當(dāng)溫度高于15 ℃時,AC-13瀝青混合料彎拉強度最大，低溫性能最好；當(dāng)溫度低于15 ℃時，SMA-13瀝青混合料彎拉強度最大，低溫性能更好。

表9 3種混合料不同溫度下彎拉強度

圖6 不同溫度下彎拉強度Fig.6 Results of bending strength at different temperatures

因此，對于常年冬季平均溫度高于15 ℃的地區(qū)，宜選用AC-13瀝青混合料作為瀝青路面面層；而對于常年冬季平均溫度低于15 ℃的地區(qū)，宜選用SMA-13瀝青混合料作為瀝青路面面層，而延慶崇禮高速公路常年冬季平均最低溫度達-24 ℃，平均溫度也低于15 ℃。一方面SMA-13瀝青混合料彎拉強度比SUP-13及AC-13瀝青混合料大，另一方面SUP-13瀝青混合料在溫度降低到-27 ℃時彎拉強度基本穩(wěn)定，發(fā)展性不好，故推薦采用SMA-13瀝青混合料作為延慶崇禮高速公路瀝青路面面層。

3.3 瀝青混合料低溫蠕變試驗

低溫蠕變試驗可評價瀝青混合料在低溫條件下的變形能力和松弛能力，成型車轍板試件，試件尺寸及加載模式參照文獻[10]的試驗方法，試驗溫度為低溫-17 ℃、-27 ℃，蠕變時間為10 000 min，試驗儀器為UTM100，3種瀝青混合料蠕變曲線如圖7～圖9所示。

圖7 SMA-13瀝青混合料低溫蠕變曲線Fig.7 SMA-13 asphalt blend low temperature creep curve

圖8 SUP-13瀝青混合料低溫蠕變曲線Fig.8 SUP-13 asphalt blend low temperature creep curve

圖9 PAC-13瀝青混合料低溫蠕變曲線Fig.9 PAC-13 asphalt blend low temperature creep curve

典型的低溫蠕變曲線分3個階段：第1階段為蠕變遷移，第2階段為蠕變穩(wěn)定，第3階段為蠕變破壞。通常以第2階段的蠕變速率評價瀝青混合料在低溫條件下的變形能力，蠕變速率為

(1)

式(1)中：t1、t2分別為蠕變穩(wěn)定期的起始和終止時間，s；ε1、ε2分別為t1和t2時間點對應(yīng)的梁底彎拉應(yīng)變；σ0為小梁試件跨中梁底的彎拉應(yīng)力，MPa。

由圖7可知，小梁持續(xù)進行10 000 min的低溫蠕變試驗，蠕變遷移階段兩種溫度條件下SMA-13瀝青混合料彎拉應(yīng)變都由快速增長到較慢增長，當(dāng)4 000 min后進入穩(wěn)定增長階段，且-17 ℃下增長緩慢，-27 ℃下增長相對較快。小梁沒有出現(xiàn)蠕變破壞，僅出現(xiàn)蠕變遷移和蠕變穩(wěn)定階段。由式(1)可得，-17、-27 ℃的蠕變速率分別為4.35×10-5、1.33×10-4s·MPa，表明在低溫時，SMA-13瀝青混合料隨著溫度的降低，蠕變速率增大；由圖8可知，小梁也持續(xù)進行10 000 min的低溫蠕變試驗，其中4 000 min后進入穩(wěn)定增長階段，且增長緩慢，小梁沒有出現(xiàn)蠕變破壞，僅出現(xiàn)蠕變遷移和蠕變穩(wěn)定階段。由式(1)可得，-17、-27 ℃的蠕變速率分別為2.72×10-4、1.89×10-4s·MPa，表明盡管在低溫時，SUP-13瀝青混合料隨著溫度的增高，蠕變速率有所增大；由圖9可知，小梁變化基本同圖8，小梁也沒有出現(xiàn)蠕變破壞，僅出現(xiàn)蠕變遷移和蠕變穩(wěn)定階段。由以式(1)可得，-17、-27 ℃的蠕變速率分別為2.52×10-4、1.79×10-4s·MPa。可得3種瀝青混合料蠕變速率如圖10所示。

圖10 不同溫度下蠕變速率結(jié)果Fig.10 Creep rate results at different temperatures

由圖10可知，在-27 ℃時SUP-13及AC-13瀝青混合料蠕變速率雖然大于SMA-13瀝青混合料的蠕變速率，但它們?nèi)渥兯俾试?17 ℃時更大，說明SUP-13及AC-13瀝青混合料溫度越低，蠕變速率反而降低，而SMA-13瀝青混合料隨著溫度的降低，蠕變速率增加。延慶崇禮高速公路冬季年平均最低溫度達-24 ℃，若隨著溫度降低蠕變速率減小，變形能力變差勢必影響瀝青路面強度，故推薦采用SMA-13瀝青混合料。

但是，由蠕變曲線可知，在低溫條件下3種瀝青混合料應(yīng)力松弛能力較差，易發(fā)生脆性破壞。由于小梁沒有出現(xiàn)蠕變破壞，蠕變穩(wěn)定期一直沒有結(jié)束，蠕變速率指標(biāo)不能直觀反應(yīng)和表達瀝青混合料的低溫抗裂能力。因此，采用低溫蠕變速率指標(biāo)不能準確地評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。

3.4 瀝青混合料低溫性能評價指標(biāo)

通過上述分析可知，劈裂強度和彎拉強度評價3種瀝青混合料的低溫性能得到的結(jié)論雖不完全一致，但是有相同的地方，即溫度低于-5 ℃時， SMA-13劈裂強度和彎拉強度都大于SUP-13及PAC-13；溫度高于15 ℃時，AC-13劈裂強度和彎拉強度都大于SMA-13及SUP-13。這說明兩種指標(biāo)在一定條件下均能表征瀝青混合料的低溫性能，即比較SMA-13、SUP-13、AC-13這3種瀝青混合料，當(dāng)溫度低于-5 ℃，SMA-13瀝青混合料低溫性能最好，溫度高于15 ℃，AC-13瀝青混合料低溫性能最好。而低溫蠕變速率雖然可以表征瀝青混合料在低溫條件下的塑性特性以及應(yīng)力松弛能力，但沒有界定的蠕變速率閾值判定3種瀝青混合料是否會發(fā)生低溫破壞，因而采用蠕變試驗的蠕變速率不能反映瀝青混合料的實際低溫性能。

綜上所述，建議低溫劈裂強度和彎拉強度綜合分析，以此評價3種瀝青混合料的低溫抗裂性能。

4 SMA-13瀝青混合料不同瀝青下低溫性能變化

SMA-13瀝青混合料作為低溫性能最好的瀝青混合料被選出，而環(huán)氧瀝青作為性能優(yōu)越的瀝青被廣泛應(yīng)用。為了驗證其混合料低溫性能好壞，用環(huán)氧瀝青替換SBS改性瀝青，以上述選出的劈裂強度和彎拉強度為指標(biāo)綜合分析，研究SMA-13瀝青混合料在不同瀝青下低溫性能變化。

SMA-13瀝青混合料在不同瀝青條件下，試件劈裂強度、彎拉強度和溫度的關(guān)系如圖11、圖12所示。

圖11 不同瀝青下劈裂強度結(jié)果Fig.11 Results of split strength under different asphalt

圖12 不同瀝青下彎拉強度結(jié)果Fig.12 Results of different asphalt bending strength

由圖11可知，SMA-13環(huán)氧瀝青混合料劈裂強度遠大于SMA-13 SBS改性瀝青混合料劈裂強度。在延慶崇禮高速公路年平均最低溫度為-27 ℃條件下，SMA-13環(huán)氧瀝青混合料劈裂強度大約比SMA-13 SBS改性瀝青混合料大3.4倍；同樣由圖12可知，在-27 ℃條件下，SMA-13環(huán)氧瀝青混合料彎拉強度大約比SMA-13 SBS改性瀝青混合料大2倍。

以上結(jié)果說明，環(huán)氧瀝青混合料低溫性能優(yōu)越，但眾所周知環(huán)氧瀝青價格昂貴，如果在經(jīng)濟條件允許情況下，延慶崇禮高速公路瀝青路面面層宜選擇SMA-13環(huán)氧瀝青混合料。

5 結(jié)論

(1)溫度低于-5 ℃時，SMA-13瀝青混合料不論是劈裂強度還是彎拉強度都最大，低溫性能優(yōu)于SUP-13及AC-13瀝青混合料；溫度高于15 ℃時，AC-13瀝青混合料不論是劈裂強度還是彎拉強度也都最大，低溫性能優(yōu)于SMA-13及SUP-13瀝青混合料，可得SMA-13瀝青混合料更耐零下低溫。

(2)延慶崇禮高速公路路面面層在抵抗低溫影響方面宜采用SMA-13瀝青混合料，如果在經(jīng)濟條件允許情況下，最好選擇SMA-13環(huán)氧瀝青混合料。

(3)對于常年冬季平均最低溫度低于-5 ℃的地區(qū)，宜選用SMA-13瀝青混合料作為瀝青路面面層；而對于常年冬季平均溫度高于15 ℃的地區(qū)，宜選用AC-13瀝青混合料作為瀝青路面面層。

(4)建議低溫劈裂強度和彎拉強度綜合分析，以此評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。