薛 琳

(河北省高速公路京衡管理處， 河北 石家莊 052260)

高寒地區(qū)瀝青混合料的彎拉特性試驗(yàn)研究

薛 琳

(河北省高速公路京衡管理處， 河北 石家莊 052260)

研究了高寒地區(qū)瀝青混合料的彎拉特性。基于AC-13、AC-16、SMA-16這3種級(jí)配，通過彎曲試驗(yàn)研究了不同溫度下，不同油石比對(duì)瀝青混合料彎曲特性的影響。研究表明：瀝青混合料彎拉特性與試驗(yàn)溫度、油石比和級(jí)配直接相關(guān)，隨著試驗(yàn)溫度的增加，瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度先增大后降低，彎拉應(yīng)變?cè)龃?，勁度模量降低，在高寒地區(qū)瀝青混合料路面面層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮常年低溫的氣候條件對(duì)瀝青混合料實(shí)際彎拉特性的影響；在馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比條件下適當(dāng)提高瀝青的用量，采用粒徑較大的級(jí)配有利于提高瀝青混合料的低溫抗裂能力。

瀝青混合料； 高寒地區(qū)； 彎拉特性； 溫度； 油石比

0 引言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步深化，高原地區(qū)高速公路發(fā)展迅速。由于高原地區(qū)的氣候條件比較特殊，公路常年處于強(qiáng)紫外線輻射、低溫凍融的惡劣環(huán)境中，因此許多路段在遠(yuǎn)沒有達(dá)到設(shè)計(jì)年限時(shí)就出現(xiàn)大量裂縫[1-3]。積雪融水通過裂縫滲進(jìn)路基產(chǎn)生凍融破壞，致使路面出現(xiàn)翻漿、掉粒、坑槽等破壞現(xiàn)象，影響道路的正常使用。為了防止高原地區(qū)公路出現(xiàn)早期破壞，研究適用于高寒地區(qū)公路工程的瀝青混合料是非常有必要的。

目前，瀝青混合料路面常用的設(shè)計(jì)參數(shù)是15 ℃下混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度或者是15 ℃到20 ℃之間的抗壓模量，這些參數(shù)主要適用于普通環(huán)境條件下的路面設(shè)計(jì)，對(duì)于高原地區(qū)則具有較大的局限性[4-6]。在高寒地區(qū)，瀝青混合料路面主要破壞原因是路面的彎拉強(qiáng)度不足導(dǎo)致的，因此混合料的彎拉特性是高寒地區(qū)瀝青路面設(shè)計(jì)首要考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)。文章通過彎曲試驗(yàn)，研究了混合料級(jí)配、試驗(yàn)溫度、油石比這3個(gè)因素對(duì)瀝青混合料彎拉特性的影響，為此類地區(qū)瀝青路面設(shè)計(jì)參數(shù)的選取提供參考。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

1.1 原材料及性能指標(biāo)

本試驗(yàn)瀝青采用的是在高寒地區(qū)常用的SBS改性瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)類別針入度(25℃，100g，5s)/(01mm)軟化點(diǎn)/℃延度(5cm/min，5℃)/cm閃點(diǎn)/℃RTFOT后質(zhì)量損失/%實(shí)測(cè)值669590>100297038技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)600～800≥460>100≥2600±08

集料為粒徑10～15 mm、5～10 mm及3～5 mm的花崗巖碎石和機(jī)制砂，礦料堅(jiān)硬、清潔、無風(fēng)化，填料為礦粉。按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》測(cè)定，集料的各項(xiàng)指標(biāo)均符合其技術(shù)要求。

1.2 礦料級(jí)配

試驗(yàn)瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配包括3種，分別是AC-13 、AC-16 、SMA-16， 其級(jí)配組成見表2。

1.3 試驗(yàn)方法

通過LHCX-1液壓車轍試件成型機(jī)制作尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍試件，用水切法切割成30 mm ×35 mm×250 mm的小梁試件，

表2 合成級(jí)配級(jí)配類型通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%19161329547523611806030150075AC-1310010095076553237026519016510260AC-161009528867256084053152101359452SMA-161009568146023061861721051127593

在目標(biāo)溫度下采用萬能壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，試驗(yàn)加載速率為50 mm/min 。數(shù)據(jù)的采集通過計(jì)算機(jī)所獲得，根據(jù)最大壓力值計(jì)算最大彎拉強(qiáng)度、最大彎拉應(yīng)變與勁度模量。加載裝置及破壞的試件如圖1所示。

a) 加載裝置 b) 試件破壞后的狀態(tài)

2 溫度影響分析

基于AC-16連續(xù)密級(jí)配，通過馬歇爾試驗(yàn)，確定最佳油石比為5.0%，在此情況下進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為-25 ℃、-15 ℃、0 ℃、15 ℃、25 ℃共5種，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)瀝青混合料彎拉特性的影響

由圖2可知，隨著溫度的升高，瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度先增大，溫度在-15 ℃時(shí)取得最大值，而當(dāng)溫度大于-15 ℃時(shí)彎拉強(qiáng)度逐漸降低，且降低幅度遠(yuǎn)大于-15 ℃之前的增加幅度；瀝青混合料的彎拉應(yīng)變與溫度正相關(guān)，變化趨勢(shì)大致呈“S”型，-15 ℃是一個(gè)拐點(diǎn)，低于此溫度時(shí)，彎拉應(yīng)變的變化幅度較小，高于此溫度時(shí)，彎拉應(yīng)變迅速增大，到15～25 ℃逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；瀝青混合料的勁度模量與試驗(yàn)溫度負(fù)相關(guān)，隨著溫度的升高，勁度模量呈下降趨勢(shì)，其中在0～-15 ℃區(qū)間時(shí)變化的速率較大。

瀝青混合料中集料受到溫度的影響有限，不同溫度下集料的力學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定，而瀝青作為一種粘彈性材料，溫度的變化將直接影響著瀝青的黏性，而瀝青混合料的彎拉特性微觀上又主要是受到瀝青與集料之間的粘聚力影響。溫度升高時(shí)，瀝青的黏性逐漸減小，瀝青的勁度模量逐漸減小，隨之瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度逐漸降低，彎拉應(yīng)變逐步增大，勁度模量降低。由此可知，在高寒地區(qū)瀝青混合料路面面層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮常年低溫的氣候條件對(duì)瀝青混合料實(shí)際彎拉特性的影響。

3 油石比影響分析

基于AC-16連續(xù)密級(jí)配，在最佳油石比5.0%上下分別調(diào)整0.5%的幅度，形成4.5%、5.0%、5.5%這3種油石比進(jìn)行低溫彎曲對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度按照相關(guān)規(guī)程要求，選用-10 ℃，瀝青采用SBS改性瀝青，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 油石比對(duì)瀝青混合料彎拉特性的影響

由圖3可知，瀝青混合料彎拉強(qiáng)度隨著油石比的變化而變化，當(dāng)油石比為5.0%時(shí)彎拉強(qiáng)度達(dá)到最大值12.4 MPa；油石比的增大導(dǎo)致瀝青混合料的彎拉應(yīng)變?cè)龃?，勁度模量降低，且油石比?.5%到5.0%之間時(shí)，兩者變化的趨勢(shì)比較明顯，油石比在5.0%到5.5%之間時(shí)瀝青混合料的彎拉應(yīng)變與勁度模量趨于穩(wěn)定。

瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度主要與瀝青與級(jí)配集料之間的粘結(jié)力、集料之間的嵌擠作用直接相關(guān)，且當(dāng)混合料內(nèi)部有自由瀝青時(shí)，自由瀝青的粘聚力也是重要支撐。在-10 ℃的低溫條件下，級(jí)配固定時(shí)，集料的嵌擠作用是不變的，此時(shí)瀝青的粘結(jié)作用是影響瀝青混合料彎拉特性的可變因素。當(dāng)油石比較小時(shí)，瀝青混合料中瀝青比較少，不能對(duì)集料進(jìn)行有效的粘聚，此時(shí)其彎拉特性比較差；隨著油石比的增大，瀝青在集料之間逐漸形成瀝青薄膜并對(duì)集料進(jìn)行包裹，混合料內(nèi)部的粘聚力也逐漸達(dá)到最佳狀態(tài)，宏觀上，瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變逐漸增大，在超過最佳油石比后，瀝青混合料內(nèi)部瀝青含量已經(jīng)足夠與集料進(jìn)行結(jié)合，此時(shí)內(nèi)部出現(xiàn)自由瀝青，這些瀝青在包裹有瀝青的集料之間產(chǎn)生了“推擠”作用，間接上具有一定程度上的潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致集料在外部荷載作用下位移增大，粘聚力降低，宏觀上瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度降低，而彎拉應(yīng)變進(jìn)一步增大，此時(shí)瀝青混合料的剛性降低，柔性升高。由上可知，瀝青混合料油石比增大至最佳值5.0%時(shí)，混合料的彎拉強(qiáng)度增大，彎拉應(yīng)變也增大，勁度模量降低，此時(shí)瀝青混合料具有較大的抗裂抗彎能力；但是油石比繼續(xù)增大時(shí)，混合料的彎拉強(qiáng)度降低，彎拉應(yīng)變?cè)龃螅藭r(shí)瀝青混合料的抗變形能力繼續(xù)增加，但是力學(xué)特性較差，其抗車轍能力、抗水損害能力可能出現(xiàn)下降，在進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮。

高寒地區(qū)氣溫常年較低，在進(jìn)行瀝青混合料路面設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)是低溫抗裂能力，高溫條件下的抗車轍能力等為次要考慮因素，所以應(yīng)在馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比條件下適當(dāng)提高瀝青的用量，有利于進(jìn)一步改善瀝青混合料的低溫抗裂能力。

4 級(jí)配影響分析

除了溫度與瀝青用量的因素，瀝青混合料的級(jí)配也對(duì)混合料的彎拉特性具有較大的影響。為了選取合適的級(jí)配，考慮最大公稱粒徑及級(jí)配類型對(duì)混合料彎拉特性的影響，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了AC-13、AC-16連續(xù)密級(jí)配與SMA-16改性瀝青瑪蹄脂級(jí)配3種級(jí)配進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，其中試驗(yàn)溫度為-10 ℃，油石比為5.0%，低溫彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

由表3可知，公稱最大粒徑為16 mm的AC-16、SMA-16級(jí)配與公稱最大粒徑為13 mm的AC-13級(jí)配相比，其彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變均明顯較大，勁度模量較低，說明前者具有較好的低溫彎曲性能；而SMA-16級(jí)配與AC-16級(jí)配相比，最大彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變分別提高了約1.6%、5.3%，勁度模量降低了約3.5%。

表3 不同級(jí)配瀝青混合料彎拉試驗(yàn)結(jié)果級(jí)配彎拉強(qiáng)度/MPa彎拉應(yīng)變勁度模量/MPaAC-131142920με3904AC-161263705με3400SMA-161283900με3282

由上可知，最大公稱粒徑較大的級(jí)配，集料級(jí)配相對(duì)較粗，集料相對(duì)比表面積較小，同等瀝青含量下集料上瀝青包裹的更為密實(shí)，粘聚力更好，因此其低溫彎拉特性比較好。相對(duì)于連續(xù)密級(jí)配，改性瀝青瑪蹄脂級(jí)配對(duì)混合料低溫彎拉特性提高的程度有限。

5 結(jié)語

1) 瀝青混合料彎拉特性與試驗(yàn)溫度、油石比與級(jí)配直接相關(guān)，隨著試驗(yàn)溫度的增加，瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度逐漸降低，彎拉應(yīng)變?cè)龃螅瑒哦饶Ａ拷档?，在高寒地區(qū)瀝青混合料路面面層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮常年低溫的氣候條件對(duì)瀝青混合料實(shí)際彎拉特性的影響。

2) 在馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比條件下適當(dāng)提高瀝青的用量，采用粒徑較大的級(jí)配有利于瀝青混合料的低溫抗裂能力。

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1008-844X(2016)04-0049-03

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