基于半圓彎曲和間接拉伸試驗的瀝青混合料斷裂性能研究

談海斌

摘要 為揭示不同瀝青混合料在中溫條件下的斷裂性能，文章通過半圓彎曲和間接拉伸試驗對瀝青混合料斷裂性能展開了研究，從設(shè)計與生產(chǎn)的角度討論了熱拌與溫拌生產(chǎn)工藝、結(jié)合料類型、老化等因素對瀝青混合料斷裂性能的影響。結(jié)果表明：半圓彎曲試驗測得的臨界應(yīng)變能釋放率（Jc）值與間接拉伸試驗測得的韌性指標(biāo)值（TI）具有良好的相關(guān)性；結(jié)合料類型和老化對瀝青混合料斷裂性能有顯著影響；相對于常規(guī)瀝青混合料，聚合物改性瀝青混合料具有更強抗斷裂性能，老化降低了瀝青混合料的斷裂性能，但提高了瀝青混合料的強度；溫拌技術(shù)對所生產(chǎn)的瀝青混合料斷裂性能無明顯影響。

關(guān)鍵詞 道路工程；半圓彎曲試驗；間接拉伸試驗；瀝青混合料；斷裂性能

中圖分類號 U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0090-03

0 引言

中溫條件下，柔性路面最常見的破壞形式為疲勞開裂[1]，主要原因是重復(fù)的交通荷載作用。當(dāng)路面產(chǎn)生裂縫，水分的侵入使得裂縫最終形成坑洞，給行車帶來安全隱患。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者采用大量的力學(xué)試驗來表征瀝青混合料的疲勞開裂性能，主要有四點彎曲試驗[2]、半圓彎曲試驗[3]和間接拉伸試驗[4]等。

我國瀝青路面設(shè)計中，常采用四點彎曲疲勞試驗來評估瀝青混凝土疲勞開裂性能，但由于該試驗采用的梁試件尺寸較大，且耗時長[5]，因此在國外的瀝青混合料設(shè)計中很少采用該試驗方法。國外瀝青路面設(shè)計中常采用半圓彎曲試驗方法來評估瀝青混合料疲勞斷裂性能，該試驗采用旋轉(zhuǎn)壓實儀成型瀝青圓柱體試件，加載方式為通過設(shè)置恒定位移來控制荷載的逐級增加，直到試樣局部破壞[6-7]。此外，間接拉伸試驗最初是用來測試瀝青混合料在低溫下的蠕變和拉伸強度，由于試驗簡單性與可重復(fù)性，間接拉伸試驗也常被用于測定瀝青混合料在中溫下的斷裂性能，得到的斷裂性能可作為評估瀝青路面疲勞開裂性能的一個良好指標(biāo)。

1 試驗方法

1.1 間接拉伸試驗

1.2 半圓彎曲試驗

1.3 試驗方案

該研究考慮了生產(chǎn)工藝、結(jié)合料類型、老化與RAP含量四種影響因素對瀝青混合料斷裂性能的影響，其中生產(chǎn)工藝包括熱拌（HMA）與溫拌（WMA），瀝青結(jié)合料等級有PG 64-22、PG 70-22M和PG 76-22M，以及瀝青試件在試驗前是否經(jīng)過烘箱老化，RAP含量有15%、20%和30%三種。通過實驗室拌和（試件組Ⅰ和Ⅳ）與廠拌成型（試件組Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ）瀝青混合料試件，測試了86種瀝青混合料的斷裂性能，其中86種試件均進(jìn)行了半圓彎曲試驗，測試得到了Jc值，并對其中29種典型的瀝青混合料進(jìn)行了間接拉伸試驗，得到了強度值與TI值。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 半圓彎曲試驗與間接拉伸試驗結(jié)果關(guān)聯(lián)性分析

29種瀝青混合料在不同拌和成型方式下的Jc值、間接拉伸試驗的強度值和TI值相關(guān)關(guān)系如圖2所示。由圖2（a）和圖2（b）可得到無論是采用實驗室拌和還是廠拌法，Jc值大小與間接拉伸強度大小無關(guān)明顯的關(guān)系。但是由圖2（c）29種瀝青混合料的Jc值與TI值的擬合關(guān)系顯示，其相關(guān)系數(shù)R²為0.89，表明兩者之間具有一定的相關(guān)性。將29種瀝青混合料按實驗室拌和與廠拌分類時，實驗室拌和的瀝青混合料的Jc值與TI值相關(guān)性顯著提高，相關(guān)系數(shù)R²高達(dá)0.93（圖2（d）），而采用廠拌法成型的試件的試驗結(jié)果的相關(guān)性顯著降低，與Jc值和間接拉伸強度值之間的相關(guān)性差別不大（R²=0.64），這是由于大多數(shù)廠拌法成型的瀝青混合料多采用溫拌技術(shù)，而實驗室拌和成型的試件多采用熱拌工藝。

2.2 不同因素對瀝青混合料斷裂性能的影響

2.2.1 生產(chǎn)工藝對瀝青混合料斷裂性能的影響

圖3為熱拌瀝青混合料（HMA）和溫拌瀝青混合料（WMA）的斷裂指標(biāo)及變異系數(shù)值，圖3（a）對七組瀝青混合料的半圓彎曲試驗的Jc值進(jìn)行了比較，前兩組瀝青混合料（Ⅰ-64、Ⅰ-70）采用實驗室拌和成型，其余五組Ⅱ（1）、Ⅱ（2）、Ⅲ（1）、Ⅲ（2）、Ⅴ瀝青混合料采用廠拌法成型，其中Ⅰ-64為瀝青（PG 64-22）混合料，其余均為聚合改性瀝青（PG 70-22）混合料。圖3（b）和3（c）對廠拌瀝青混合料的間接拉伸強度與韌性指標(biāo)值進(jìn)行了比較。

由圖3可計算得知，HMA和WMA之間的Jc平均值差異不顯著，HMA和WMA之間的間接拉伸強度和TI值的差異也不顯著。因此可以得出，溫拌工藝不會對中溫下瀝青混合料的斷裂性能產(chǎn)生不利影響。

2.2.2 結(jié)合料類型對瀝青混合料斷裂性能的影響

不同結(jié)合料類型下瀝青混合料的斷裂指標(biāo)及變異系數(shù)值見圖4。圖4（a）為5組PG 64-22和PG 70-22瀝青混合料的Jc值，前兩組中還比較了PG 76-22瀝青混合料的Jc值，前四組瀝青混合料均在實驗室成型，最后一組采用廠拌法成型。圖4（b）和4（c）為不同結(jié)合料類型下瀝青混合料的間接拉伸強度和TI值。

由圖4可知，按PG等級分類的瀝青結(jié)合料對混合料的斷裂性能有明顯的影響，尤其當(dāng)對未改性的PG 64-22瀝青混合料和改性瀝青結(jié)合料的斷裂性能進(jìn)行比較時，其影響更加顯著。

3 結(jié)論

該研究通過半圓彎曲試驗和間接拉伸試驗測試了不同瀝青混合料的Jc、間接拉伸強度和TI值，以其作為瀝青混合料斷裂性能的評價指標(biāo)，從設(shè)計和生產(chǎn)方面分析了相關(guān)因素對瀝青混合料斷裂性能的影響。主要結(jié)論如下：

（1）半圓彎曲試驗測試得到的Jc值與間接拉伸試驗測得的TI值具有良好的相關(guān)性，在采用實驗室拌和方法成型的瀝青混合料中兩者的相關(guān)性更好。

（2）瀝青結(jié)合料類型和老化條件會影響瀝青混合料的斷裂性能，與未改性瀝青混合料相比，聚合物改性瀝青混合料呈現(xiàn)出更大的抗斷裂性能，老化降低了瀝青混合料的斷裂能，同時提高了其間接拉伸強度。

（3）溫拌工藝對瀝青混合料的斷裂性能不產(chǎn)生影響。

參考文獻(xiàn)

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