卜春鋒

（河南中平交科研究設(shè)計(jì)院有限公司， 河南 平頂山467000）

0 引言

澆注式瀝青混合料具有良好的密實(shí)、 防水、耐久及抗變形等性能， 故廣泛應(yīng)用于我國(guó)鋼橋面鋪裝工程之中［1-2］。 當(dāng)澆注式瀝青混合料用于低溫地區(qū)鋼橋面鋪裝工程時(shí)， 首先需要考慮其低溫穩(wěn)定性能是否符合使用要求， 由于我國(guó)北方地區(qū)的交通、 氣候條件較為復(fù)雜， 使得一些澆注式瀝青混合料鋼橋面鋪裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)早期開裂、 維修養(yǎng)護(hù)嚴(yán)重等難題， 因此如何改善低溫地區(qū)澆注式瀝青混合料的使用性能成為了重要課題［3-5］。 纖維是一種優(yōu)良的穩(wěn)定劑型材料， 在改善瀝青混合料抗開裂、 抗變形性能等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)， 近年來纖維澆注式瀝青混合料逐漸得到推廣與應(yīng)用， 但關(guān)于其在低溫地區(qū)的低溫穩(wěn)定性方面的研究較為欠缺［6-8］。 基于此， 本文選擇了基質(zhì)、 SBS、 澆注式及纖維澆注式瀝青混合料為研究對(duì)象， 針對(duì)不同低溫情況下的各瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)、 低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)以及低溫劈裂試驗(yàn)， 詳細(xì)探討了低溫地區(qū)纖維澆注式瀝青混合料的低溫性能及評(píng)價(jià)指標(biāo)， 旨為低溫地區(qū)同類橋面鋪裝纖維澆注式瀝青混合料的施工應(yīng)用提供重要參考。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

瀝青選用SBS 改性瀝青與TLA 復(fù)配的混合瀝青（質(zhì)量比為60： 40）、 普通基質(zhì)瀝青以及5%SBS 改性瀝青， 其中混合瀝青的性能指標(biāo)如表1 所示； 粗集料采用3～5 mm 和5～10 mm 的玄武巖碎石， 細(xì)集料采用0～3 mm 的石灰石機(jī)制砂， 粗細(xì)集料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》 的要求； 礦粉采用無團(tuán)粒結(jié)塊的石灰石粉， 其技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。 纖維選用木質(zhì)素纖維（LF）、 玄武巖纖維（BF）、 聚酯纖維（PF）， 三種不同性質(zhì)纖維的技術(shù)指標(biāo)如表3 所示。

表1 瀝青結(jié)合料的性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of asphalt binder

表2 礦粉的性能指標(biāo)Table 2 Performance indexes of mineral powder

表3 三種纖維的性能指標(biāo)Table 3 Performance indicators of the three fibers

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

瀝青混合料的礦料級(jí)配設(shè)計(jì)如表4 所示。 澆注式瀝青混合料按照級(jí)配設(shè)計(jì)與初擬油石比在室內(nèi)成型試件， 然后對(duì)成型試件的劉埃爾流動(dòng)度（240 ℃）、 貫入度 （60 ℃） 及彎曲極限應(yīng)變（-10 ℃）等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試（見表5）， 同時(shí)確定出最佳油石比為7.8%。

表4 瀝青混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)Table 4 Grade design of asphalt mixture material

表5 澆注式瀝青混合料的性能測(cè)試結(jié)果Table 5 Performance test results of poured asphalt mixture

1.3 試驗(yàn)方法

按照標(biāo)準(zhǔn)號(hào)和名稱對(duì)調(diào)JTG F40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》、 JTG E20-2011 《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》 和JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》 中推薦的低溫小梁彎曲、 低溫劈裂及低溫彎曲蠕變等試驗(yàn)方法， 分別對(duì)基質(zhì)瀝青、 改性瀝青、 澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能展開系統(tǒng)測(cè)試， 其中小梁彎曲試驗(yàn)和彎曲蠕變?cè)囼?yàn)均采用50 mm／min 的加載速率進(jìn)行單點(diǎn)加載， 兩者的試件尺寸分別為250 mm×30 mm×35 mm、300 mm×300 mm×50 mm； 劈裂試驗(yàn)采用1 mm／min的加載速率進(jìn)行等應(yīng)變加載， 試件尺寸采用標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件。 試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃四種寒冷溫度， 三種纖維的摻量參考文獻(xiàn)［9-12］分別設(shè)計(jì)為4%、 6%、 8%， 為了便于表述， 試驗(yàn)將不同瀝青混合料分為JZ （基質(zhì)瀝青）、 SBS （改性瀝青）、 JZS （澆注式瀝青）、 LFJZS （木質(zhì)素纖維澆注式瀝青）、 BF-JZS （玄武巖纖維澆注式瀝青）、 PF-JZS （聚酯纖維澆注式瀝青）六組， 針對(duì)低溫地區(qū)不同瀝青混合料的低溫抗裂性能展開系統(tǒng)研究。

2 低溫抗裂性試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)中的勁度模量指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂性能， 勁度模量表征著瀝青混合料的柔韌性能， 其值越大則表明低溫抗裂性能越差［13-14］。 通過對(duì)瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗(yàn)， 得到不同溫度下的低溫勁度模量變化規(guī)律如圖1 所示。

圖1 低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Results of low-temperature trabecular bending test

根據(jù)圖1 可知， 隨著溫度的降低， 不同瀝青混合料的勁度模量均呈逐漸增大變化趨勢(shì)， 說明了溫度越低瀝青混合料的低溫抗裂性能表現(xiàn)越差，原因是瀝青混合料隨溫度的降低逐漸變硬， 其力學(xué)性能也由黏彈性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化成彈塑性狀態(tài)，致使瀝青混合料的柔韌性被削弱， 故低溫抗裂性能下降。 在相同低溫情形下， 不同瀝青混合料的勁度模量從大到小依次均為： JZ＞SBS＞JZS＞PFJZS＞LF-JZS＞BF-JZS， 表明基質(zhì)瀝青混合的低溫抗裂性能最差， 其次為SBS 改性瀝青混合料， 而澆注式及纖維澆注式瀝青混合料則較優(yōu)； 對(duì)于纖維澆注式瀝青混合料而言， 3 種纖維的摻入均能有效提升澆注式混合料的低溫抗裂性能， 原因是澆注式瀝青混合料的膠漿外存在較多的自由瀝青，而纖維的摻入吸收了一部分自由瀝青， 致使骨料間的滑移約束增大， 故荷載與低溫耦合作用下瀝青混合料的低溫抗裂性能增強(qiáng)； 3 種纖維澆注式瀝青混合料中BF-JZS 的低溫抗裂性能優(yōu)于PF-JZS和LF-JZS， 原因是玄武巖纖維的滑移約束能力較優(yōu)， 使得混合料的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定， 故BF-JZS 瀝青混合料的低溫抗裂性能最佳。

2.2 低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)

通過對(duì)不同溫度下的瀝青混合料進(jìn)行低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)， 得到其彎曲蠕變?nèi)崃孔兓€如圖2所示。

圖2 低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.2 Results of low-temperature bending creep test

由圖2 可知， 不同瀝青混合料的彎曲蠕變?nèi)崃烤S著溫度的降低呈逐漸減小變化趨勢(shì)， 其中當(dāng)溫度由-5 ℃降至-15 ℃時(shí)， 彎曲蠕變?nèi)崃康臏p幅明顯， 即瀝青混合料失去柔性的速率較快， 而當(dāng)繼續(xù)降溫至-20 ℃時(shí)， 失去柔性速率有所減緩，說明溫度越低瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性越差。 在相同低溫情況下， 各瀝青混合料的彎曲蠕變?nèi)崃繌男〉酱笠来尉鶠椋?JZ ＞SBS ＞JZS ＞PF-JZS ＞LFJZS＞BF-JZS， 表明澆注式、 纖維澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能優(yōu)于基質(zhì)與SBS 改性瀝青混合料； 纖維澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能均高于澆注式瀝青混合料， 且BF-JZS 的低溫抗裂性能最優(yōu)， 說明纖維的摻入均能改善澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能， 原因是纖維加筋于自由瀝青與骨料間， 使得瀝青混合料的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定， 故其低溫穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。

2.3 低溫劈裂試驗(yàn)

2.3.1 低溫劈裂強(qiáng)度

通過對(duì)不同溫度下的瀝青混合料進(jìn)行低溫劈裂試驗(yàn)， 得到劈裂強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖3 所示。

圖3 低溫劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Results of low-temperature splitting strength test

由圖3 可知， 隨著溫度的降低， 不同瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度均呈先增后減的變化趨勢(shì)，但其破壞強(qiáng)度在出現(xiàn)極值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度值各不相同， 其中基質(zhì)與SBS 的破壞強(qiáng)度在-5～-10 ℃溫度范圍內(nèi)隨溫度降低逐漸增大， 澆注式及纖維澆注式的破壞強(qiáng)度在-5～-15 ℃溫度范圍內(nèi)逐漸增大，即溫度在一定限度范圍內(nèi)降低時(shí)， 不同混合料的破壞強(qiáng)度呈增大變化， 但當(dāng)溫度低于該限度范圍時(shí)破壞強(qiáng)度則逐漸減小， 澆注式及纖維澆注式的破壞強(qiáng)度極值大于基質(zhì)與SBS， 說明澆注式及纖維澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能更優(yōu)， 原因是澆注式及纖維澆注式瀝青混合料的脆點(diǎn)更低， 在荷載與低溫耦合作用下抗裂性更強(qiáng)， 故在低溫環(huán)境下結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定。 不同低溫情形下纖維澆注式瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度均高于其余瀝青混合料， 說明澆注式瀝青混合料內(nèi)摻入纖維能有效增強(qiáng)其低溫抗裂性能； BF-JZS 瀝青混合料的低溫劈裂強(qiáng)度高于PF-JZS 和LF-JZS， 原因是BF 的抗斷裂強(qiáng)度最好， 能夠快速分散荷載應(yīng)力， 因而低溫抗裂性能表現(xiàn)最優(yōu)。

2.3.2 低溫劈裂極限應(yīng)變

通過對(duì)不同溫度下的瀝青混合料進(jìn)行低溫劈裂試驗(yàn)， 得到劈裂極限應(yīng)變的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 低溫劈裂極限應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果Fig.4 Results of low-temperature splitting limit strain test

從圖4 可以看出， 隨著溫度的降低， 瀝青混合料的劈裂極限應(yīng)變均逐漸減小， 其中溫度由-5 ℃降至-10 ℃時(shí)， 劈裂極限應(yīng)變的降幅較快， 而當(dāng)溫度繼續(xù)降低其劈裂極限應(yīng)變的降幅則有所減緩。 在相同低溫情況下， 不同瀝青混合料的劈裂極限應(yīng)變從小到大依次均為： JZ＞SBS＞JZS＞PF-JZS＞LF-JZS＞BF-JZS， 說明澆注式、 纖維澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能優(yōu)于基質(zhì)與SBS 改性瀝青混合料， 同時(shí)三種纖維的摻入均能有效提升澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能， 原因是纖維具有一定的加筋抑滑作用， 促進(jìn)了瀝青混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定， 因此增強(qiáng)了其低溫穩(wěn)定性能。

綜合上述可知， 不同纖維澆注式瀝青混合料的低溫小梁彎曲和彎曲蠕變的試驗(yàn)結(jié)果呈一定的規(guī)律性， 無法明顯的反應(yīng)其低溫抗裂性能， 而低溫劈裂試驗(yàn)的變化規(guī)律表現(xiàn)更為敏感， 因此建議采用低溫劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)低溫地區(qū)纖維澆注式瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性能。

3 結(jié)論

（1） 隨著溫度的降低， 基質(zhì)、 SBS、 澆注式及纖維澆注式瀝青混合料的勁度模量、 彎曲蠕變?nèi)崃考芭褬O限應(yīng)變均呈逐漸減小變化， 而低溫劈裂強(qiáng)度則隨之呈先增大后減小變化。

（2） 纖維的摻入吸收了膠漿外存在的一部分自由瀝青， 致使骨料間的滑移約束增大， 同時(shí)纖維加筋于自由瀝青與骨料間， 使得瀝青混合料的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定， 故澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能得到提升。

（3） BF 纖維對(duì)澆注式瀝青混合料的低溫抗裂性能改善效果優(yōu)于PF 和LF 纖維。

（4） 低溫小梁彎曲和彎曲蠕變的試驗(yàn)結(jié)果呈一定的規(guī)律性， 無法明顯的反應(yīng)其低溫抗裂性能，而低溫劈裂試驗(yàn)的變化規(guī)律表現(xiàn)更為敏感， 建議采用低溫劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)低溫地區(qū)纖維澆注式瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性能。