不同改性瀝青混合料抗裂性能半圓彎曲試驗研究

李曉瑩

（甘肅省白銀公路事業(yè)發(fā)展中心靖遠公路段，甘肅靖遠730600）

0 引言

現(xiàn)階段，困擾高速公路瀝青路面的頭號難題依然是路面開裂。與低溫季節(jié)瀝青路面易發(fā)生脆裂相比，長路齡路面近年來開始呈現(xiàn)常溫季節(jié)開裂的趨勢[1]。針對瀝青混合料的抗裂性能，小梁彎曲試驗、間接拉伸試驗及半圓彎曲試驗（簡稱“SCB 試驗”）均有其適用的場景[2]。與前兩種試驗方法相比，SCB 試驗具有諸多優(yōu)勢。首先，SCB 試驗操作方法簡單，便于重復(fù)性試驗。其次，SCB 試驗基于斷裂力學(xué)的研究方法，能夠更科學(xué)地解釋瀝青混合料的抗裂性能。斷裂力學(xué)理論指出，瀝青混合料的開裂主要包括兩個階段，即裂縫的產(chǎn)生與裂縫的擴展[3]。

1 試驗方案

1.1 原材料

選取兩種成品改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料。其一，某種硬質(zhì)瀝青，多用于易發(fā)生車轍的地區(qū)，簡記為“Ⅰ瀝青”；其二，某高粘、高彈改性瀝青，其動力黏度較大且變形能力較強，在高寒地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用場景，簡記為“Ⅱ瀝青”。兩種改性瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 兩種改性瀝青基本技術(shù)指標(biāo)

使用的粗集料、細集料均為玄武巖，填料為石灰?guī)r礦粉。其中，SMA 混合料還需摻入一定量的纖維，其用量為混合料質(zhì)量的0.3%。

1.2 試件制備

選取兩種瀝青路面面層常用級配AC-13 與SMA-13，其不同篩孔的通過率均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）要求。首先，使用馬歇爾法確定AC-13、SMA-13 混合料的最佳瀝青用量。其次，經(jīng)高溫拌和后，使用Superpave 旋轉(zhuǎn)壓實儀，使之成為直徑150mm、高度180mm 的圓柱體瀝青混合料，脫模后放在室溫條件下至少養(yǎng)生2 天。再次，使用切割機沿高度方向切除圓柱體上、下表面各15mm 后，在高度方向?qū)ζ溥M行三等分切割，從而得到3 個直徑150mm、高50mm 的小圓柱體試件。最后，使用小型切割機對半圓試件進行預(yù)切縫處理，預(yù)切縫在矩形截面的中部位置，其深度為15mm[4]。

1.3 試驗方法

借助萬能試驗機進行SCB 試驗，試驗的加載速率為50mm/min。為評價改性瀝青混合料的中溫抗裂性能，試驗溫度應(yīng)確定為25oC。試驗開始前，SCB 試件需在25oC 恒溫環(huán)境箱中至少保溫4h。為保證試驗結(jié)果的可靠性，每種改性瀝青混合料至少進行4 組平行試驗，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差，剔除離散程度較大的數(shù)據(jù)并補充平行試驗，最終取有效數(shù)據(jù)的平均值作為試驗結(jié)果[5]。

從強度、變形、能量三個角度，評價不同改性瀝青混合料的中溫抗裂性能。如圖1所示，強度評價指標(biāo)為峰值力Fmax，其定義為豎向加載力—位移曲線的峰值點對應(yīng)的加載力；變形能力評價指標(biāo)為峰值位移Dp及破壞位移Dcf，DP為峰值力Fmax對應(yīng)的位移，Dcf為豎向加載力—位移曲線峰后部分豎向力為Fmax/2 時對應(yīng)的位移；能量指標(biāo)綜合考慮試件的受荷與變形能力，該次使用峰前斷裂能Gbf與峰后斷裂能Gaf分別評價改性瀝青混合料在裂縫產(chǎn)生前、后的抗裂性能，Gbf與Gaf的計算方法見式（1）～（5）。

圖1 SCB 試驗豎向加載力－位移曲線示例圖

式（1）中：A為試件的中部連接面積，單位mm2；r 為試件半徑，單位mm；a為預(yù)切縫深度，單位mm；t為試件厚度，單位mm。式（2）中：Fb為試件峰前階段的豎向力，單位kN。式（4）中，F(xiàn)a為試件峰后階段的豎向力，單位kN。式（2）、式（4）中：u為試件的豎向位移，單位mm。

2 試驗結(jié)果與分析

不同改性瀝青混合料SCB 斷裂試驗的結(jié)果如表2所示，分別從強度、變形能力及能量的角度進行了具體分析。

表2 SCB 試驗結(jié)果

2.1 強度

圖2 為不同改性瀝青混合料SCB 斷裂試驗峰值力的差異情況。由圖2 可知，無論級配類型是AC-13 還是SMA-13，Ⅰ瀝青混合料的峰值力Fmax 均明顯大于Ⅱ瀝青混合料。這表明，瀝青膠結(jié)料性質(zhì)對混合料的強度影響較為顯著。25oC 下Ⅰ瀝青的針入度遠小于Ⅱ瀝青，在一定程度上保證了中溫條件下Ⅰ瀝青混合料的強度更大，即硬質(zhì)瀝青混合料中溫條件下的強度明顯大于高粘、高彈改性瀝青混合料。此外，當(dāng)瀝青膠結(jié)料為Ⅰ瀝青時，AC-13 混合料的峰值力大于SMA-13 混合料；當(dāng)瀝青膠結(jié)料為Ⅱ瀝青時，AC-13混合料的峰值力略小于SMA-13 混合料，這表明級配對改性瀝青混合料強度的影響相對較弱。

圖2 不同改性瀝青混合料SCB 試驗峰值力指標(biāo)差異

2.2 變形能力

圖3、圖4 表示不同改性瀝青混合料在SCB 斷裂試驗中的變形能力。由圖3 可知，在改性瀝青混合料開裂的瞬間，SMA-13 級配的Ⅱ瀝青混合料的位移明顯大于其余三種改性瀝青混合料，而AC-13 級配的Ⅱ瀝青混合料的峰值位移最小。根據(jù)圖4 可知，進一步跟蹤不同改性瀝青混合料產(chǎn)生裂縫之后的變形情況，發(fā)現(xiàn)同一級配的Ⅱ瀝青混合料破壞位移均大于Ⅰ瀝青混合料。這表明在裂縫擴展階段，高粘、高彈改性瀝青混合料擁有更好的變形能力。在瀝青膠結(jié)料相同的情況下，SMA-13 級配的改性瀝青混合料的破壞位移更大，即SMA-13 改性瀝青混合料在裂縫擴展階段的變形能力略優(yōu)于AC-13。

圖3 不同改性瀝青混合料SCB 試驗位移指標(biāo)差異峰值位移DP

圖4 不同改性瀝青混合料SCB 試驗位移指標(biāo)差異破壞位移Dcf

2.3 斷裂能

圖5、圖6 分別為不同改性瀝青混合料在裂縫產(chǎn)生前及裂縫擴展階段的斷裂能情況。由圖5 可知，同一級配Ⅰ瀝青混合料的峰前斷裂能均大于Ⅱ瀝青混合料，主要原因是裂縫產(chǎn)生前Ⅰ瀝青混合料承受的加載力明顯大于后者，這表明，相同級配條件下，硬質(zhì)瀝青改性瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的性能優(yōu)于高粘、高彈改性瀝青混合料。從圖6 可以看出，從裂縫產(chǎn)生到裂縫穩(wěn)定擴展階段，相同級配條件下，雖然Ⅰ瀝青混合料峰值力相對較大，但Ⅱ瀝青混合料帶裂縫的變形量更大.綜合兩個因素之后，Ⅱ瀝青混合料的峰后斷裂能反而大于Ⅰ瀝青混合料，表明高粘、高彈改性瀝青混合料帶裂縫的工作能力強于硬質(zhì)瀝青混合料，即高粘、高彈改性瀝青混合料在中溫條件下，能夠保持更穩(wěn)定的延性破壞狀態(tài)。

圖5 不同改性瀝青混合料SCB 試驗位移指標(biāo)差異峰前斷裂能Gbf

圖6 不同改性瀝青混合料SCB 試驗斷裂能指標(biāo)差異峰后斷裂能Gaf

3 結(jié)論

該研究選取硬質(zhì)瀝青和高粘、高彈改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，探究了級配對混合料性能的影響，通過半圓彎曲試驗研究了不同改性瀝青混合料在中溫條件下的抗裂性能，根據(jù)試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：其一，與級配類型相比，瀝青膠結(jié)料的種類對改性瀝青混合料的強度影響更為顯著，且中溫條件下硬質(zhì)瀝青混合料的強度明顯大于高粘、高彈改性瀝青混合料。其二，相同級配條件下，高粘、高彈改性瀝青混合料在裂縫擴展階段的變形能力優(yōu)于硬質(zhì)瀝青混合料；同一瀝青膠結(jié)料條件下，SMA-13 瀝青混合料在裂縫擴展階段的變形能力優(yōu)于AC-13 瀝青混合料。其三，相同級配條件下，硬質(zhì)瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的性能優(yōu)于高粘、高彈改性瀝青混合料；高粘、高彈改性瀝青混合料在中溫條件下，能夠保持更穩(wěn)定的延性破壞狀態(tài)。