RIOHTrack下面層瀝青混合料低溫性能試驗評價

查旭東，李 聰，鄒 博，王旭東，潘勤學

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114；2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

低溫開裂是瀝青路面的主要病害形式之一，在行車荷載和環境因素等長期作用下，開裂的路面易出現剝落、唧漿和坑槽等損壞，降低其承載能力和使用壽命，影響長期性能，因此合理評價瀝青混合料的低溫性能具有重要意義。目前，瀝青混合料低溫性能的評價方法主要有約束試件溫度應力(TSRST)[1]、半圓彎曲(SCB)[2]、低溫彎曲[3]和低溫彎曲蠕變[4]等試驗。Tan等[5]通過對低溫彎曲、線收縮、間接拉伸和TSRST等試驗進行灰關聯分析，認為彎曲應變能密度的臨界值能較好地評價瀝青混合料的低溫性能；李蓬[6]通過對比SCB和小梁低溫彎曲試驗，推薦使用SCB試驗的彎拉應變和破壞應變能作為低溫抗裂性能的評價指標；汲平等[7]通過劈裂試驗建立了低溫抗裂性能的評價模型，提出采用低溫指數作為評價指標；冉武平等[8]應用多種試驗方法對環氧瀝青混合料的低溫抗裂性能進行了對比，認為低溫劈裂強度是較好的評價指標；Stimilli等[9]基于瀝青熱裂分析儀(ATCA)的測試結果，通過對比分析松弛模量和臨界斷裂溫度等指標，表明松弛模量能合理評價混合料的低溫性能；侯貴等[10]通過對比小梁彎曲、低溫劈裂和低溫彎曲蠕變等試驗，推薦使用劈裂試驗及其破壞強度來評價嚴寒地區澆注式瀝青混凝土的低溫性能；劉占良等[11]通過室內小梁彎曲、劈裂、老化和凍融劈裂等試驗對比，得出凍融劈裂試驗適用于評價高寒地區瀝青混合料的低溫破壞過程；Zhou等[12]根據彎曲流變梁(BBR)，TSRST和三點彎曲等試驗得到的結果進行灰關聯分析，表明瀝青結合料的耗散能比與瀝青混合料的低溫性能具有良好的相關性；馮德成等[13]通過分析SCB試驗的各項指標，確定斷裂能作為低溫性能指標；祝譚雍等[14]基于環形加載和小梁彎曲等試驗結果的相關性分析，表明環形加載試驗可以評價混合料的低溫抗裂性能；閆科偉等[15]采用內聚力模型對圓盤拉伸試驗(DCT)全過程進行模擬，引入斷裂應變容限值對低溫抗裂性能進行了評價；曹海波等[16]通過對比試驗表明，TSRST、低溫彎曲和凍融劈裂的混合料低溫性能試驗結果具有較好的一致性。

綜上可知，瀝青混合料低溫性能的試驗評價方法和指標眾多，且各種試驗及其指標得到的低溫性能評價結果存在一定的差異。為此通過對交通運輸部公路科學研究院足尺路面試驗環道(RIOHTrack)所用9種AC-25下面層瀝青混合料進行小梁低溫彎曲、中梁線收縮系數和法國梯形梁動態模量等試驗，對比分析各試驗指標結果及其之間的相關性，從而優選合理的評價指標，并對比評價各下面層瀝青混合料的低溫性能。

1 配合比設計

1.1 原材料性能檢驗

根據中國高速公路瀝青路面的典型結構和材料[17]，RIOHTrack下面層瀝青混合料AC-25所用瀝青結合料包括秦皇島30#，50#和70#3種A級道路石油瀝青，1種秦皇島I-DS10成品SBS改性瀝青(SBS2)，以及膠粉摻量為22%和24%的2種成品AR橡膠瀝青(AR22%和AR24%)；礦料采用玄武巖粗集料及石灰巖細集料和礦粉。經檢驗，所用瀝青、粗細集料和礦粉的各項性能指標均符合技術要求。其中，除AR24%橡膠瀝青的25 ℃針入度、軟化點和5 ℃延度分別為40(0.1 mm)、73.0 ℃和74 mm 以外，其余瀝青的3大指標試驗結果參見文獻[18]和[19]。

1.2 配合比設計

根據長壽命瀝青路面常用的下面層瀝青混合料密實型結構及其配合比設計要求[17,20]，通過礦料組成設計，確定RIOHTrack下面層AC-25瀝青混合料的3種礦料合成級配如表1所示，并分別簡記為G1，G2和G3。其中，G3為40% RAP摻量并摻加70#新瀝青(R70#)的熱再生混合料。由此可知，3種級配的4.75 mm關鍵篩孔質量通過百分率均小于40%，表明都為粗型密級配；同時G1較G2的4.75 mm通過率約提高5%，故對于粗集料含量，G2最多，G3次之，G1最少。據此，為方便對比分析，根據不同的瀝青結合料與級配組合及RIOHTrack設計要求，經馬歇爾試驗配合比設計，確定9種AC-25瀝青混合料的最佳油石比，如表2所示。

表1 AC-25瀝青混合料合成級配Tab.1 Composite gradation of AC-25 asphalt mixture

表2 AC-25瀝青混合料最佳油石比Tab.2 Optimal asphalt-aggregate ratio for AC-25 asphalt mixture

2 試驗方法與方案

2.1 小梁低溫彎曲試驗

小梁低溫彎曲試驗按《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T 0715跨中加載法(三點彎曲試驗)進行。小梁試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，跨徑為200 mm；試驗溫度選取0，-10，-20和-30 ℃這4種溫度，加載速率為50 mm/min；每組試件進行7個平行試驗，并在每個試件的跨中長寬底面的長度方向上平行粘貼2片電阻為120 Ω的應變片(見圖1)，以測定試件達到最大破壞荷載時的應變。

圖1 小梁試件Fig.1 Small beam specimens

通過測得的小梁彎曲最大破壞荷載PB和對應的跨中撓度d，根據T 0715可計算出試件破壞時的抗彎拉強度RB、最大彎拉應變εB和彎曲勁度模量SB。同時，小梁低溫彎曲試件破壞所需要的能量可用應變能密度EB來表示，其可通過對試驗得到的瀝青混合料應力-應變關系的上升階段曲線，采用三次多項式進行擬合并求積分得到，即：

(1)

式中，EB為應變能密度；ε0為對應于應力峰值點的應變值；A，B，C和D為三次多項式的擬合系數，與材料類型有關。

2.2 中梁線收縮系數試驗

中梁線收縮系數試驗采用交通運輸部公路科學研究院研發的實時溫度-應變采集系統進行測試。將輪碾成型的AC-25瀝青混合料試件切割成尺寸為380 mm×51 mm×64 mm的中梁，并將3個應變片分別粘貼于中梁長寬頂面長度方向上4分點的3個位置處(見圖2)，再將其置于實時溫度-應變采集系統的環境箱中；設定試驗溫度范圍為-30～+70 ℃，采用2個溫度循環，升、降溫速率為1 ℃/min，每10 ℃恒溫1 h，從而測定相應溫度下的應變；每種混合料進行3根試件平行試驗。

圖2 中梁試件Fig.2 Middle beam specimens

根據實測的溫度-時間曲線和應變-時間曲線，由每個溫度循環中起止溫度所對應的應變計算瀝青混合料的線收縮系數αT，即：

(2)

式中，αT為線收縮系數；εu為初始應變；ε1為終止應變；Tu為初始溫度；T1為終止溫度。

2.3 法國梯形梁動態模量試驗

法國梯形梁動態模量試驗采用法國VECTRA公司生產的梯形梁動態模量與疲勞試驗機(M2F)進行測試(見圖3)。將成型車轍試件切割成上底寬25 mm、下底寬56 mm、高250 mm及厚25 mm的梯形梁試件(見圖4)；將試件底部和頂部分別與基座和護冠粘接，保持至少12 h以確保粘接牢固，并置于M2F的環境箱中；在0～45 ℃范圍內按5 ℃等間距設置10種試驗溫度，且每種溫度下需保溫4 h后才能進行試驗。加載時，按應變控制方式，對梯形梁頂部沿寬度方向施加水平向正弦波荷載，即梯形梁呈懸臂梁兩點彎曲狀態受力；為獲得梯形梁動態模量的主曲線，在30～180 με范圍內按30 με等間距設定6種應變水平，在10～40 Hz范圍內按5 Hz等間距設定7種加載頻率；每組試件進行2次平行試驗。

圖3 M2F動態模量試驗Fig.3 Dynamic modulus tests of M2F

圖4 梯形梁試件Fig.4 Trapezoidal beam specimens

根據M2F試驗結果可獲得4個主要指標，即反映材料黏彈性特征的復模量E*和相位角φ，表征彈性特征的儲能模量E′，以及表征黏性特征的耗能模量E"。據此，通過頻率掃描試驗，可得到不同溫度下4個指標隨頻率變化的曲線，根據時溫等效原理即可獲得4個指標的主曲線。由于瀝青混合料低溫性能與其黏彈性有關，試驗主要分析E*和φ的主曲線，并分別采用Boltzman函數和GaussAmp函數進行擬合[19]，基準頻率取10 Hz。

3 試驗結果分析

3.1 低溫性能試驗結果

根據前述3種試驗方法，對9種AC-25瀝青混合料進行了低溫性能對比試驗，可得到小梁低溫彎曲的抗彎拉強度RB、最大彎拉應變εB、彎曲勁度模量SB和應變能密度EB，以及中梁線收縮系數αT隨溫度的變化曲線,分別如圖5和圖6所示，其中線收縮系數的對應溫度取區間中值；為節省篇幅并滿足低溫性能分析的需要，M2F動態模量試驗僅給出90 με中值應變水平下-30～+10 ℃范圍內的復模量E*和相位角φ隨溫度變化的主曲線，如圖7所示。

圖5 小梁低溫彎曲試驗結果Fig.5 Result of small beam low temperature bending test

圖6 中梁線收縮系數試驗結果Fig.6 Result of middle beam linear shrinkage coefficient test

3.2 評價指標對比分析

從圖5～圖7可以看出：

圖7 M2F動態模量試驗結果Fig.7 Result of M2F dynamic modulus test

(1)對于小梁低溫彎曲試驗，隨著溫度的升高，RB的變化有升有降，并未呈現總體降低的變化規律；SB雖然總體呈逐漸降低的變化趨勢，但受RB的影響，有4種混合料呈現單峰曲線變化。這表明二者的試驗結果未能合理反映瀝青混合料彎拉性能隨溫度變化的黏彈性質，故不宜作為瀝青混合料低溫性能的評價指標。隨著溫度的降低，εB和EB也逐漸降低，且降幅逐漸減小，并在-20～-30 ℃之間趨于平緩，這反映了瀝青混合料低溫蠕變性能逐漸減弱，故二者可作為低溫性能評價指標；同時，二者隨溫度變化曲線的拐點均出現在-10 ℃左右，這反映了此時AC-25瀝青混合料的力學特性由黏彈性向脆性發生改變，故可取該溫度作為低溫性能評價的標準溫度。

(2)對于中梁線收縮系數試驗，αT隨著溫度升高，總體呈現先增后減的單峰關系曲線變化，且各混合料的αT峰值對應的溫度相差較大。其中，峰值溫度最高的R70#-G3再生混合料達9.2 ℃，最低的AR22%-G2橡膠混合料為-12.8 ℃，二者相差超過20 ℃，雖然在一定程度上能反映混合料的低溫性能，但經分析發現峰值溫度的誤差較大，故其不宜作為低溫性能評價指標。為此，參照小梁低溫彎曲試驗，取0～-10 ℃范圍內的αT作為評價指標。

(3)對于M2F動態模量試驗，9種AC-25瀝青混合料的E*值均隨著溫度的上升而減小，而φ值變化則相反，且各種混合料的E*與φ隨溫度變化曲線的高低對比均呈現良好的一致性，表明溫度越低，混合料的脆性越大而黏性越小，故二者均可以較好地表征瀝青混合料的低溫性能，故類似地以-10 ℃的E*和φ作為低溫性能評價指標。

根據上述3種試驗方法得到的5個評價指標測試結果，對9種AC-25瀝青混合料的低溫性能進行優劣排序，結果如表3所示。其中，排序依據中“”和“”分別表示相應的評價指標結果“越大越優”和“越小越優”；圓括號中數字為排序名次。

表3 AC-25瀝青混合料低溫性能評價結果Tab.3 Evaluation result of low temperature performance of AC-25 asphalt mixture

從表3可以看出，不同試驗方法和指標評價的各AC-25瀝青混合料低溫性能排序結果存在較明顯的差異。為了合理比較各混合料的低溫性能，對各指標間的相關性進行對比分析，得到兩兩指標之間的Pearson相關系數,如表4所示。

表4 低溫性能指標之間的相關系數Tab.4 Correlation coefficient among low temperature performance indicators

根據5個指標的物理意義，εB，EB和φ為“越大越優”型指標，即其值越大，混合料低溫性能越強；而αT和E*為“越小越優”型指標，即其值越小，混合料低溫性能越強。據此，從表3、表4可以看出：

(1)εB，EB和φ三者之間均呈正相關，而與E*之間均呈負相關，表明這4個指標的試驗結果與各AC-25瀝青混合料的低溫性能都保持了良好的一致性和相關性，均能合理地評價瀝青混合料的低溫性能。然而，αT與其他指標之間相關系數的正負性出現了相反的情況，表明αT作為表征瀝青混合料低溫收縮性能的指標，雖然在一定程度上能反映混合料本身的低溫性能，但不能合理評價各AC-25瀝青混合料之間低溫抗裂性能的優劣，故αT不宜作為低溫性能對比的評價指標。

(2)εB與EB之間的相關系數接近0.90，E*與φ之間的相關系數接近-0.85，這表明相同試驗不同指標之間的相關性顯著，可相互替代，故同一種試驗可取其中1個指標作為評價指標；同時，εB與E*之間的相關系數絕對值大于0.85，反映了小梁低溫彎曲試驗和M2F動態模量試驗之間具有良好的一致性，故可進一步優選其中1種試驗方法。

(3)不計指標本身及其與αT之間的相關系數，可統計得到εB，EB，E*和φ4個指標之間相關系數絕對值的平均值分別為0.832 6，0.712 6，0.777 2和0.737 5。通過比較可以得到，小梁低溫彎曲試驗和M2F動態模量試驗的最佳指標分別為εB和E*，且εB優于E*。因此，優選小梁低溫彎曲試驗的εB作為9種AC-25瀝青混合料低溫性能對比的評價指標，同時也表明《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中T 0715法采用最大彎拉應變評價瀝青混合料低溫性能的合理性。

3.3 低溫性能對比評價

根據前述優選的評價指標，采用小梁低溫彎曲試驗得到的最大彎拉應變εB對下面層9種AC-25瀝青混合料進行低溫性能對比評價，并結合表3可以看出：

(1)對于級配相同而瀝青結合料不同的AC-25瀝青混合料，6種級配G1混合料中，橡膠混合料的低溫性能最優，SBS改性混合料次之，而普通混合料最差。其中，2種橡膠混合料的εB較為接近，相差不足1%；3種普通混合料中，70#瀝青混合料的εB較50#和30#分別提高了8.4%和25.2%，這說明瀝青標號越高，瀝青越軟，低溫性能越好。同時，2種級配G2混合料中，SBS改性混合料的εB僅比橡膠混合料提高2.5%，說明兩者低溫性能相差不大；級配G3再生混合料的低溫性能介于改性混合料和普通混合料之間。因此，表明橡膠和SBS改性瀝青及高標號石油瀝青能有效提高混合料的低溫性能，且再生混合料也具有較好的低溫性能。

(2)對于瀝青結合料相同而級配不同的AC-25瀝青混合料，級配G2的AR22%和SBS2改性混合料的εB分別比級配G1提高了2.8%和12.0%，級配G3的70#再生混合料εB較級配G1的70#普通混合料提高了5.0%。這表明粗集料含量較高的AC-25瀝青混合料及再生混合料也能達到良好的低溫性能。

4 結論

采用小梁低溫彎曲、中梁線收縮系數和法國梯形梁動態模量3種室內試驗方法，對RIOHTrack 9種AC-25下面層瀝青混合料的低溫性能進行了對比評價，得到以下主要結論：

(1)小梁低溫彎曲試驗的εB和EB及M2F動態模量試驗的E*和φ與瀝青混合料的低溫蠕變性能呈現良好的一致性，而小梁低溫彎曲的RB和SB隨溫度的變化規律不明顯；中梁線收縮系數試驗的αT表征了混合料的低溫收縮性能。故取-10 ℃下εB，EB，αT，E*和φ作為低溫性能評價指標。

(2)不同試驗指標評價的各混合料低溫性能結果存在較明顯的差異，其中相同試驗不同指標之間及小梁低溫彎曲與M2F動態模量試驗結果之間的相關性顯著，εB和E*分別為這2種試驗方法的最佳評價指標，且εB更優；但αT不能合理反映不同混合料間低溫抗裂性能的優劣。因此，優選εB作為不同混合料低溫性能對比的評價指標。

(3)橡膠混合料的低溫性能最優，SBS改性混合料次之，而普通混合料最差，這表明瀝青結合料類型對混合料低溫性能有顯著影響，其中橡膠和SBS改性瀝青及高標號石油瀝青能有效改善瀝青混合料的低溫性能。同時，粗集料含量較高的混合料及再生混合料也能獲得良好的低溫性能。

本研究主要對比評價了下面層AC-25瀝青混合料的低溫性能，后續有待進一步評價中、上面層瀝青混合料的低溫性能。