王善興

(中國鐵建十八局集團(tuán)，河北 涿州 072750)

目前，針對瀝青路面低溫開裂問題，部分學(xué)者針對瀝青混合料低溫路用性能進(jìn)行了一定研究.崔亞楠[1]、劉沅[2]等研究發(fā)現(xiàn)膠粉改性瀝青混合料低溫抗裂性能良好，適合北方地區(qū)道路.王如先[3]研究發(fā)現(xiàn)天然瀝青改性90#基質(zhì)瀝青及混合料低溫性能滿足設(shè)計(jì)要求.樂金朝[4]等研究發(fā)現(xiàn)Sasobit改性劑可明顯改善瀝青混合料低溫性能，Sasobit改性劑最佳摻量為3.0%.張洋[5]等研究表明橡膠改性瀝青混合料低溫路用性能優(yōu)于SBS改性混合料.楊國明[6]等研究了不同型號SBS改性劑的改性瀝青低溫性能，發(fā)現(xiàn)線型SBS提升瀝青低溫性能顯著.龍新躍[7]等研究表明采用環(huán)氧樹脂∶固化劑為3:1、環(huán)氧體系∶基質(zhì)瀝青為45∶55制備的環(huán)氧瀝青混合料低溫路用性能最佳.傅珍[8]等研究表明增塑劑明顯提升瀝青混合料低溫柔韌性.以上研究主要對單一瀝青混合料進(jìn)行低溫性能研究，而不同瀝青之間組分存在部分差異，且礦料級配對瀝青混合料低溫性能產(chǎn)生較大影響.同時(shí)，瀝青混合料多采用小梁彎曲試驗(yàn)和凍融試驗(yàn)評價(jià)其低溫性能，對于約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)研究較少.另外，5℃延度與脆點(diǎn)評價(jià)瀝青低溫性能具有一定局限性[9-10]，而彎曲梁流變試驗(yàn)?zāi)芨梅磻?yīng)低溫環(huán)境下瀝青路面低溫性能變化.對此，基于現(xiàn)有瀝青及其混合料低溫性能研究成果，筆者采用彎曲梁流變試驗(yàn)、約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)系統(tǒng)研究了瀝青和級配類型對瀝青混合料低溫性能影響規(guī)律，并對瀝青和瀝青混合料低溫性能關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析.

1 原材料與研究方案

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青選用茂名70#、90#基質(zhì)瀝青，改性瀝青選用SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青，技術(shù)性質(zhì)見表1和表2.粗集料選用玄武巖，細(xì)集料選用機(jī)制砂，集料技術(shù)性質(zhì)見表3和表4.填料選用石灰?guī)r礦粉，技術(shù)性質(zhì)見表5.纖維選用玄武巖纖維，摻量為0.3%，技術(shù)性質(zhì)見表6.

表1 基質(zhì)瀝青技術(shù)性質(zhì)

表2 改性瀝青技術(shù)性質(zhì)

表3 粗集料技術(shù)性質(zhì)

表4 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

表5 礦粉技術(shù)性質(zhì)

表6 玄武巖纖維技術(shù)指標(biāo)

1.2 混合料配合比設(shè)計(jì)

分別設(shè)計(jì)AC-13和SMA-13兩種混合料級配，見表7.采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定混合料最佳瀝青用量，見表8.

表7 瀝青混合料試驗(yàn)級配

表8 瀝青混合料最佳瀝青用量

1.3 研究方案

結(jié)合當(dāng)前瀝青路面常用瀝青和混合料級配，研究瀝青和級配對瀝青混合料低溫抗裂性能影響規(guī)律.

(1)瀝青低溫性能

基于彎曲梁流變試驗(yàn)評價(jià)70#基質(zhì)瀝青、90#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青低溫性能.試驗(yàn)儀器采用彎曲梁流變試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度擬-5℃、-8℃、-10℃、-13℃、-15℃和-18℃.試件尺寸為127mm×6.35mm×12.7mm，試驗(yàn)前將試件放入已設(shè)置試驗(yàn)溫度的恒溫浴中，恒溫保持60±5min.每組試驗(yàn)采用兩個(gè)平行試件.

(2)瀝青混合料低溫性能

根據(jù)瀝青路面在低溫環(huán)境下受力狀態(tài)及破壞情況，選用約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)分析瀝青和混合料級配對瀝青混合料低溫抗裂性能影響規(guī)律.約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)采用APTTS材料試驗(yàn)機(jī)，擬試驗(yàn)初始溫度為20℃，降溫速率為10℃/h，試件尺寸為50mm×50mm×30mm；當(dāng)試驗(yàn)過程中試件斷裂，結(jié)束試驗(yàn).小梁彎曲試驗(yàn)采用萬能試驗(yàn)機(jī)UTM-100，擬試驗(yàn)溫度為-10℃、-20℃，加載速率為50mm/min，試件尺寸為250mm×30mm×35mm.

圖1 彎曲梁流變試驗(yàn)機(jī)

圖2 APTTS材料試驗(yàn)機(jī)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 瀝青低溫性能

四種瀝青彎曲梁流變試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4.圖中勁度模量和蠕變速率均為60s時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果.

圖3 不同溫度下的勁度模量

圖4 不同溫度下的蠕變速率

由圖3和圖4可知：

(1)隨試驗(yàn)溫度降低，四種瀝青勁度模量變化趨勢相近，勁度模量與試驗(yàn)溫度呈反相關(guān)，試驗(yàn)溫度越低，瀝青勁度模量越大.且任一試驗(yàn)溫度下，四種瀝青勁度模量均能滿足SHRP規(guī)范中勁度模量s≤300MPa的要求.同一試驗(yàn)溫度下，橡膠改性瀝青勁度模量最小，SBS改性瀝青次之，而70#基質(zhì)瀝青勁度模量最大且已發(fā)生低溫開裂，說明改性瀝青低溫性能良好.

(2)四種瀝青蠕變速率與試驗(yàn)溫度變化關(guān)系基本一致，蠕變速率與試驗(yàn)溫度呈正相關(guān)，試驗(yàn)溫度越低，瀝青蠕變速率越小.且SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青蠕變速率滿足SHRP規(guī)范中蠕變速率m≥0.3的要求，而基質(zhì)瀝青在-18℃時(shí)的蠕變速率不滿足要求.同一試驗(yàn)溫度下，SBS改性瀝青蠕變速率最小，橡膠改性瀝青次之，而90#基質(zhì)瀝青蠕變速率最大，說明改性瀝青具有良好的低溫抗裂性能，抗松弛能力強(qiáng).

(3)根據(jù)SHRP規(guī)范，可確定基質(zhì)瀝青與改性瀝青低溫等級分別為-22℃和-28℃.

2.2 瀝青混合料低溫性能

2.2.1 約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)

不同瀝青混合料約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果見下表9.

由上表9可知：

(1)相同試驗(yàn)條件下，瀝青混合料AC-13、SMA-13低溫?cái)嗔褱囟确秶謩e為-31℃～-26℃、-34℃～-27℃，且瀝青混合料SMA-13凍斷溫度均低于混合料AC-13凍斷溫度，混合料SMA-13凍斷應(yīng)力均大于AC-13凍斷應(yīng)力，說明級配SMA-13更有利于保證瀝青混合料低溫性能，而不同級配類型對瀝青混合料凍斷溫度和應(yīng)力影響存在差異，其中級配類型對SBS改性瀝青混合料影響顯著，相比于混合料AC-13，混合料SMA-13，凍斷溫度降低了9.1%、凍斷應(yīng)力提高了9.1%；級配類型分別為AC-13、SMA-13時(shí)，70#基質(zhì)瀝青混合料凍斷溫度與應(yīng)力均最低，且兩者凍斷溫度與應(yīng)力基本無變化.

(2)與相同級配類型的瀝青混合料相比，改性瀝青混合料低溫性能更優(yōu)，SBS改性瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度分別比70#基質(zhì)瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度降低了3.9℃、6.5℃，其凍斷應(yīng)力比70#基質(zhì)瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷應(yīng)力分別提高了11.1%和10.8%.

表9 瀝青混合料約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

2.2.2 小梁彎曲試驗(yàn)

不同瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)見表10和表11.

表10 瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果(-10℃)

表11 瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果(-20℃)

由表10和表11可知：

(1)相同級配類型和試驗(yàn)溫度下，改性瀝青混合料彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變均大于基質(zhì)瀝青混合料，其中SBS改性瀝青混合料彎拉應(yīng)變最大，70#基質(zhì)瀝青混合料彎拉應(yīng)變最小，說明改性瀝青混合料低溫抗裂性較優(yōu).另外，SBS改性瀝青混合料AC-13、SMA-13彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變至少分別提高8.4%和9.6%.

(2)試驗(yàn)溫度為-10℃時(shí)，基質(zhì)(改性)瀝青混合料滿足高等級瀝青路面低溫性能要求，而試驗(yàn)溫度變?yōu)?20℃后，70#基質(zhì)瀝青混合料AC-13不滿足瀝青路面低溫性能要求，且同類型瀝青混合料彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變至少分別降低7.9%、18.2%.這是因?yàn)闇囟冉档停瑸r青抗變形能力降低，導(dǎo)致瀝青混合料脆性增加、低溫性能降低.

2.3 瀝青關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析法(Grey Relational Analysis)是灰色系統(tǒng)分析方法的一種.是根據(jù)因素之間發(fā)展趨勢的相似或相異程度，亦即“灰色關(guān)聯(lián)度”，作為衡量因素間關(guān)聯(lián)程度的一種方法，灰色系統(tǒng)理論提出了對各子系統(tǒng)進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析的概念，意圖透過一定的方法，去尋求系統(tǒng)中各子系統(tǒng)(或因素)之間的數(shù)值關(guān)系.因此，可基于灰色關(guān)聯(lián)度理論，以瀝青混合料凍斷溫度為參考數(shù)列，對不同試驗(yàn)溫度下的瀝青蠕變速率及瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果與瀝青混合料凍斷溫度進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析，關(guān)聯(lián)度見表12和表13.

表12 瀝青與瀝青混合料AC-13試驗(yàn)結(jié)果

表13 瀝青與瀝青混合料SMA-13試驗(yàn)結(jié)果

由表12～表13可知，各類瀝青混合料彎拉強(qiáng)度與凍斷溫度關(guān)聯(lián)性最好，關(guān)聯(lián)度均在0.85以上；其次為-10℃下的蠕變速率，關(guān)聯(lián)度均在0.75以上，這說明采用-10℃下的蠕變速率可以很好地表征瀝青混合料的低溫性能，建議采用-10℃下的蠕變速率表征瀝青混合料低溫路用性能.另外，相同試驗(yàn)溫度下的瀝青蠕變速率與瀝青混合料AC-13凍斷溫度的關(guān)聯(lián)度均大于瀝青蠕變速率與瀝青混合料SMA-13凍斷溫度的關(guān)聯(lián)度，說明瀝青蠕變速率能更好地表征瀝青混合料AC-13低溫性能.

3 結(jié)論

通過對基質(zhì)瀝青和改性瀝青及其混合料AC-13、SMA-13的低溫性能進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)基質(zhì)瀝青和改性瀝青的勁度模量與溫度呈負(fù)相關(guān)、蠕變速率與試驗(yàn)溫度呈正相關(guān)，且任一試驗(yàn)溫度下，SBS改性瀝青和橡膠改性瀝青的勁度模量、蠕變速率均滿足SHRP規(guī)范要求.同一試驗(yàn)溫度下，橡膠改性瀝青勁度模量最小，SBS改性瀝青蠕變速率最小.另外，根據(jù)SHRP規(guī)范確定基質(zhì)瀝青與改性瀝青低溫等級分別為-22℃和-28℃.

(2)同一試驗(yàn)條件下，瀝青和級配類型對瀝青混合料影響存在差異.相比于混合料AC-13，混合料SMA-13凍斷溫度降低了9.1%、凍斷應(yīng)力提高了9.1%，70#基質(zhì)瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度與應(yīng)力基本無變化；SBS改性瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度分別比70#基質(zhì)瀝青混合料AC-13、SMA-13凍斷溫度降低了3.9℃、6.5℃，且凍斷應(yīng)力分別提高了11.1%和10.8%；同類型瀝青混合料SMA-13比AC-13彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變至少分別提高8.4%和9.6%；試驗(yàn)溫度從-10℃降至-20℃，同類型瀝青混合料彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變至少分別降低7.9%、18.2%.

(3)各類瀝青混合料彎拉強(qiáng)度與凍斷溫度關(guān)聯(lián)性最好，-10℃下的蠕變速率與瀝青混合料凍斷溫度關(guān)聯(lián)度均在0.75以上，且相同試驗(yàn)溫度下的瀝青蠕變速率與瀝青混合料AC-13凍斷溫度的關(guān)聯(lián)度均大于瀝青蠕變速率與瀝青混合料SMA-13凍斷溫度的關(guān)聯(lián)度.建議采用-10℃下的蠕變速率表征瀝青混合料低溫路用性能.