中圖分類號(hào)：U414.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.022

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0074-05

0 引言

疲勞開(kāi)裂是瀝青路面最常見(jiàn)的病害之一，其原因是瀝青混合料的黏聚力損失或?yàn)r青與集料之間的黏附力損失，或兩種情況同時(shí)出現(xiàn)1。根據(jù)熱力學(xué)基本定律，雖然瀝青和集料的化學(xué)和物理性質(zhì)對(duì)混合料的黏結(jié)強(qiáng)度起主要作用，但是表面自由能（SFE）和瀝青－集料界面能量的平衡同樣會(huì)影響?zhàn)そY(jié)強(qiáng)度2。

通用吸附裝置（USD）、吊板法（WP）和座滴法（SD）等均可用于測(cè)量瀝青一集料界面的表面自由能特性，其中SD法是確定固體材料表面自由能最為簡(jiǎn)單的方法3盡管這種方法可以確定瀝青和集料的黏附性能，但一些研究成果表明，集料表面的不均勻性和表觀紋理可能導(dǎo)致結(jié)果的不準(zhǔn)確。對(duì)于瀝青混合料的中低溫抗裂性能研究，已有多種試驗(yàn)方法被開(kāi)發(fā)，其中半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）因試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單和結(jié)果復(fù)現(xiàn)性高等原因被廣泛應(yīng)用，同時(shí)與小梁彎曲試驗(yàn)相比，其在試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)因加載和重力試件突然下降掉落，安全性更高4]。

為了量化瀝青混合料這種非線性黏彈塑性材料的抗裂性能，可針對(duì)SCB試驗(yàn)采用J積分方法以確定臨界應(yīng)變能釋放率 （J） 來(lái)評(píng)價(jià)抗裂性能，同時(shí)通過(guò)SCB試驗(yàn)也可計(jì)算同溫度下的裂紋擴(kuò)展速度。有學(xué)者使用SCB試驗(yàn)在50mm/min加載速率和25℃溫度下開(kāi)發(fā)了一種新方法以比較各種瀝青混合料的抗裂性能，研究結(jié)果與足尺試驗(yàn)的結(jié)果密切相關(guān)，總結(jié)出一種基于斷裂能和柔韌性指數(shù) （F I） 的評(píng)價(jià)抗裂性能的新方法，其中 F I 指標(biāo)可表征瀝青混合料對(duì)于早期開(kāi)裂的敏感性[6-7]。通過(guò)進(jìn)一步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著RAP摻量的增加，再生瀝青混合料的 F I 值不斷降低，表明其柔韌性逐漸降低。此外 F I 指標(biāo)對(duì)材料變化較為敏感，如不同種類瀝青、不同濃度改性劑、瀝青混合料體積特性等均可造成 F I 指標(biāo)顯著變化8。最新研究成果顯示，柔韌性指數(shù)和斷裂能指標(biāo)能較好地表征瀝青混合料的疲勞開(kāi)裂壽命，其與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際性能的相關(guān)性 。如果表面自由能（SFE）結(jié)果與SCB試驗(yàn)結(jié)果一致，則 S F E 可以作為一種簡(jiǎn)單的參數(shù)來(lái)獲得瀝青和集料的適配組合，以實(shí)現(xiàn)瀝青混合料在中等溫度下獲得更好的抗裂性能[10]

本研究主要目的是采用半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）獲取的瀝青混合料表面自由能（SFE）指標(biāo)分析瀝青一集料系統(tǒng)的黏聚力和黏附性，以此來(lái)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青混合料在中等溫度下的抗裂性能。

1原材料及試件制備

1.1 原材料

本研究制備SBS改性瀝青混合料時(shí)選用兩個(gè)不同等級(jí)的基質(zhì)瀝青（PG64－16和PG58－22）和不同摻量的SBS改性劑 （3% 和 6% ），以便對(duì)比基質(zhì)瀝青等級(jí)和改性劑摻量對(duì)抗裂性能的影響。本研究的主要內(nèi)容之一為瀝青與集料的黏附性，考慮最不利因素，選用花崗巖類酸性集料制備瀝青混合料，其常規(guī)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.2試樣制備

SBS對(duì)瀝青的改性是聚苯乙烯嵌段發(fā)生物理交聯(lián)的過(guò)程，交聯(lián)過(guò)程改善了瀝青在中等溫度下的彈性行為。為使改性瀝青體系中聚合交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)定，制備試樣時(shí)使用硫作為聚合物交聯(lián)劑，同時(shí)在180℃條件下以5000r/min的速度高速剪切100min。制備的不同類型SBS改性瀝青的性能分級(jí)見(jiàn)表2。

半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）試件的制備按以下流程進(jìn)行：（1）將制備好的SBS改性瀝青與選用的花崗巖集料在規(guī)范要求溫度下混合均勻后裝于車轍板模具中，采用輪碾成型的方式碾壓密實(shí)，經(jīng)冷卻后脫模形成車轍板，車轍板尺寸為 ：（2）在車轍板中間平均分布取4個(gè)直徑為 高為 50m m 的圓柱體試件；（3）將圓柱體試件沿高度方向平均切為兩半，形成兩個(gè)半圓形柱體試件；（4）垂直于半圓形柱體試件底部平面切一個(gè)寬為 長(zhǎng)為15mm的縫。半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）試件成品見(jiàn)圖1。

2試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1座滴法試驗(yàn)（SD）

座滴法（SD）專用于測(cè)定特定液體液滴和固體表面之間的黏附力。采用式（1）進(jìn)行計(jì)算黏附力：

式中： 固體表面的自由能；

液體表面的自由能；

——液體的表面張力；

θ ——接觸角。

蒸餾水液滴與SBS改性瀝青固體表面接觸角如圖2所示。

測(cè)量SFE使用的理論是酸堿理論，其將SFE分為極性和非極性兩部分。黏聚功的定義為在固體或液體材料內(nèi)部進(jìn)行分離所需的能量，采用式（2）進(jìn)行計(jì)算。固液之間的黏附功可采用液體從固體表面分離所需的能量表示，采用式（3）進(jìn)行計(jì)算，其中 為黏附能。固體表面的SFE特性包括 和 ，可采用式（4）進(jìn)行計(jì)算，其需要兩種探測(cè)液體樣本。進(jìn)一步提升計(jì)算結(jié)果的精度，整合式（1）至式（4）得到式（5），需要兩種以上的探測(cè)液體樣本：

法中使用了幾種已知表面張力組成 、 ）的液體，如蒸餾水、甲酰胺、二碘甲烷、乙二醇和甘油，應(yīng)保證在試驗(yàn)過(guò)程中液體不應(yīng)與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，建議使用一組極性和非極性液體進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)已有研究成果可知，蒸餾水、二碘甲烷、甲酰胺和甘油被認(rèn)為是可靠的探測(cè)液體類型，其 條件下的基本性質(zhì)如表3所示。此外，圖解法也是一種評(píng)價(jià) S D 法結(jié)果有效性的方法，其繪制的關(guān)系圖顯示不同探測(cè)液體的 參數(shù)與 參數(shù)呈線性相關(guān)。若某個(gè)探測(cè)液體試驗(yàn)結(jié)果不符合上述線性曲線的關(guān)系，說(shuō)明此液體與固體表面有復(fù)雜的相互作用，在計(jì)算SFE應(yīng)將其排除。

2.2半圓彎曲試驗(yàn)（SCB）

AASHTO標(biāo)準(zhǔn)提出了一種用于評(píng)價(jià)中等溫度下瀝青混合料抗裂性能的標(biāo)準(zhǔn)方法，即SCB試驗(yàn)方法。目前研究過(guò)程中數(shù)據(jù)處理使用J積分法較為常見(jiàn)，但AASHTO建議采用伊利諾伊州柔性指數(shù)法，該方法是基于圖3所示的SCB試驗(yàn)垂直荷載一位移曲線得到。SCB試驗(yàn)采用萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)UTM進(jìn)行，其具備溫度調(diào)控環(huán)境箱，可滿足不同試驗(yàn)溫度的需求，同時(shí)能自動(dòng)記錄儲(chǔ)存試驗(yàn)數(shù)據(jù)，有利于試驗(yàn)結(jié)果的回歸和建模。試驗(yàn)時(shí)加載速率為 15mm/min ，為使豎向加載軸線與試件切口重合，使用激光水準(zhǔn)儀進(jìn)行校核調(diào)整。

SCB試驗(yàn)得到的結(jié)果是斷裂能和柔韌性指數(shù)。斷裂能通常表示為試件失效時(shí)荷載一位移曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積。當(dāng)荷載 N時(shí)判定為試驗(yàn)結(jié)束。但如果試驗(yàn)在失效點(diǎn)之前停止，則應(yīng)在曲線結(jié)束點(diǎn)向下做垂線與橫軸相交，以計(jì)算閉合面積即為斷裂能。斷裂能代表瀝青混合料抵抗開(kāi)裂相關(guān)損傷的總體能量，可采用式（6）進(jìn)行計(jì)算：

實(shí)際上，斜率m表征的是裂縫擴(kuò)展速率的平均水平，斜率 m 增加將導(dǎo)致柔性指數(shù)（FI）降低，表明瀝青混合料更容易發(fā)生早期開(kāi)裂破壞。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

不同SBS改性瀝青接觸角和表面自由能試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。由表4和表5可知，A0的 高于BO，但對(duì)于 或極性AO低于BO。BO的總表面自由能高于AO，這就使BO與AO相比具有更好的黏附性和黏聚力。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，不同等級(jí)基質(zhì)瀝青經(jīng)SBS改性后非極性 和極性 均有較大提升，即SBS改性使基質(zhì)瀝青內(nèi)部的黏聚力增大，并較大地提升了與花崗巖集料的黏附性。

根據(jù)SCB試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制荷載一位移光滑曲線，并以多項(xiàng)式模型進(jìn)行擬合，不同SBS改性瀝青SCB試驗(yàn)擬合模型的相關(guān)系數(shù)均 gt;0.95 ，如圖4至圖7所示。

由圖4至圖7可知，SBS改性劑對(duì)試驗(yàn)荷載峰值和失效點(diǎn)位移均有提升作用，這就使載荷一位移曲線與坐標(biāo)軸圍著的面積更大，即試件破壞所需的斷裂能（ 更高。此外，SBS改性劑降低了荷載一位移曲線的峰后斜率 （m） ，這表明SBS作為一種彈性體可降低裂縫擴(kuò)展的速率，進(jìn)一步提升瀝青混合料的柔性指數(shù) （F I） 。為評(píng)價(jià)不同SBS改性瀝青斷裂能和柔性指數(shù)的精度和復(fù)現(xiàn)性，對(duì)每組試驗(yàn)的變異系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，斷裂能和柔性指數(shù)變異系數(shù)最大值分別僅為 9% 和 13% ，表明試驗(yàn)結(jié)果的精度和復(fù)現(xiàn)性保持在較高水平，如表6所示。

為了比較SFE和SCB試驗(yàn)參數(shù)在表征SBS改性瀝青抗裂性能方面的不同，本研究對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了歸一化處理，即假設(shè)PG64一16樣品為標(biāo)準(zhǔn)化的參考樣品，將所有瀝青樣品的 S F E 、 和 F I 值除以參考樣品的相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值。歸一化處理結(jié)果見(jiàn)圖8。

由圖8可知，不同參數(shù)表現(xiàn)出相同的趨勢(shì)，且歸一化結(jié)果均 1，這就證明SBS改性黏結(jié)劑在試驗(yàn)溫度下對(duì)瀝青混合料抗裂性能有積極作用。對(duì)于SBS改性的有效程度，SCB參數(shù)歸一化結(jié)果均大于相比于 S F E 的歸一化結(jié)果，SCB參數(shù)表征的改性瀝青混合料抗裂性能水平更高。形成上述結(jié)論的主要原因是由于 S F E 試驗(yàn)僅在試樣的一個(gè)點(diǎn)上評(píng)價(jià)附著力和黏聚力，而SCB試驗(yàn)是在條狀區(qū)域?qū)υ嚇邮┘討?yīng)力，試樣內(nèi)部具有更寬的黏聚或黏附接觸點(diǎn)，這些接觸點(diǎn)越強(qiáng)，試樣在失效之前施加的應(yīng)力水平也就越高。

將 S F E 分析結(jié)果 ）和SCB數(shù)據(jù) 進(jìn)行回歸分析，如圖9、圖10所示。由于集料類型固定，所以黏附能是 S F E 分析組成參數(shù)黏聚能的函數(shù)。線性回歸方程的的相關(guān)系數(shù) 的平均值分別為0.97和0.90。盡管 S F E 分析結(jié)果不能完全表征瀝青－集料系統(tǒng)物理和化學(xué)特性對(duì)混合料黏結(jié)強(qiáng)度的影響，但 S F E 分析結(jié)果顯示其與SCB試驗(yàn)的斷裂能和柔性指數(shù)之間的相關(guān)性較強(qiáng)，這表明 S F E 分析方法是評(píng)價(jià)SBS改性瀝青混合料中等溫度下抗裂性能的有效方法。

4結(jié)語(yǔ)

（1）探測(cè)液體類型對(duì)表面自由能結(jié)果有顯著影響。四種探測(cè)液體中必須有一種是非極性液體，通過(guò)回歸分析可計(jì)算得到 S F E 特性。

（2）SFE分析表明，SBS改性使瀝青黏結(jié)劑具有更大的黏聚力，同時(shí)提升黏結(jié)劑與集料的黏附性。SFE和SCB試驗(yàn)參數(shù)的回歸結(jié)果表明， S F E 分析能夠預(yù)測(cè)SBS改性瀝青瀝青混合料在中等溫度下的抗裂性能。

（③雖然 S F E 方法分析與SCB試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果一致，但對(duì)于SBS改性的有效程度不一，SCB參數(shù)歸一化結(jié)果均大于相比于 S F E 歸一化結(jié)果，SCB參數(shù)表征的改性瀝青混合料抗裂性能水平更高。

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