高寒大溫差對瀝青及瀝青混合料性能的影響

曹海波，汪雙杰，朱洪洲

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

我國高寒大溫差地區(如青藏地區)具有海拔高、年平均氣溫低、溫差大、凍融循環嚴重等特點。受氣候因素影響，該地區瀝青路面病害頻發，使用壽命短，已嚴重制約了當地公路事業的發展。國內外很多學者針對溫度對瀝青和瀝青混合料性能影響開展了研究。J.E.KLIEWER等[1]認為瀝青和礦料作用及混合料類型對混合料性能均有影響；孫明志[2]分析了瀝青膜在凍融循環作用下性能的變化規律；唐佑綿等[3]通過室內試驗模擬極端溫度條件下瀝青結合料在老化前后的蠕變、流變特性，驗證了瀝青結合料的線黏彈性力學行為；韋佑坡等[4]利用彎拉強度試驗研究了瀝青混合料受級配、瀝青用量、溫度等因素影響的變化規律；劉勇等[5]研究了高寒條件下熱壓式瀝青混合料設計及性能；郭博等[6]開展了大溫差條件下瀝青混合料材料組成對其高低溫性能、水穩定性等性能的影響研究；易軍艷等[7]利用拉拔和小梁彎曲試驗對寒區樹脂瀝青的材料設計和性能進行了研究；彭水根[8]提出了滿足西藏地區高等級瀝青路面使用要求的瀝青種類選擇及混合料礦料級配范圍；郭韋韋等[9]通過劈裂試驗、小梁彎曲試驗、低溫收縮試驗，研究了不同時照的光老化對瀝青混合料低溫性能影響程度；張毅[10]分析了不同老化狀態下瀝青混合料的低溫抗裂性能；馬骉等[11]分析了瀝青種類、級配類型等對青藏高寒地區瀝青混合料水穩定性及高溫性能影響；毛雪松等[12]提出高海拔和低溫氣候是影響路面結構的關鍵因素，并對高寒高海拔地區路面典型結構適應性開展了研究。

總體而言，目前針對高寒、大溫差及降溫速率等因素綜合作用下瀝青和瀝青混合料性能的系統研究較少。筆者通過對高寒、大溫差條件進行模擬，對瀝青及瀝青混合料在這種條件作用下的路用性能變化規律進行研究，以期能為高寒高海拔地區瀝青路面優化設計提供參考。

1 原材料及試驗方案

1.1 原材料

結合我國高寒高海拔地區瀝青使用狀況，研究中采用90#基質瀝青、110#基質瀝青、SBS改性瀝青和SBR改性瀝青進行對比分析，瀝青具體技術指標見表1。

表1 瀝青技術指標實測值

粗集料采用玄武巖碎石，其主要技術指標見表2。細集料采用0～3 mm機制砂，填料采用石灰石礦粉，細集料及礦粉各項技術指標均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[13]要求。

表2 粗集料性能技術指標

1.2 級配設計

筆者選用AC-13、AC-16和SMA-13這3種瀝青混合料類型進行級配設計，見表3。

表3 瀝青混合料設計級配

選用90#基質瀝青、SBS改性瀝青制備瀝青混合料試件，通過馬歇爾試驗方法確定不同瀝青混合料的最佳油石比，得到基質瀝青AC-13、SBS改性AC-13最佳油石比分別為5.1%、5.2%；SBS改性AC-16最佳油石比分別為5.1%；SBS改性SMA-13最佳油石比為6.4%。

1.3 試驗方案

1.3.1 瀝青指標試驗

將不同瀝青試樣置于環境試驗箱中，選擇溫度范圍為-35～50 ℃，待箱內溫度到達50 ℃時，保持箱內溫度恒定1.5 h；設置降溫速率(0.5～1.5 ℃/min)降低環境試驗箱內溫度，待其降至-35 ℃，保持1.5 h；設置升溫速率(0.5～1.5 ℃/min)升高環境試驗箱內溫度，待其到達50 ℃時，保持箱內溫度恒定1.5 h；分別重復上述試驗步驟10、20、50次，進行瀝青3大指標、BBR和DSR試驗。

1.3.2 瀝青混合料約束試件溫度應力試驗

使用自增壓液氮罐進行降溫，降溫速率分別為5、10、15 ℃/h。試驗降溫最低達到-50 ℃，測試瀝青混合料的凍斷溫度、凍斷應力及轉化點溫度。

1.3.3 小梁低溫彎曲試驗

制備瀝青混合料小梁試件進行低溫彎曲試驗，試驗溫度分別為20、10、 0、-10、-20 ℃，試驗加載速率為50 mm/min，測試抗彎拉強度及最大彎拉應變。

1.3.4 凍融劈裂試驗

在進行標準凍融劈裂試驗基礎上，另選一組試件放置于-35 ℃的低溫條件下16 h，再放置于50 ℃恒溫環境24 h，往復不同次數循環，測試低溫劈裂抗拉強度和凍融劈裂試驗強度比。

2 瀝青性能影響

2.1 常規性能試驗

瀝青試樣在不同凍融循環次數及降溫速率條件下，測試了25 ℃針入度、軟化點和10 ℃延度(分別用A、B、C表示)，試驗結果見表4、表5。由表4、表5的試驗結果可看出：與原樣瀝青3大指標試驗數據相比，90#基質瀝青、110#基質瀝青、SBS改性瀝青和SBR改性瀝青的3大指標試驗數據變化幅度不大，變化率均小于3%，即在不同高低溫循環次數及不同降溫速率條件下，試驗前后瀝青性能基本不發生變化。這主要是因為瀝青在高低溫循環條件下，只是物理上的相態變化，其內部化學成分并不會發生轉移或改變。

表4 不同高低溫循環次數下瀝青3大指標試驗結果(降溫速率1.5 ℃/min)

表5 不同降溫速率條件下瀝青3大指標試驗結果(凍融循環20次)

2.2 瀝青流變性能試驗

筆者選擇110#瀝青制備試驗試樣，采用彎曲梁流變儀(BBR)測定瀝青高低溫循環后的彎曲勁度模量S和m值，試驗溫度為-15 ℃。

試驗測定110#基質瀝青經20、50次凍融循環前后的S和m，其試驗數據如表6。

表6 110#基質瀝青BBR試驗結果

由表6可知：分別經過20、50次高低溫循環后瀝青的勁度模量和蠕變速率相差極低，在考慮試驗過程中產生的誤差，可認為瀝青在經過高低溫循環后其低溫流變性能未發生變化。

2.3 動態剪切流變試驗

選擇110#瀝青制備試驗試樣，采用動態剪切流變儀(DSR)測定瀝青分別經過10、 20、 50次高低溫循環后的復數模量G*和相位角δ，計算車轍因子G*/sinδ。試驗中掃描溫度分別為46、 52、 58、 64 ℃，荷載作用頻率為ω=10 rad/s，采用應變控制模式，γ=12%。根據試驗結果繪制車轍因子與溫度的關系如圖1。

由圖1可看出：瀝青分別經過10、 20、 50次高低溫循環后，其車轍因子與原樣瀝青數據相比變化幅度極小，可認為經過高低溫循環后瀝青自身高溫流變性能未發生變化。

圖1 瀝青高低溫循環條件下車轍因子與溫度關系

3 瀝青混合料性能影響

3.1 低溫應力約束試驗(TSRST)

對基質瀝青AC-13、SBS改性AC-13、SBS改性AC-16、SBS改性SMA-13這4種瀝青混合料，分別按照5、10、15 ℃/h的降溫速率分3組進行約束試件溫度應力試驗，試驗結果如表7。

由表7可知：不同條件下瀝青混合料凍斷溫度、凍斷應力及轉化點溫度這3項指標總體趨勢相似。混合料類型對試驗結果存在顯著影響，SMA類瀝青混合料凍斷溫度低于AC類瀝青混合料，這是由于SMA瀝青混合料屬于骨架密實結構，既有一定數量的粗集料形成骨架結構，又有足夠的細集料填充到粗集料中間，瀝青用量高，因此較AC類瀝青混合料具有更優的低溫性能。瀝青類型對試驗結果有一定影響，基質瀝青的凍斷溫度要高于改性瀝青，這是因為改性瀝青相對基質瀝青黏度較大，在低溫條件下的韌性優于基質瀝青。降溫速率對凍斷溫度存在一定影響，但影響幅度較小。

表7 瀝青混合料約束試件溫度應力試驗結果

3.2 小梁低溫彎曲試驗

SBS改性AC-13、SBS改性AC-16及SBS改性SMA-13這3種瀝青混合料的低溫彎曲彎曲試驗結果如圖2～圖4。

由圖2～圖4可看出：這3種瀝青混合料荷載位移曲線形態相似。隨試驗溫度降低，抗彎拉強度先增大后減小，最大彎拉應力逐漸減小，破壞時最大拉應變SMA-13最大、AC-13其次、AC-16最小，表明瀝青混合料低溫性能SMA-13>AC-13>AC-16。

圖2 瀝青混合料荷載撓度曲線

圖3 不同溫度下瀝青混合料的抗彎拉強度

圖4 不同溫度下瀝青混合料的最大彎拉應變

3.3 凍融劈裂試驗

選用SBS改性AC-13瀝青混合料制備試樣，分5組進行試驗。第1組按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[14]中的方法及要求進行凍融劈裂試驗；第2組參照第1組試驗條件，并將冷凍溫度調整為-35 ℃；第3～5組按照文中1.3節設定的方案進行試驗，凍融循環次數分別為10、15、20次，試驗結果如表8。

表8 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由表8可知：與標準試驗條件相比，高寒試驗條件下瀝青混合料劈裂強度及凍融劈裂試驗強度比存在明顯降低；隨著凍融循環次數增加，劈裂強度及凍融劈裂試驗強度比逐步降低；試驗結果表明高寒大溫差條件對瀝青混合料劈裂抗拉強度及水穩定性能存在較為顯著影響。

4 結 論

筆者通過模擬高寒、大溫差條件，選取90#基質瀝青、110#基質瀝青、SBS改性瀝青和SBR改性瀝青共4種瀝青類型及AC-13、AC-16及SMA-13共3種瀝青混合料級配類型，對瀝青及瀝青混合料在高寒、大溫差、降溫速率等條件下的性能變化規律進行研究，得出如下結論：

1)4種瀝青在進行高低溫循環后其針入度、軟化點、延度、3大指標、高溫車轍因子、低溫勁度模量和蠕變速率等指標變化幅度很小，高寒大溫差條件對瀝青性能影響較小；

2)在高寒大溫差作用條件下，瀝青混合料類型對其路用性能存在顯著影響，SMA類瀝青混合料路用性能優于AC類瀝青混合料；

3)瀝青類型對瀝青混合料低溫性能存在顯著影響，改性瀝青混合料路用性能優于基質瀝青混合料；

4)高寒大溫差條件降低了瀝青混合料的劈裂強度及水穩定性。