謝 強(qiáng)

（中交第四航務(wù)工程局第一工程有限公司，廣東 廣州 510420）

1 引言

瀝青混合料的斷裂根據(jù)裂縫和施加荷載的形式可分為張開型斷裂、滑開型斷裂和撕開型斷裂，對(duì)于常見的張開型斷裂，相應(yīng)的試驗(yàn)方法有半圓彎曲試驗(yàn)、單邊開口梁斷裂試驗(yàn)、圓盤斷裂拉伸試驗(yàn)等，目前使用較多的為半圓彎曲試驗(yàn)，其中，Krans R L 等[1]首次將半圓彎曲試驗(yàn)引入到評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能中。錢國平等[2]利用單軸壓縮、彎曲、直接拉伸、劈裂試驗(yàn)研究不同受力模式下瀝青混合料的破壞差異，結(jié)果顯示不同受力模式下的強(qiáng)度由大至小的順序?yàn)榭箟簭?qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、直接拉伸強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。之后，研究人員利用半圓彎曲試驗(yàn)研究了加載速率等條件下瀝青混合料的斷裂韌性、斷裂能、斷裂曲線，并進(jìn)行了低溫?cái)嗔言u(píng)價(jià)和疲勞壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果顯示采用半圓彎曲試驗(yàn)?zāi)軌蛴行гu(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，且瀝青混合料的斷裂性能對(duì)加載條件較為敏感[3，4]。熊愛明等分析了斷裂韌性、斷裂能與切縫深度的關(guān)系，以及老化時(shí)間、空隙率等因素對(duì)瀝青混合料斷裂性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)瀝青經(jīng)歷的老化時(shí)間越長(zhǎng)，瀝青混凝土的空隙率越高，越容易引起開裂，摻加一定比例橡膠粉的瀝青混合料可提高抗裂性能，瀝青混合料的斷裂能指標(biāo)與對(duì)應(yīng)的瀝青低溫分級(jí)相關(guān)性最強(qiáng)，斷裂能最適合用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能[5，6]。

在后續(xù)的研究中，涉及了乳化瀝青冷再生混合料、溫拌膠粉改性瀝青混合料的低溫性能和開裂特性，研究結(jié)果顯示，摻加布敦巖瀝青對(duì)乳化瀝青冷再生混合料低溫抗裂性影響較小，摻加玄武巖纖維后降低了冷再生混合料低溫抗裂性；采用細(xì)觀指標(biāo)（開裂點(diǎn)處水平應(yīng)變、損傷因子）、宏觀力學(xué)指標(biāo)（斷裂能密度、蠕變應(yīng)變能密度）對(duì)老化前后溫拌膠粉改性瀝青混合料的抗裂性能分析的結(jié)論具有一致性[7，8]。在瀝青混合料的自愈合研究方面，朱洪洲等開展了瀝青混合料斷裂后的微波自愈合研究，闡釋了微波加熱時(shí)間、微波強(qiáng)度的增長(zhǎng)對(duì)開裂的瀝青混合料自愈合有促進(jìn)作用[9]。

結(jié)合已有研究，對(duì)于酸性集料片麻巖與復(fù)合改性瀝青制備的片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的斷裂性能研究尚未有報(bào)道。針對(duì)我國新疆地區(qū)大溫差、冬季干燥嚴(yán)寒的環(huán)境條件，本著因地制宜、就地取材的原則，利用酸性片麻巖集料制備瀝青混合料，考慮到片麻巖集料與瀝青的黏附性相對(duì)較差，在冬季寒冷的條件下，瀝青混凝土路面極易產(chǎn)生裂縫，影響行車的安全與舒適。因此，本文探索制備摻加抗剝落劑的片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料，提升酸性集料與瀝青的黏附性的同時(shí)，增強(qiáng)其低溫抗裂性能。采用半圓彎曲試驗(yàn)測(cè)試低溫條件下的破壞荷載和位移，計(jì)算片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎曲力、斷裂能、開裂阻力指數(shù)，評(píng)價(jià)片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的斷裂性能，以期為我國新疆冬季嚴(yán)寒干燥地區(qū)瀝青混合料的應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 原材料性質(zhì)及瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)

2.1 SBS改性瀝青及復(fù)合改性瀝青的性質(zhì)

本文所使用的瀝青為SBS改性瀝青，制備復(fù)合改性瀝青所使用的膠粉為塑化膠粉，該塑化膠粉的制備是通過把普通膠粉經(jīng)常壓塑化法加工而成，塑化膠粉粒徑為40目，摻量為SBS改性瀝青質(zhì)量的10%（外摻）。復(fù)合改性瀝青的制備流程如下：將一定質(zhì)量的SBS改性瀝青加熱至180℃，稱取相應(yīng)質(zhì)量的塑化膠粉，均勻加入SBS改性瀝青中，同時(shí)利用攪拌器以500r/min 的轉(zhuǎn)速進(jìn)行攪拌，塑化膠粉摻加結(jié)束后，采用高速剪切機(jī)以5000r/min的轉(zhuǎn)速剪切30min，最后加入抗剝落劑，緩慢攪拌和發(fā)育30min，即制備了復(fù)合改性瀝青。SBS改性瀝青和復(fù)合改性瀝青的測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 SBS和復(fù)合改性瀝青的性能指標(biāo)

由表1 可以看出，與SBS 改性瀝青的性能指標(biāo)相比，復(fù)合改性瀝青的針入度和延度減小，軟化點(diǎn)升高9.2%，黏度提升了2.75倍，說明塑化膠粉的摻加在一定程度上提升了瀝青的高溫性能，低溫性能受到負(fù)面影響，這是由于塑化膠粉在SBS 改性瀝青中溶脹，吸收了SBS改性瀝青中的部分輕質(zhì)組分，提高了塑化膠粉與改性瀝青的相互作用。此外，塑化膠粉是具有一定形狀形貌的顆粒材料，加入SBS改性瀝青中后改變其原有的結(jié)構(gòu)體系，影響了SBS 改性瀝青的均勻性，降低了復(fù)合改性瀝青的低溫性能。

2.2 集料的性質(zhì)

粗、細(xì)集料均為斜長(zhǎng)片麻巖，礦粉為石灰?guī)r研磨。集料及礦粉性能指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的技術(shù)要求。鑒于斜長(zhǎng)片麻巖的酸性性質(zhì)，與瀝青的黏附性需要加以考慮，為提升該酸性片麻巖集料與復(fù)合改性瀝青的黏附性，保證片麻巖集料與復(fù)合改性瀝青具有較強(qiáng)的界面作用，摻加復(fù)合改性瀝青質(zhì)量0.3%的非胺類抗剝落劑。

2.3 片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的配合比

選用級(jí)配類型為AC-16 型密級(jí)配，合成級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的級(jí)配

利用馬歇爾試驗(yàn)測(cè)定不同油石比條件下片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度、穩(wěn)定度、流值、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度等體積參數(shù)，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)圖2 中馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可得：OAC1=5.95%，OAC2=6%，OACmax=7%，OACmin=5%，最佳油石比OAC=（OAC1+OAC2）/2=5.975%，在滿足空隙率和礦料間隙率的條件下，最佳油石比取5.8%。

2.4 半圓彎曲試驗(yàn)的試件制備

根據(jù)設(shè)計(jì)的SBS 膠粉復(fù)合改性瀝青混合料配合比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算并備料，利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑150mm、高度150mm 且與馬歇爾試件等空隙率的圓柱形試件。鑒于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件上下接近表面的密實(shí)度、空隙結(jié)構(gòu)和分布與靠近試件中間部分存在差異，切掉試件上下2cm部分，以便保證試件整體結(jié)構(gòu)、性能等的一致性。從接近試件中部的位置切割直徑為150mm、厚度24.7mm的試件，對(duì)該試件沿直徑方向切割成對(duì)稱的半圓試件，對(duì)每個(gè)半圓形試件自圓心垂直于直徑方向切縫，縫的深度15 mm、寬度1.5mm。

3 基于半圓彎曲試驗(yàn)的結(jié)果與分析

目前主要采用單邊切口梁試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、圓盤拉伸試驗(yàn)、裂縫擴(kuò)展性能試驗(yàn)和半圓彎曲試驗(yàn)研究瀝青混合料的低溫?cái)嗔烟匦浴Ｆ渲?，單邊切口梁試?yàn)可以通過變化切口設(shè)置研究不同的斷裂模式，該試驗(yàn)的缺點(diǎn)為對(duì)于小梁來說，當(dāng)切口較深時(shí)試樣在自重作用下可能自行開裂；圓盤拉伸試驗(yàn)需要在圓形試件槽口的兩側(cè)設(shè)置加載孔，使斷裂面積最大化，降低因幾何形狀引起的測(cè)試結(jié)果可變性，但該試驗(yàn)的缺點(diǎn)也較為明顯，試件內(nèi)部應(yīng)力分布復(fù)雜，加載孔可能產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果失真，試件的制備較為復(fù)雜。

半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）是對(duì)帶有切縫的半圓形試件進(jìn)行三點(diǎn)加載，在試件的底部產(chǎn)生張力，從而使得裂紋沿試件底部向整個(gè)試件擴(kuò)展。該試驗(yàn)方法的試件制備簡(jiǎn)便，試件的獲取可通過試驗(yàn)室或現(xiàn)場(chǎng)取芯，試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，可重復(fù)性強(qiáng)。本文采用半圓彎曲試驗(yàn)測(cè)試片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的斷裂性能指標(biāo)，測(cè)試溫度為-15℃、-10℃和0℃，加載速率為1mm/min。半圓彎曲試驗(yàn)測(cè)試如圖3（a）所示，圖3（b）為試驗(yàn)結(jié)束后裂縫擴(kuò)展的路徑。為了表征位移隨施加荷載的變化，以-15℃為例，其荷載-位移曲線如圖4所示。

圖3 片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的半圓彎曲試驗(yàn)

圖4 三組溫度條件下的荷載-位移曲線

3.1 溫度對(duì)最大彎曲力的影響

溫度對(duì)瀝青混合料的性能影響顯著，一般來說，溫度越低，瀝青混合料的模量越大，瀝青混合料主要表現(xiàn)為彈性，易發(fā)生脆性斷裂，試驗(yàn)溫度越高，瀝青混合料表現(xiàn)為黏彈性，多發(fā)生韌性破壞。不同溫度下片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎曲力如圖5所示。

圖5 片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎曲力

由圖5 發(fā)現(xiàn)，最大彎曲力隨著溫度的升高而下降，溫度越低，最大彎曲力越大，與-15℃時(shí)片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎曲力相比，-10℃和0℃時(shí)的最大彎曲力分別降低了23.5%、24.2%。

3.2 基于斷裂能的抗裂性能

3.2.1 斷裂能

斷裂能為裂縫在試件中萌生、擴(kuò)展直至試件斷裂所需的功，以荷載-位移曲線下的面積表示，如圖6 所示。斷裂能能較好地模擬試件裂縫擴(kuò)展行為，反映瀝青路面的抗裂特性，斷裂能越大，則瀝青混合料的抗裂性能越好。斷裂能的計(jì)算見式（1）[10]。

圖6 斷裂能計(jì)算的典型荷載-位移曲線[10]

式中，Gf為斷裂能，J/m2；Wf為斷裂功，J，Wf=∫Pdu，P為施加荷載（N），u 為平均位移（m）；Alig為韌性區(qū)面積，m2，Alig=（r-a）·t，r 為試件半徑（m），t 為試件厚度（m），a為預(yù)切縫深度（m）。

根據(jù)式（1），通過對(duì)片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的荷載-位移曲線與X軸包圍的面積進(jìn)行積分，得到不同試驗(yàn)溫度條件下瀝青混合料的斷裂能，如圖7所示。

圖7 片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的斷裂能

由圖7 可知，片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的斷裂能隨著溫度的升高而減小，基本呈線性關(guān)系，與-15℃時(shí)片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的斷裂能相比，-10℃和0℃時(shí)的斷裂能分別下降了17.02%、51.86%。因此，溫度對(duì)具有黏彈塑性力學(xué)性質(zhì)的瀝青混合料性能的影響較大，并且說明溫度越低片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的抗裂性能越優(yōu)。

3.2.2 開裂阻力指數(shù)

溫度對(duì)瀝青混合料的模量影響較大，溫度降低后，模量迅速增大，該情況在部分脆性瀝青混合料中尤為明顯，反映在荷載-位移曲線上，荷載一旦達(dá)到峰值，試件即發(fā)生斷裂。為了克服上述情況引發(fā)的局限，Kaseer F[11]借鑒低溫圓盤拉伸試驗(yàn)提出了開裂阻力指數(shù)CRI作為半圓彎曲試驗(yàn)的斷裂參數(shù)，評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，其定義為總斷裂能除以最大彎曲力。開裂阻力指數(shù)CRI的計(jì)算見式（2）。

式中，Gf為斷裂能，J/m2；Pc為最大彎曲力，即峰值荷載，kN。

鑒于脆性瀝青混合料具有較高的剛度，比普通瀝青混合料承受更大的峰值載荷，并產(chǎn)生較小的開裂位移。因此，除了斷裂能Gf外，峰值載荷Pc也可用于區(qū)分瀝青混合料。具有較低Gf或較高Pc的瀝青混合料，其開裂阻力指數(shù)CRI 較低，若兩種瀝青混合料的Gf相近，則具有較高Pc脆性瀝青混合料的CRI 值小于具有較低Pc柔性瀝青混合料的CRI 值。較高的CRI 值表示瀝青混合料具有較好的抗裂性能，較低的CRI值則抗裂性能較差。片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料不同溫度條件下的開裂阻力指數(shù)如圖8所示。

圖8 片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的開裂阻力指數(shù)

由圖8發(fā)現(xiàn)，片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的開裂阻力系數(shù)隨著溫度的降低而增大，與0℃時(shí)片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的開裂阻力指數(shù)相比，-10℃和-15℃時(shí)的開裂阻力指數(shù)分別增加了2.25 倍、2.74 倍。因此，對(duì)于片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料來說，較低的溫度，使得其抗裂性能越好。

4 結(jié)語

①片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的最大彎曲力隨著溫度的升高而下降，溫度越高，最大彎曲力越小，施加較小的荷載，即可使得瀝青混合料發(fā)生斷裂。

②片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的斷裂能隨著溫度的升高而減小，基本呈線性關(guān)系。

③片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料的開裂阻力系數(shù)隨著溫度的降低而增大，溫度越高，其抵抗開裂的能力下降。

通過比較-15℃、-10℃和0℃的最大彎曲力、斷裂能和開裂阻力指數(shù)，片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料在低溫條件下能保持較好的抗裂性能。因此，本文所制備的片麻巖-復(fù)合改性瀝青混合料可用于我國冬季干燥、寒冷地區(qū)的瀝青混凝土路面。