摘要：新疆地區(qū)夏季炎熱而冬季嚴(yán)寒，大溫差的氣候特點對新疆地區(qū)瀝青路面材料的綜合路用性能提出嚴(yán)苛的要求。為探究低標(biāo)號瀝青混合料在新疆地區(qū)作為良好筑路材料的可行性。本文分別從高溫抗車轍、中溫抗疲勞和低溫抗裂性能，研究了低標(biāo)號瀝青混合料綜合路用性能。具體選用30#、50#兩種低標(biāo)號瀝青和常規(guī)70#基質(zhì)瀝青以及SBS改性瀝青（SBSMA）制備瀝青混合料試樣進(jìn)行高?中?低溫路用性能試驗和對比分析。研究結(jié)果表明，30#和50#低標(biāo)號瀝青混合料展現(xiàn)出良好的高溫抗車轍性能，對于中?低溫抗裂性能，標(biāo)號越低負(fù)面的影響越大。然而，SBSMA瀝青混合料在高?中?低性能均展示了良好的性能。

關(guān)鍵詞：低標(biāo)號瀝青；瀝青混合料；大溫差；綜合路用性能

中圖分類號：U416.217""""""""""""""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A"""""""""""""""""""""""""""""""""" 文章編號：1673-6478（2023）05-0186-05

Investigation on Comprehensive Performance of Low?grade Asphalt Mixtures in Large?temperature?difference Region of Xinjiang

JIN Haiqiang， DANG Jiangtao

（The Third Engineering Branch of China Railway First Bureau Group， Baoji Shaanxi 721006， China）

Abstract： The extremely high and low temperatures in summer and winter respectively in Xinjiang region could require the extra high performance of asphalt road materials paved in this area. To investigate the possibility of applying the low?grade asphalt mixtures，produced in Xinjiang region，as high?performance road materials，the comprehensive performance was evaluated in terms of high，medium and low temperature performance. Two low?grade asphalt （30# and 50#） and one normal base binder （70#） as well as SBS modified asphalt （SBSMA） were selected to prepare the asphalt mixtures to characterize the high，medium and low temperature performance，among which each asphalt mixture sample’s performance was compared. The study results show that two low?grade asphalt mixtures exhibited a good high?temperature performance，while the low?grade asphalt binder would make an obvious negative effect on medium and low temperature performance. The mixtures produced with SBSMA exhibited well in all high，medium and low temperature performance.

Key words： low?grade asphalt; asphalt mixtures; large temperature difference; comprehensive road performance

0 引言

新疆地區(qū)年溫差和晝夜溫差大，因此在大溫差下具有良好路用性能的瀝青路面材料是決定新疆地區(qū)道路交通服務(wù)質(zhì)量和路面使用壽命的關(guān)鍵因素之一。瀝青作為一種典型的黏彈性材料，是介于“硬”固體材料和“流動”液體材料的軟體材料，其具有彈性變形能力，也兼?zhèn)淞鲃拥摹梆ば浴?[1?3]。然而，瀝青的粘彈力學(xué)性質(zhì)極大地受到外界溫度的影響。

外界溫度較高時，瀝青黏彈力學(xué)特性中的“黏”性比例升高，瀝青材料易于流動和變形。高溫變形中不可恢復(fù)變形的積累導(dǎo)致路面中產(chǎn)生宏觀的永久變形，即車轍?[4?6]。這種高溫下流動變形的特性不利于瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。當(dāng)外界環(huán)境溫度較低時，瀝青黏彈力學(xué)特性中的“彈”性占據(jù)主導(dǎo)地位，瀝青材料力學(xué)性質(zhì)由黏彈性向彈性固體材料轉(zhuǎn)變?[7?8]。此時，由于溫度降低帶來的體積收縮應(yīng)力是導(dǎo)致瀝青材料開裂的首要因素。此外，中溫條件下，重復(fù)荷載作用導(dǎo)致瀝青材料微裂縫的積累直至疲勞開裂?[9?10]。因此，在大溫差的新疆地區(qū)，瀝青路面材料應(yīng)同時具有良好高溫抗永久變形、中溫抗疲勞和低溫抗裂性能。

低標(biāo)號瀝青相對于普通的重交瀝青具有更高的黏度。有研究表明，30#低標(biāo)號瀝青60℃的表觀黏度是普通70#重交瀝青的5倍以上，且比SBS改性瀝青的黏度高?；趧討B(tài)剪切流變力學(xué)的研究表明，30#低標(biāo)號瀝青復(fù)數(shù)剪切模量（G*）是70#普通基質(zhì)瀝青的4倍及以上，且相位角（ ）小，顯示出其優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。低溫彎曲梁流變試驗（BBR）表明，30#低標(biāo)號瀝青低溫的變形能力略遜于70#基質(zhì)瀝青，其主要原因為低標(biāo)號瀝青中含有較多的瀝青質(zhì)，導(dǎo)致其低溫勁度較大和內(nèi)應(yīng)力松弛性能不足。疲勞因子和中溫間接拉伸研究結(jié)果表明，低標(biāo)號瀝青不會顯著降低瀝青路面的疲勞性能，而與普通基質(zhì)瀝青維持同一水平。

因此，本文采用新疆當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的克煉30#、50#兩種低標(biāo)號瀝青制備瀝青混合料，基于高溫車轍試驗、中溫半圓彎曲試驗（疲勞性能）和低溫小梁彎曲試驗（開裂性能）評價低標(biāo)號瀝青混合料的綜合路用性能，并與70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料做比較，分析低標(biāo)號瀝青綜合路用性能特點，探究其在新疆地區(qū)作為良好筑路材料的可行性。

1 材料和試驗

1.1 原材料

本文依托若羌至民豐高速公路建設(shè)項目，低標(biāo)號瀝青選用新疆塔河牌30#和50#兩種瀝青，此外塔河70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青被選為試驗對照組，四種瀝青的基本性質(zhì)見表1。

1.2 瀝青混合料材料組成

若羌至民豐高速公路將低標(biāo)號瀝青混合料用于下面層。因此，本文中所有瀝青混合料級配類型選擇為密集配AC?25型瀝青混合料，設(shè)計級配曲線如圖1所示。設(shè)計空隙率為4%，采用馬歇爾瀝青混合料設(shè)計方法，30#、50#、70#和SBS改性瀝青對應(yīng)混合料的最佳油石比分別為4.07%、4.10%、4.16%和4.14%。

1.3 高溫車轍試驗

瀝青混合料車轍試驗被用來評價低標(biāo)號瀝青混合料的高溫抗車轍性能。參考《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》（后文均簡寫為《規(guī)范》）對應(yīng)的T 0719—2011部分進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)瀝青混合料車轍試驗，試驗溫度選為60℃和70℃，試件尺寸為300mm 300mm 50mm，荷載重0.7kN，接觸應(yīng)力滿足0.7MPa 0.05MPa，行走速度為42次/min，行走距離230mm。瀝青混合料試件的動穩(wěn)定度按式（1）計?算。

式中， 為混合料的動穩(wěn)定度，次/mm； 為對應(yīng)于時間 的變形量，mm； 為對應(yīng)于時間 的變形量，mm； 和 一般取值為45min和60min； 為試驗機(jī)類型系數(shù)，本試驗為曲柄連桿驅(qū)動加載往返運行方式為1.0； 為試件系數(shù)，試驗室制備寬300mm的試件為1.0； 為試驗輪碾壓速度，通常為42次/min。

1.4 中溫疲勞試驗

采用重復(fù)半圓彎曲加載試驗評價低標(biāo)號瀝青的中溫抗疲勞開裂性能。試驗操作參考AASHTO TP105規(guī)范進(jìn)行。瀝青混合料經(jīng)旋轉(zhuǎn)壓實成型后，切除上下頂面，獲取厚度為50mm的圓盤，將圓盤對中切開便可獲得重復(fù)半圓彎曲試驗試樣。試件尺寸為直徑150mm、高度40mm的半圓形試件。多功能路面材料動態(tài)試驗系統(tǒng)（IPC global UTM?100）被用來對試件進(jìn)行動態(tài)加載，試驗開始前，需要測定試件的半圓彎曲極限破壞強(qiáng)度，采用應(yīng)力控制模式測定。疲勞加載的單次施加荷載的應(yīng)力比為極限破壞荷載的10%～40%，即應(yīng)力比為0.1～0.4。試驗溫度為20℃，以重復(fù)加載至試件完全破壞作為疲勞破壞壽命的標(biāo)準(zhǔn)。

1.5 低溫開裂試驗

低標(biāo)號瀝青混合料的低溫開裂性能采用小梁彎曲試驗進(jìn)行評價。試驗參考《規(guī)范》T 0715—2011進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)小梁彎曲試驗。UTM被用來對小梁進(jìn)行單點動態(tài)加載，荷載速率為50mm/min，小梁尺寸為250mm 30mm 35mm棱柱體，試驗溫度為 10℃。UTM試驗系統(tǒng)主機(jī)實時采集試驗過程中力?位移曲線。按式（2）～（6）可以計算出抗彎拉強(qiáng)度 、破壞后梁底最大彎拉應(yīng)變 、破壞時的彎曲勁度模量 和彎曲能密度 。

2 結(jié)果與討論

2.1 高溫抗車轍性能

低標(biāo)號瀝青混合料在高溫下抵抗永久變形能力用車轍試驗來量化表征。60℃和70℃下車轍試驗中輪跡處的車轍深度隨輪碾次數(shù)的發(fā)展曲線如圖2所示。

由圖2（a）可知所有樣品的車轍發(fā)育均包含兩個階段：后壓實和蠕變階段。在初期的后壓實過程中，各瀝青混合料樣品進(jìn)一步被壓實，初期車轍深度曲線斜率較高，發(fā)展速度較快。隨后進(jìn)入到蠕變階段，這是瀝青路面車轍形成的主要階段。在蠕變階段，SBSMA的車轍深度發(fā)育最為緩慢，表現(xiàn)出最佳的抗車轍能力，緊接著為30#、50#和70#其抗車轍性能依次減弱，尤其是70#其車轍深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他樣品?？傮w體現(xiàn)為瀝青黏度越大，其制備的瀝青混合料的抗車轍性能越優(yōu)異。

圖2（b）中車轍深度發(fā)展規(guī)律與（a）十分相似。但由于溫度進(jìn)一步升高至70℃，車轍深度隨輪碾次數(shù)發(fā)展得更為迅速，曲線的斜率更大，車轍較同期60℃下的深度也更大。同時也說明黏度較大瀝青制備而成的混合料擁有較好的高溫抗車轍性能的趨勢。

動穩(wěn)定次數(shù)可以更加準(zhǔn)確和直觀地評價高溫抗車轍性能，動穩(wěn)定度結(jié)果見圖3。動穩(wěn)定度結(jié)果進(jìn)一步證實了SBSMA優(yōu)異的抗車轍性能，由低標(biāo)號瀝青30#制備的樣品也表現(xiàn)出次最佳性能。

根據(jù)《新疆公路瀝青路面設(shè)計施工指導(dǎo)手冊》規(guī)定，上、中、下三個結(jié)構(gòu)層的動穩(wěn)定度DS要求不低于4000次/mm、2500次/mm、1500次/mm。因此，30#和50#低標(biāo)號瀝青的抗車轍性能能夠滿足中下結(jié)構(gòu)層的要求。

2.2 中溫抗疲勞性能

半圓彎曲試驗過程中裂縫的發(fā)育過程更加符合路面在含有微小裂紋時的疲勞裂縫發(fā)育過程，并且較之傳統(tǒng)的四點彎曲疲勞試驗，該試驗結(jié)果偏差較小。因此本文采用20℃下半圓彎曲試驗來評價瀝青混合料的中溫抗疲勞性能。由半圓彎曲試驗獲取的中溫疲勞壽命結(jié)果如圖4所示，其中應(yīng)力比有0.1、0.2、0.3和0.4四種水平，由此得到四種應(yīng)力比水平下的疲勞壽命。

首先可以看出，半圓彎曲試驗過程中加載的應(yīng)力水平對疲勞壽命有顯著影響，應(yīng)力比（試驗荷載與極限荷載的比值）越大，相應(yīng)的疲勞壽命越低，并且應(yīng)力水平導(dǎo)致的疲勞壽命的降低甚至超過材料的差異，這也反映了“超載”對于路面疲勞破壞的顯著影響。

對比同一應(yīng)力比水平下不同材料之間的疲勞壽命發(fā)現(xiàn)，與高溫抗車轍性能不同的是，瀝青結(jié)合料黏度越大相應(yīng)的疲勞壽命就越小。瀝青黏度（模量）越大導(dǎo)致疲勞性能降低的內(nèi)在機(jī)制是，低黏度瀝青中含有高比例的“易流動”的輕質(zhì)組分，這些輕質(zhì)組分能及時愈合疲勞初期的微裂縫，進(jìn)而使得材料整體的抗疲勞性能較為優(yōu)越。SBSMA則是個例外，其不僅黏度比所有基質(zhì)瀝青高，所有應(yīng)力水平下的疲勞壽命也是最大的。這說明SBS聚合物在瀝青內(nèi)部形成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不僅極大地提高了瀝青整體的黏度，同時有效抑制了疲勞初期微觀裂縫的產(chǎn)生，增強(qiáng)了瀝青體系的抗疲勞性能。

因此，對于基質(zhì)瀝青而言，黏度越高（標(biāo)號越低）意味更好的高溫性能，然而中溫性能則受到一定的負(fù)面影響。

2.3 低溫抗開裂性能

在 10℃下的小梁彎曲試驗獲取的彎拉強(qiáng)度、彎曲勁度模量、彎拉應(yīng)變和彎曲能密度四個參數(shù)被用來表征低標(biāo)號瀝青混合料的低溫抗裂性能，結(jié)果見圖5。

由圖5中結(jié)果可知，對于基質(zhì)瀝青而言，其黏度越大（標(biāo)號越低）越不利于瀝青混合料的低溫抗裂性能。當(dāng)瀝青較硬時，彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變和彎曲能密度均出現(xiàn)下降的趨勢。這表明低溫下，瀝青結(jié)合料越硬，越容易積聚更多的溫度收縮帶來的應(yīng)力，而變形能力（彎曲應(yīng)變）又下降，二者結(jié)合下便更容易發(fā)生開裂。對于SBS改性瀝青而言，其雖然黏度大，但依然具備優(yōu)異的低溫抗裂性能，這主要歸功于SBS聚合物在瀝青內(nèi)部形成了良好的3D網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，抑制了開裂的形成。

3 結(jié)論

（１）高溫車轍試驗得到的車轍發(fā)展曲線和動穩(wěn)定度結(jié)果表明，低標(biāo)號瀝青混合料的優(yōu)勢在于其良好的高溫抗車轍能力，30#和50#低標(biāo)號瀝青可以用于重交條件下的中、下面層。

（２）中溫疲勞試驗結(jié)果表明，瀝青混合料的疲勞壽命受到應(yīng)力水平的極大影響，甚至超過了材料類型對疲勞壽命的影響。而基質(zhì)瀝青黏度越大，抗疲勞性能相應(yīng)出現(xiàn)降低。因此，30#和50#低標(biāo)號瀝青抗疲勞性能劣于70#普通基質(zhì)瀝青。

（３）低溫開裂試驗結(jié)果表明，基質(zhì)瀝青標(biāo)號越低（黏度越大），低溫抗開裂性能越低。

綜上，在新疆等大溫差地區(qū)，低標(biāo)號瀝青的高溫性能能夠滿足要求，但對于中?低溫抗裂性能則需要進(jìn)一步提升。

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