摘要：為了合理評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石的低溫抗裂性能，通過(guò)不同低溫試驗(yàn)比較分析了收縮系數(shù)、凍斷溫度和低溫疲勞參數(shù)等指標(biāo)的適用性。結(jié)果表明：凍斷溫度和低溫疲勞參數(shù)與最大彎拉應(yīng)變相關(guān)性顯著，2者可以用于評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石低溫抗裂性能的優(yōu)劣，其中凍斷溫度相關(guān)性最高且具有明確的物理意義，故首選其為最佳評(píng)價(jià)指標(biāo)。據(jù)此評(píng)價(jià)可知：硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石的低溫開裂溫度均低于-20℃且滿足我國(guó)瀝青路面冬冷區(qū)的氣候分區(qū)要求。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)瀝青；瀝青穩(wěn)定碎石；低溫抗裂性能；評(píng)價(jià)指標(biāo)

中圖分類號(hào)：TQ325.1+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2025）04-0095-04

Comparative analysis of evaluation indexes of low temperature crack resistance of hard asphalt stabilized macadam

YAO Rui，WANG Liming，SUN Yongzhuo

（School of Civil Engineering and Transportation，Northeast Forestry University，Harbin 150040，China）

Abstract：In order to reasonably evaluate the low temperature crack resistance of hard asphalt stabilized macadam，the applicability of shrinkage coefficient，freezing temperature and low temperature fatigue parameters were com?pared and analyzed by different low temperature tests.The results show that the freezing temperature and low temper?ature fatigue parameters are significantly correlated with the maximum flexural tensile strain，and the two can be used to evaluate the low temperature crack resistance of hard asphalt stabilized macadam.Among them，the freezing temperature has the highest correlation and has a clear physical meaning，so it is the best evaluation index.Accord?ing to the evaluation，it can be seen that the low temperature cracking temperature of hard asphalt stabilized macad?amis lower than-20℃and meets the climatic zoning requirements of winter cold zone of asphalt pavement in China.

Key words：hard asphalt；asphalt stabilized crushed stone；low temperature crack resistance；evaluation indexes

瀝青穩(wěn)定碎石（Asphalt Treated Base，ATB）是一種骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)瀝青混合料，具有良好的抵抗剪切變形、抗塑性變形的能力[1，2]，主要應(yīng)用于瀝青路面的中、下面層及柔性基層[3，4]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶來(lái)交通量的迅速增長(zhǎng)，重載車輛的比例增多和超載現(xiàn)象的嚴(yán)重化使瀝青路面面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)[5，6]；而路面的中、下面層承擔(dān)著面層的抗剪切和抗變形的重?fù)?dān)，因此在中、下面層往往采用高模量層，將瀝青穩(wěn)定碎石高模量化后應(yīng)用于中、下面層既可提高路面的承載能力同時(shí)又可發(fā)揮其本身的高抗疲勞性能。

目前，瀝青混合料高模量化的方式主要有兩種：一是使用低標(biāo)號(hào)的瀝青結(jié)合料，二是使用外摻高模量添加劑[7，8]；其中使用低標(biāo)號(hào)瀝青結(jié)合料，如硬質(zhì)瀝青可直接通過(guò)原油煉制獲得，無(wú)需特殊的添加劑及復(fù)雜的生產(chǎn)工藝而具有較高的性價(jià)比。硬質(zhì)瀝青在我國(guó)主要是指針入度小于50（0.1 mm）的瀝青，具有勁度大，粘結(jié)力強(qiáng)，軟化點(diǎn)高的特點(diǎn)[9-10]。當(dāng)前，針對(duì)硬質(zhì)瀝青ATB的研究已經(jīng)有所開展[11-12]，但其中有關(guān)于其低溫抗裂性能指標(biāo)的研究尚不全面。

本文選取了不同的低溫抗裂性能試驗(yàn)，對(duì)比研究了收縮系數(shù)、低溫劈裂強(qiáng)度、凍斷溫度、疲勞壽命等指標(biāo)用于評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石抗裂性能的適用性，并分析各指標(biāo)之間的相關(guān)性，為硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石低溫抗裂性能評(píng)價(jià)指標(biāo)提供合理的參考依據(jù)。

1原材料與混合料

1.1瀝青

30#硬質(zhì)瀝青（淄博中石油瀝青公司）和50#硬質(zhì)瀝青（塞內(nèi)加爾）。對(duì)其基礎(chǔ)性能進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的A級(jí)石油瀝青技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.2混合料

試驗(yàn)用集料為安山巖碎石（黑龍江阿城）和機(jī)制砂，填料為石灰石礦粉（吉林舒蘭），按JTG F40—2004規(guī)定檢驗(yàn)關(guān)鍵指標(biāo)，確定其滿足高速、一級(jí)公路用集料的技術(shù)要求；并按JTG F40—2004方法和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)ATB-25合成級(jí)配合曲線如圖1所示。

基于馬歇爾試驗(yàn)方法確定不同膠結(jié)料ATB最佳油石比均為3.8%，混合料的基礎(chǔ)性能試驗(yàn)指標(biāo)如表1所示。

2試驗(yàn)方法

瀝青穩(wěn)定碎石小梁彎曲試驗(yàn)按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0715方法采用WDW-100材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)溫度分別為-10℃;低溫劈裂試驗(yàn)按JTG E20—2011中T0716方法采用WDW-100材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為-10、-15、-20、-25、-30℃;疲勞試驗(yàn)利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成形圓柱體試件并切割成厚度為50 mm的半圓試件，試驗(yàn)在IPC-UTM材料試驗(yàn)機(jī)中進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為0℃，3種應(yīng)力比分別為0.3、0.4、0.5；約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)利用IPC-UTM材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)并按照AASHTO TP10的方法開展，其中試件尺寸為60 mm×60 mm×250 mm的棱柱體。線收縮系數(shù)試驗(yàn)采用應(yīng)變采集箱和UTM環(huán)境箱進(jìn)行電測(cè)法[13]，試驗(yàn)初始溫度為5℃，降溫速率為5℃/h，在試件底部墊聚四氟乙烯薄膜以減小摩擦。

3結(jié)果與分析

3.1低溫線收縮系數(shù)分析

按照試驗(yàn)方法進(jìn)行線收縮系數(shù)試驗(yàn)并整理系統(tǒng)所采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，線收縮系數(shù)隨著溫度的不斷下降呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，且2種的線收縮系數(shù)均在1.3×10-5～3.0×10-5℃-1上下浮動(dòng)。雖然2種混合料的瀝青結(jié)合料不同，但兩者的收縮系數(shù)峰值均接近于3.0×10-5℃-1；在-5℃至-20℃環(huán)境中，2種不同混合料的線收縮系數(shù)也較為接近，說(shuō)明在同一級(jí)配下，混合料的線收縮系數(shù)受瀝青結(jié)合料的影響很小。

3.2低溫劈裂分析

按照試驗(yàn)方法進(jìn)行低溫劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在-10～-20℃的低溫區(qū)間，30#瀝青ATB的直接抗拉強(qiáng)度比50#瀝青ATB高約12%，表明30#硬質(zhì)穩(wěn)定碎石在低溫條件下?lián)碛懈錾目估芰Α?種ATB在-10～-20℃區(qū)間都有較大的增幅，而在-20～-30℃時(shí)逐漸進(jìn)入平穩(wěn)狀態(tài)，說(shuō)明了混合料抗拉強(qiáng)度在該溫度區(qū)間內(nèi)達(dá)到峰值。

3.3約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

按照試驗(yàn)方法可直接獲得凍斷溫度和凍斷拉力指標(biāo)，其匯如表3所示。

由表3可知，2種硬質(zhì)瀝青ATB的開裂溫度均低于-24℃，從服役環(huán)境來(lái)說(shuō)，硬質(zhì)瀝青混合料基本上可以滿足于北方多數(shù)地區(qū)；從斷裂拉力來(lái)看，30#硬質(zhì)瀝青ATB在持續(xù)降溫過(guò)程中表現(xiàn)出了更多的彈性成分，使得本身變得更硬更脆。根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)可以將溫度與應(yīng)力關(guān)系繪制曲線，利用非線性擬合程序進(jìn)行擬合，2種不同瀝青混合料的所擬合的溫度-應(yīng)力曲線如圖3所示，其相關(guān)系數(shù)分別為0.989、0.991。

由圖3可知，2種瀝青穩(wěn)定碎石在-8℃之前的溫度應(yīng)力幾乎一致，在-8℃之后，30#硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石的溫度應(yīng)力較大。其中，30#和50#硬質(zhì)瀝青混合料分別在-24.8℃、-28.1℃時(shí)溫度應(yīng)力達(dá)到峰值，最大溫度應(yīng)力約為3.91 MPa、3.42 MPa。此外，通過(guò)應(yīng)力-溫度的曲線可以獲取瀝青穩(wěn)定碎石的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)Tg和溫度應(yīng)力曲線斜率Δσ/T，兩者數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

由表4可知，30#硬質(zhì)瀝青ATB在溫度應(yīng)力曲線斜率較大，說(shuō)明其在溫度持續(xù)下降過(guò)程中溫度應(yīng)力增速較快；從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化點(diǎn)Tg來(lái)看，兩種瀝青混合料轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度均低于-9℃，其中50#硬質(zhì)瀝青ATB低于30#硬質(zhì)瀝青ATB；上述兩指標(biāo)可以看出50#硬質(zhì)瀝青ATB低溫性能更優(yōu)。

3.4小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析

將試驗(yàn)中所獲得的2種瀝青ATB的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知，30#硬質(zhì)瀝青ATB抗彎拉強(qiáng)度最低，說(shuō)明其在低溫狀態(tài)下相對(duì)于其它混合料容易變得硬且脆。2種硬質(zhì)瀝青ATB的低溫抗裂性能對(duì)應(yīng)規(guī)范JTG F40—2004中對(duì)應(yīng)的要求，30#硬質(zhì)瀝青ATB達(dá)到了冬冷區(qū)（＞2 000με）的技術(shù)指標(biāo)，50#硬質(zhì)瀝青ATB已經(jīng)達(dá)到了冬寒區(qū)（＞2 300με）的技術(shù)指標(biāo)。

3.5低溫疲勞性能分析

疲勞試驗(yàn)前需進(jìn)行半圓試件的強(qiáng)度試驗(yàn)，確定各瀝青穩(wěn)定碎石的最大破壞強(qiáng)度便能確定疲勞試驗(yàn)的試驗(yàn)荷載水平，本文僅進(jìn)行0℃低溫疲勞試驗(yàn)，故其強(qiáng)度試驗(yàn)也在0℃的環(huán)境下進(jìn)行，加載速率采用50 mm/min[14]；每組3個(gè)試件進(jìn)行平行試驗(yàn)，2種不同半圓瀝青混合料試件半圓彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

將表6和所選取的應(yīng)力比進(jìn)行計(jì)算便可開始疲勞試驗(yàn)，采用雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系并結(jié)合下式（1）對(duì)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[15]，得到疲勞壽命與應(yīng)力比關(guān)系，如圖4所示。

式中：Nf為疲勞壽命，次；T為應(yīng)力比；k、n為擬合方程參數(shù)，其中參數(shù)n值的大小反映了疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度。

2種瀝青混合料的回歸方程變形后如下式，依次為30#、50#硬質(zhì)瀝青ATB：

Nf=13425.91T-2.727 R2=0.991（2）

Nf=5648.19T-3.313 R2=0.998（3）

如圖4，30#和50#硬質(zhì)瀝青ATB在應(yīng)力比為0.3的狀態(tài)下，疲勞壽命均突破了30萬(wàn)次，其中兩種硬質(zhì)瀝青半圓試件的疲勞壽命均隨著應(yīng)力比的增大而呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)；在回歸的疲勞方程中，參數(shù)n能夠反映疲勞壽命對(duì)應(yīng)力比變化的敏感程度，30#和50#硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石n值分別為2.727、3.313；30#硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石的n值最小，說(shuō)明了其疲勞壽命對(duì)應(yīng)力比的變化敏感低，不易隨著應(yīng)力比的改變發(fā)生較大變化。

3.6低溫抗裂性能指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)分析

以最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖為參考指標(biāo)，將前文通過(guò)試驗(yàn)獲得的線收縮系數(shù)（-5～-10℃）、低溫疲勞參數(shù)n等低溫性能指標(biāo)關(guān)聯(lián)度結(jié)果如表7所示。

由表7可知，低溫劈裂、線收縮系數(shù)和疲勞壽命Nf與最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖相關(guān)性較低，用來(lái)評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青ATB的低溫抗裂性能效果較差；而凍斷溫度Tf和低溫疲勞參數(shù)n兩者與最大彎拉應(yīng)變?chǔ)臖呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性（均大于0.9），說(shuō)明2者可以較好的表征硬質(zhì)瀝青ATB的低溫抗裂性能；其中凍斷溫度有著明確的物理意義且能更直觀的表示硬質(zhì)瀝青ATB低溫抗裂性能的優(yōu)劣。

4結(jié)語(yǔ)

（1）硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石小梁彎曲應(yīng)變均在2 000με以上，滿足了我國(guó)JTGF40—2004冬冷區(qū)的技術(shù)要求；

（2）硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石的低溫劈裂、線收縮系數(shù)和疲勞壽命Nf與εB相關(guān)性較低，不適合作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；

（3）不同試驗(yàn)指標(biāo)評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青穩(wěn)定碎石的低溫抗裂性能存在明顯差異，其中凍斷溫度Tf和低溫疲勞參數(shù)n與εB呈現(xiàn)出較高的相關(guān)性，且凍斷溫度Tf更優(yōu)更直觀。

【參考文獻(xiàn)】

[1]徐樂(lè)，劉路，邵成龍.瀝青碎石路面ATB-25施工技術(shù)研究[J].公路，2020，65（6）：112-117.

[2]LIU X，LI Z，CHEN S，et al.Fatigue performance enhance?ment and high-temperature performance evaluation of as?phalt treated base mixture[J].Construction and Building Materials，2021，305：124146.

[3]謝祥根，孫傲.ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層的試驗(yàn)研究[J].公路，2009（7）：312-316.

[4]宋秋萍.硬質(zhì)瀝青及其混合料性能研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2015.

[5]董慶宇，郭峰.地聚合物改性瀝青混合料性能試驗(yàn)研究[J].粘接，2022，49（9）：50-53.

[6]聶倩.高模量瀝青混合料路用性能試驗(yàn)研究[J].交通科技與管理，2024，5（1）：107-109.

[7]WANG C，ZHOU X，YUAN H，et al.Preparation and perfor?mance of UHMWP modified asphalt and its high modulus mixture[J].Construction and Building Materials，2021，294：123629.

[8]宋樂(lè)春，李志軍，陳保蓮，等.高模量瀝青混凝土添加劑研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2018，37（4）：1221-1224.

[9]束毅力，田紹強(qiáng)，張俊杰，等.非洲西部地區(qū)典型硬質(zhì)瀝青技術(shù)性能[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2023，23（1）：337-346.

[10]楊光，王旭東，時(shí)敬濤.基于耗散能方法評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青混合料抗疲勞性能[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2018，21（6）：913-919.

[11]劉宏富，鄭健龍，錢國(guó)平，等.硬質(zhì)瀝青及其混合料疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)研究[J].中外公路，2011，31（5）：205-209.

[12]劉冉冉，楊春景.TLA摻量對(duì)ATB-25混合料路用性能的影響[J].公路工程，2016，41（4）：302-306.

[13]查旭東，李聰，鄒博，等.RIOHTrack下面層瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)[J].公路交通科技，2022，39（6）：1-8.

[14]劉海林.基于半圓彎曲試驗(yàn)的瀝青混合料自愈合性能影響因素研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2022.

[15]吳凡.基于半圓彎曲試驗(yàn)的瀝青混合料疲勞愈合性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2019.

（責(zé)任編輯：張玉平）