瀝青混合料的低溫性能評價指標敏感性研究

張智裕

(南陽通途公路勘察設計有限公司,河南 南陽 473000)

瀝青路面暴露在大氣環(huán)境中，長期經(jīng)受自然環(huán)境和車輛荷載的反復作用，使用性能逐漸衰減，致使瀝青路面出現(xiàn)各種早期破壞，其中低溫開裂是世界上寒冷地區(qū)最普遍存在的問題，裂縫一旦產(chǎn)生會誘發(fā)次生病害，造成巨大的經(jīng)濟損失。如何表征瀝青混合料的開裂是一直存在的問題，有研究表明：瀝青的低溫性能最終通過瀝青混合料的低溫使用性能體現(xiàn)，瀝青混合料的低溫性能主要體現(xiàn)在低溫松弛能力。瀝青用量和級配是影響瀝青混合料低溫性能的重要因素，然而采用不同的評價方法可能存在差異。本文通過室內(nèi)試驗，選擇AC-13、SMA-13兩種級配和不同瀝青用量下的瀝青混合料，采用低溫彎曲試驗、低溫劈裂試驗和凍斷試驗三種方法和多個指標評價其低溫抗裂性能，通過皮爾遜法對兩兩的評價直接進行相關性分析，得出瀝青用量和級配對低溫性能指標的敏感程度，這對預防和控制瀝青路面開裂具有重要作用。

1 試驗材料及方法

1.1 基質瀝青

為了評價瀝青混合料的低溫性能指標的敏感性，選取國內(nèi)常用的SBS改性瀝青進行瀝青混合料的制備，基質瀝青為SK90，SBS選用YH791，其嵌段比為30/70。單摻制備SBS改性瀝青的摻量為5%，其基本技術指標見表1。

表1 SK90和SBS基本物理性能

1.2 集料

集料為當?shù)厣a(chǎn)的石灰?guī)r，其技術指標滿足相應規(guī)范要求。

1.3 級配

考慮研究地域為寒冷地區(qū)，而且整個路面上面層受溫度影響最為嚴重，所以將面層的級配公稱粒徑選擇為13.2 mm 和16 mm，根據(jù)級配類型選擇了懸浮密實型AC-13 和骨架密實型(SMA-13)，各級配通過率采用規(guī)范中的中值。

1.4 試驗方法與指標

評價瀝青混合料的低溫性能是采用劈裂試驗、低溫小梁彎曲試驗和凍斷試驗三種常用試驗方法，分析各個指標對瀝青用量和級配的敏感性，從而確定能否指導瀝青混合料的設計。試驗中得到的評價指標分別為破壞拉伸應變、破壞拉伸強度、凍斷溫度和轉化點溫度，假設這些指標相聯(lián)系對瀝青用量和級配均敏感，這些評價方法不僅可用于評價瀝青混合料的低溫性能，還可以作為瀝青混合料設計的重要參數(shù)，以便推廣使用。

2 試驗結果分析

2.1 劈裂試驗

不同油石比和級配下低溫劈裂試驗結果見表2所示，采用間接拉伸應變和間接拉伸強度對試驗結果進行評價，AC-13和SMA-13兩種瀝青混合料的間接拉伸強度分別在瀝青用量為4.8%和6.3%時達到了峰值，間接拉伸應變在瀝青用量分別為5.1%和6.3%。有文獻表明：兩個指標均出現(xiàn)了峰值，主要是隨著瀝青用量的增加結合瀝青達到飽和后，導致自由瀝青增加。對兩種混合料進行了統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，AC-13的F分布在0.05水平下的顯著性為2.86，SMA-13為3.24，均大于相應的F分布臨界值，則認為該因素影響顯著且敏感。而且破壞應變的影響水平高于破壞強度的水平，破壞應變從受力角度也表征了瀝青混合料的抗變形能力，可以作為評價瀝青混合料低溫性能的評價指標。

表2 AC-13和SMA-13低溫劈裂試驗的測試結果

2.2 小梁彎曲試驗

小梁彎曲試驗采用的平行試件為5個，試驗結果將最大值和最小值剔除后取三個試件的平均值，試驗結果見表3所示。對于AC-13瀝青混合料，當瀝青含量≥4.8%時，滿足規(guī)范要求；對于SMA-13，當瀝青含量≥6.3%時滿足規(guī)范要求。通過對兩種級配不同瀝青含量的瀝青含量進行單因素方差分析發(fā)現(xiàn)，在0.05水平下的F值分別為3.06和3.49，均大于臨界值，說明瀝青用量對破壞應變這一指標的影響是顯著的。

表3 小梁彎曲試驗結果

2.3 凍斷試驗結果分析

凍斷試驗模擬的是路面降溫過程中溫度荷載下的力學影響，試驗時采用的平行試件數(shù)量為3個，有文獻顯示：不同瀝青和不同級配的凍斷試驗結果與低溫小梁彎曲破壞試驗相關性較好，通過權重系數(shù)法進行分析時，得出同樣的結果，而且凍斷溫度和轉化點溫度對低溫性能的貢獻程度不權重系數(shù)大小一致。凍斷試驗結果見表4所示，對于AC懸浮密實型結構瀝青混合料，隨著瀝青用量的增加，凍斷溫度和轉化點溫度不同幅度的降低；對于SMA密實骨架型結構，隨著瀝青含量的增加，凍斷溫度和轉化點溫度均降低，但是降低幅度均小于懸浮密實型結構。歸結原因可能是，SMA的骨架密實結構、纖維穩(wěn)定劑的作用，瀝青用量增加時瀝青膠漿對其造成干涉，減弱骨架效應，但骨架結構可以顯著降低材料收縮而提高了凍斷溫度和轉化點溫度，僅靠瀝青含量增加來提高低溫性能效果有限，所以SMA-13型瀝青混合料的凍斷溫度和轉化點溫度先增高后降低。

再對凍斷試驗結果進行方差分析發(fā)現(xiàn)，AC-13和SMA-13在0.05水平下的F值分別為3.48和4.07，均大于F-分布的臨界值，瀝青用量對凍斷溫度和轉化點溫度都有顯著的影響。

表4 凍斷試驗結果

2.4 低溫性能評價指標的關系

評價瀝青混合料低溫性能的試驗方法較多，為了評價各評價指標的關系，采用皮爾遜相關系數(shù)法進行相關性分析，計算結果見表5所。皮爾遜系數(shù)的評價分為五個水平，系數(shù)越小，相關性越弱或不相關，其中0.8～1.0為極強相關，0.6～0.8為強相關，0.4～0.6為中等程度相關，表中出現(xiàn)的負值是由于凍斷溫度和轉化點溫度是負值所致， 總體表4中的數(shù)據(jù)均大于0.5，統(tǒng)計學上的顯著性檢驗中表明，各指標均顯著，顯著水平最低的是劈裂破壞應變與凍斷試驗指標，接近強相關水平。因此，通過兩兩相關的分析統(tǒng)計學上確定了，瀝青用量對低溫性能的影響具有一致性，而且凍斷試驗得到的兩個指標對每個指標也都具有明顯的相關性。對于常用的級配，SMA-13的低溫性能與各指標的相關性都屬于強相關。

表5 皮爾遜相關系數(shù)

3 結 論

通過三種試驗四個指標評價瀝青混合料的低溫性能，采用皮爾遜法對兩兩指標的相關性分析得出，瀝青用量對瀝青混合料低溫性能的影響非常顯著，而且，凍斷溫度和轉化點溫度指標不僅能夠用來評價瀝青混合料的低溫性能，還可用于指導瀝青混合料設計時最佳瀝青用量的確定。