李曉瑩

（甘肅省白銀公路事業(yè)發(fā)展中心靖遠(yuǎn)公路段，甘肅靖遠(yuǎn)730600）

0 引言

現(xiàn)階段，困擾高速公路瀝青路面的頭號(hào)難題依然是路面開(kāi)裂。與低溫季節(jié)瀝青路面易發(fā)生脆裂相比，長(zhǎng)路齡路面近年來(lái)開(kāi)始呈現(xiàn)常溫季節(jié)開(kāi)裂的趨勢(shì)[1]。針對(duì)瀝青混合料的抗裂性能，小梁彎曲試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)及半圓彎曲試驗(yàn)（簡(jiǎn)稱(chēng)“SCB 試驗(yàn)”）均有其適用的場(chǎng)景[2]。與前兩種試驗(yàn)方法相比，SCB 試驗(yàn)具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，SCB 試驗(yàn)操作方法簡(jiǎn)單，便于重復(fù)性試驗(yàn)。其次，SCB 試驗(yàn)基于斷裂力學(xué)的研究方法，能夠更科學(xué)地解釋瀝青混合料的抗裂性能。斷裂力學(xué)理論指出，瀝青混合料的開(kāi)裂主要包括兩個(gè)階段，即裂縫的產(chǎn)生與裂縫的擴(kuò)展[3]。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料

選取兩種成品改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料。其一，某種硬質(zhì)瀝青，多用于易發(fā)生車(chē)轍的地區(qū)，簡(jiǎn)記為“Ⅰ瀝青”；其二，某高粘、高彈改性瀝青，其動(dòng)力黏度較大且變形能力較強(qiáng)，在高寒地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，簡(jiǎn)記為“Ⅱ?yàn)r青”。兩種改性瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 兩種改性瀝青基本技術(shù)指標(biāo)

使用的粗集料、細(xì)集料均為玄武巖，填料為石灰?guī)r礦粉。其中，SMA 混合料還需摻入一定量的纖維，其用量為混合料質(zhì)量的0.3%。

1.2 試件制備

選取兩種瀝青路面面層常用級(jí)配AC-13 與SMA-13，其不同篩孔的通過(guò)率均滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）要求。首先，使用馬歇爾法確定AC-13、SMA-13 混合料的最佳瀝青用量。其次，經(jīng)高溫拌和后，使用Superpave 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀，使之成為直徑150mm、高度180mm 的圓柱體瀝青混合料，脫模后放在室溫條件下至少養(yǎng)生2 天。再次，使用切割機(jī)沿高度方向切除圓柱體上、下表面各15mm 后，在高度方向?qū)ζ溥M(jìn)行三等分切割，從而得到3 個(gè)直徑150mm、高50mm 的小圓柱體試件。最后，使用小型切割機(jī)對(duì)半圓試件進(jìn)行預(yù)切縫處理，預(yù)切縫在矩形截面的中部位置，其深度為15mm[4]。

1.3 試驗(yàn)方法

借助萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行SCB 試驗(yàn)，試驗(yàn)的加載速率為50mm/min。為評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的中溫抗裂性能，試驗(yàn)溫度應(yīng)確定為25oC。試驗(yàn)開(kāi)始前，SCB 試件需在25oC 恒溫環(huán)境箱中至少保溫4h。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種改性瀝青混合料至少進(jìn)行4 組平行試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差，剔除離散程度較大的數(shù)據(jù)并補(bǔ)充平行試驗(yàn)，最終取有效數(shù)據(jù)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果[5]。

從強(qiáng)度、變形、能量三個(gè)角度，評(píng)價(jià)不同改性瀝青混合料的中溫抗裂性能。如圖1所示，強(qiáng)度評(píng)價(jià)指標(biāo)為峰值力Fmax，其定義為豎向加載力—位移曲線(xiàn)的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加載力；變形能力評(píng)價(jià)指標(biāo)為峰值位移Dp及破壞位移Dcf，DP為峰值力Fmax對(duì)應(yīng)的位移，Dcf為豎向加載力—位移曲線(xiàn)峰后部分豎向力為Fmax/2 時(shí)對(duì)應(yīng)的位移；能量指標(biāo)綜合考慮試件的受荷與變形能力，該次使用峰前斷裂能Gbf與峰后斷裂能Gaf分別評(píng)價(jià)改性瀝青混合料在裂縫產(chǎn)生前、后的抗裂性能，Gbf與Gaf的計(jì)算方法見(jiàn)式（1）～（5）。

圖1 SCB 試驗(yàn)豎向加載力－位移曲線(xiàn)示例圖

式（1）中：A為試件的中部連接面積，單位mm2；r 為試件半徑，單位mm；a為預(yù)切縫深度，單位mm；t為試件厚度，單位mm。式（2）中：Fb為試件峰前階段的豎向力，單位kN。式（4）中，F(xiàn)a為試件峰后階段的豎向力，單位kN。式（2）、式（4）中：u為試件的豎向位移，單位mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同改性瀝青混合料SCB 斷裂試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，分別從強(qiáng)度、變形能力及能量的角度進(jìn)行了具體分析。

表2 SCB 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 強(qiáng)度

圖2 為不同改性瀝青混合料SCB 斷裂試驗(yàn)峰值力的差異情況。由圖2 可知，無(wú)論級(jí)配類(lèi)型是AC-13 還是SMA-13，Ⅰ瀝青混合料的峰值力Fmax 均明顯大于Ⅱ?yàn)r青混合料。這表明，瀝青膠結(jié)料性質(zhì)對(duì)混合料的強(qiáng)度影響較為顯著。25oC 下Ⅰ瀝青的針入度遠(yuǎn)小于Ⅱ?yàn)r青，在一定程度上保證了中溫條件下Ⅰ瀝青混合料的強(qiáng)度更大，即硬質(zhì)瀝青混合料中溫條件下的強(qiáng)度明顯大于高粘、高彈改性瀝青混合料。此外，當(dāng)瀝青膠結(jié)料為Ⅰ瀝青時(shí)，AC-13 混合料的峰值力大于SMA-13 混合料；當(dāng)瀝青膠結(jié)料為Ⅱ?yàn)r青時(shí)，AC-13混合料的峰值力略小于SMA-13 混合料，這表明級(jí)配對(duì)改性瀝青混合料強(qiáng)度的影響相對(duì)較弱。

圖2 不同改性瀝青混合料SCB 試驗(yàn)峰值力指標(biāo)差異

2.2 變形能力

圖3、圖4 表示不同改性瀝青混合料在SCB 斷裂試驗(yàn)中的變形能力。由圖3 可知，在改性瀝青混合料開(kāi)裂的瞬間，SMA-13 級(jí)配的Ⅱ?yàn)r青混合料的位移明顯大于其余三種改性瀝青混合料，而AC-13 級(jí)配的Ⅱ?yàn)r青混合料的峰值位移最小。根據(jù)圖4 可知，進(jìn)一步跟蹤不同改性瀝青混合料產(chǎn)生裂縫之后的變形情況，發(fā)現(xiàn)同一級(jí)配的Ⅱ?yàn)r青混合料破壞位移均大于Ⅰ瀝青混合料。這表明在裂縫擴(kuò)展階段，高粘、高彈改性瀝青混合料擁有更好的變形能力。在瀝青膠結(jié)料相同的情況下，SMA-13 級(jí)配的改性瀝青混合料的破壞位移更大，即SMA-13 改性瀝青混合料在裂縫擴(kuò)展階段的變形能力略?xún)?yōu)于A(yíng)C-13。

圖3 不同改性瀝青混合料SCB 試驗(yàn)位移指標(biāo)差異峰值位移DP

圖4 不同改性瀝青混合料SCB 試驗(yàn)位移指標(biāo)差異破壞位移Dcf

2.3 斷裂能

圖5、圖6 分別為不同改性瀝青混合料在裂縫產(chǎn)生前及裂縫擴(kuò)展階段的斷裂能情況。由圖5 可知，同一級(jí)配Ⅰ瀝青混合料的峰前斷裂能均大于Ⅱ?yàn)r青混合料，主要原因是裂縫產(chǎn)生前Ⅰ瀝青混合料承受的加載力明顯大于后者，這表明，相同級(jí)配條件下，硬質(zhì)瀝青改性瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的性能優(yōu)于高粘、高彈改性瀝青混合料。從圖6 可以看出，從裂縫產(chǎn)生到裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段，相同級(jí)配條件下，雖然Ⅰ瀝青混合料峰值力相對(duì)較大，但Ⅱ?yàn)r青混合料帶裂縫的變形量更大.綜合兩個(gè)因素之后，Ⅱ?yàn)r青混合料的峰后斷裂能反而大于Ⅰ瀝青混合料，表明高粘、高彈改性瀝青混合料帶裂縫的工作能力強(qiáng)于硬質(zhì)瀝青混合料，即高粘、高彈改性瀝青混合料在中溫條件下，能夠保持更穩(wěn)定的延性破壞狀態(tài)。

圖5 不同改性瀝青混合料SCB 試驗(yàn)位移指標(biāo)差異峰前斷裂能Gbf

圖6 不同改性瀝青混合料SCB 試驗(yàn)斷裂能指標(biāo)差異峰后斷裂能Gaf

3 結(jié)論

該研究選取硬質(zhì)瀝青和高粘、高彈改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，探究了級(jí)配對(duì)混合料性能的影響，通過(guò)半圓彎曲試驗(yàn)研究了不同改性瀝青混合料在中溫條件下的抗裂性能，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：其一，與級(jí)配類(lèi)型相比，瀝青膠結(jié)料的種類(lèi)對(duì)改性瀝青混合料的強(qiáng)度影響更為顯著，且中溫條件下硬質(zhì)瀝青混合料的強(qiáng)度明顯大于高粘、高彈改性瀝青混合料。其二，相同級(jí)配條件下，高粘、高彈改性瀝青混合料在裂縫擴(kuò)展階段的變形能力優(yōu)于硬質(zhì)瀝青混合料；同一瀝青膠結(jié)料條件下，SMA-13 瀝青混合料在裂縫擴(kuò)展階段的變形能力優(yōu)于A(yíng)C-13 瀝青混合料。其三，相同級(jí)配條件下，硬質(zhì)瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的性能優(yōu)于高粘、高彈改性瀝青混合料；高粘、高彈改性瀝青混合料在中溫條件下，能夠保持更穩(wěn)定的延性破壞狀態(tài)。