基于BBR試驗的無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料低溫性能分析

陳 剛

(四川成渝高速公路股份有限公司成仁分公司，四川 成都 610041)

0 前 言

無縫伸縮縫由于其良好的整體性和耐久性，近年來在中小型跨度的橋梁中得到越來越多的應(yīng)用。實際使用中發(fā)現(xiàn)，相較于其他類型的伸縮縫，無縫伸縮縫壽命較低，低溫開裂是造成問題的主要原因之一[1]。伸縮縫低溫開裂是由于伸縮縫材料在溫度驟降時，溫度收縮應(yīng)力來不及松弛而被累積，如果超過材料的抗拉強度就會出現(xiàn)開裂。無縫伸縮縫材料由于瀝青含量較高，混合料低溫性能與膠結(jié)料性能直接相關(guān)。改善無縫伸縮縫低溫開裂問題，關(guān)鍵是要采用低溫抗裂性能好的無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料。

目前國內(nèi)規(guī)范以及實際工程運用中評價瀝青低溫性能的主要指標是延度指標[2-3]，然而無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料屬于高粘彈瀝青，瀝青顆粒相對過大、流動性差、不易制模，在低溫延度試驗的拉伸過程中樣品瀝青易出現(xiàn)過早斷裂，導致無法準確測得低溫抗開裂性能指標。現(xiàn)有工程實踐表明彈塑體膠結(jié)料在達到現(xiàn)有瀝青低溫評價指標的情況下，仍不能滿足伸縮縫對彈塑體膠結(jié)料的路用需求[4]。為減少路用病害，改善無縫伸縮縫開裂狀況，需要研究探討更全面可靠的膠結(jié)料低溫技術(shù)指標。

目前國內(nèi)外評價改性瀝青低溫性能指標中，比較多的采用與瀝青混合料的路用性能更接近的BBR試驗評價方法[5-6]。BBR試驗主要用于測試瀝青的蠕變性能，而瀝青低溫開裂主要是由于材料應(yīng)力松弛能力不足，溫度應(yīng)力超過了材料允許值[7]。

由于應(yīng)力松弛試驗需要瞬時給試件施加有限的應(yīng)變，試驗要求較高，而且無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料是一種高粘彈瀝青，在低溫下較硬，應(yīng)力松弛試驗的變形小，松弛時間較長，導致應(yīng)力松弛試驗更困難[8]。考慮到蠕變與松弛是粘彈材料的兩種基本力學現(xiàn)象，通過蠕變?nèi)崃颗c松弛彈性模量之間的關(guān)系轉(zhuǎn)化，可獲得試驗材料的松弛性能。松弛彈性模量主曲線特性可以用于評價瀝青的低溫性能，為工程上選擇合適的瀝青提供參考。

1 試驗介紹和原材料

1.1 試驗介紹

BBR低溫蠕變試驗是通過低溫彎曲流變儀自帶軟件進行加載試驗，在一定的溫度下以恒定的應(yīng)力輸入持續(xù)加載240 s，試驗中一般給出瀝青在第8.0、15.0、30、60、120 s及240 s等6個點的勁度模量S及蠕變速率m，通過這兩個值來評價瀝青的低溫使用性能。采用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動采集載荷與變形并計算60 s時的蠕變勁度模量S、蠕變速率m，其中蠕變速率m能反映瀝青的松弛性能。

由材料力學性能可知，蠕變?nèi)崃亢退沙趶椥阅Ａ恐g存在以下關(guān)系：

(1)

相較于松弛試驗，蠕變實驗非常容易實現(xiàn)，因此，采用彎曲蠕變試驗得到無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料的蠕變?nèi)崃浚檬?1)將蠕變?nèi)崃哭D(zhuǎn)換為彈性松弛模量。由于直接使用式(1)進行求解需要數(shù)據(jù)點是連續(xù)的，目前的試驗手段難以完成。本文采用Hopkins和Hamming方法建立松弛模量E(t)和蠕變?nèi)崃緿的迭代表達式求解該積分，表達式如式(2)，利用編制的程序即可以獲得松弛彈性模量隨時間的變化曲線。

(2)

式中，E為應(yīng)力松弛模量；t為蠕變時間；D為蠕變?nèi)崃俊?/p>

1.2 原材料

本研究選用兩種無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料，分別為國產(chǎn)HN型改性熱塑高彈性體膠結(jié)料、DY型高彈性體膠結(jié)料。根據(jù)《橋梁無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料》(JT/T 1129-2017)要求，瀝青膠結(jié)料相關(guān)基本性能測試結(jié)果見表1。試驗儀器采用美國CANNON生產(chǎn)的TE BBR彎曲流變儀，考慮瀝青實際工作狀態(tài)，試驗采用測試-10℃時的低溫應(yīng)力蠕變狀態(tài)。

表1 無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料基礎(chǔ)性能

1.3 試驗方法

采用BBR測量瀝青梁在蠕變載荷作用下的勁度模量，蠕變載荷可以用來模擬溫度下降時路面中逐步積聚的應(yīng)力。對兩種樣品瀝青膠結(jié)料進行BBR小梁試驗，試驗溫度為-10 ℃，平行試驗2組，數(shù)據(jù)差異較大時補充試驗次數(shù)，最終勁度模量S和蠕變速率m值取試驗平均值。

2 試驗結(jié)果

彎曲流變儀研究瀝青梁在蠕變荷載下的勁度模量，通過BBR試驗獲取瀝青的蠕變勁度模量S和勁度模量隨時間的變化率m。瀝青的勁度模量越大，則瀝青表現(xiàn)為脆性，易產(chǎn)生開裂破壞；蠕變速率m值越大，則溫度下降時材料產(chǎn)生的收縮降低了瀝青的勁度模量，從而使得其拉應(yīng)力減少，降低開裂的可能性。在實際應(yīng)用，一般取第60 s的勁度模量S與蠕變速率m作為PG性能試驗分級的依據(jù)。SHRP計劃規(guī)范限制60 s時的勁度模量不大于300 MPa和m值不小于0.30。

表2為兩種無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料60s時的蠕變勁度模量和蠕變速率。試驗結(jié)果顯示兩種材料均滿足SHRP計劃規(guī)范限制要求，其中HN型瀝青膠結(jié)料60s蠕變勁度模量更低，材料脆性低，低溫工作狀態(tài)下更不易開裂。

表2 樣品膠結(jié)料低溫蠕變測試結(jié)果

松弛彈性模量使評價材料應(yīng)力松弛能力的重要參數(shù)，材料足夠的應(yīng)力松弛能力能夠使溫度應(yīng)力逐漸衰減，減少低溫裂縫的產(chǎn)生。然而松弛試驗需要瞬時給試件施加有限的應(yīng)變并保持不變，試驗條件比較困難。考慮到蠕變和松弛的基本力學關(guān)系，通過測試如蠕變?nèi)崃浚鶕?jù)式(2)將蠕變?nèi)崃哭D(zhuǎn)換為松弛彈性模量。

由試驗結(jié)果可知，DY型的脆性程度更大，在低溫狀態(tài)下更易產(chǎn)生開裂破壞。圖1是兩種樣品瀝青在-10℃狀態(tài)下的應(yīng)力松弛模量的擬合曲線，反映了瀝青的松弛性能。HN型的初始應(yīng)力值為7.30 MPa，240 s后的應(yīng)力值為4.74 MPa，240 s應(yīng)力殘留率為64.9%；DY型的初始應(yīng)力值為19.80 MPa，240 s后的應(yīng)力值為9.34 MPa，240 s應(yīng)力殘留率為47.1%。表明HN型無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料具有更好的低溫松弛性能。

圖1 -10℃下樣品瀝青松弛模量擬合曲線

初始應(yīng)力松弛模量與240 s應(yīng)力松弛模量的比值可得到應(yīng)力殘留率，此值反映了瀝青在狀態(tài)下受力后松弛恢復能力，與在實際使用狀態(tài)下抗開裂能力有直接關(guān)系。對比延度指標結(jié)合分析。

3 結(jié) 論

1)通過BBR試驗對兩種無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料的低溫性能進行了評價，蠕變結(jié)果顯示，HN型瀝青膠結(jié)料60 s蠕變勁度模量更低，材料脆性低，低溫工作狀態(tài)下更不易開裂，HN型瀝青膠結(jié)料蠕變速率m值更大，低溫抗開裂能力更高。低溫松弛性能結(jié)果顯示，HN型無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料240 s應(yīng)力殘留率更高，表明材料松弛性能更好，低溫抗開裂能力更強。試驗結(jié)果顯示，HN型瀝青膠結(jié)料低溫性能優(yōu)于DY型瀝青膠結(jié)料。

2)高粘彈瀝青由于瀝青自身特性不適合采用延度指標評價低溫性能。通過采用BBR試驗獲得材料低溫蠕變和應(yīng)力松弛性能，可以更全面地反映材料在低溫條件下的工作狀態(tài)，且相對于延度指標，試驗相對更簡單、準確，可考慮用BBR試驗獲得的試驗指標評價無縫伸縮縫瀝青膠結(jié)料低溫性能。

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