基于間接拉伸試驗模式的不同瀝青混合料低溫回彈模量研究

熊子佳,洪錦祥,程金梁

(江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103)*

0 引言

瀝青路面低溫開裂是寒冷地區道路的主要病害形式，是溫度降低和瀝青混合料低溫脆化產生的材料內部拉應力超過了材料的極限抗拉強度所致[1].裂縫往往是瀝青其他病害的開端，瀝青路面的早期病害，如松散、坑槽、沖刷和唧泥現象等，都是由于裂縫的存在，路表水或雪水隨縫侵入瀝青路面中造成的[2].為評價和表征瀝青混合料低溫力學性能，國內學者進行了多方面的研究.譚憶秋[3]建立了基于BP神經網絡的瀝青混合料低溫性能預測模型，考慮了瀝青性質和級配兩個方面的影響，模型精度滿足要求.馮中良[4]通過BBR試驗評價瀝青膠結料低溫性能，提出蠕變速率限定溫度指標與路用性能相關性強.張爭奇[5]用低溫收縮系數與低溫小梁破壞應變綜合表征級配對瀝青混合料低溫性能的影響.但低溫條件下瀝青混合料的間接拉伸回彈模量的影響因素及其與瀝青混合料低溫性能的相關性卻鮮有報道.間接拉伸回彈模量是用以測量瀝青混合料的彈性模量的非線性特征，探究瀝青混合料力學性質隨溫度和應力水平的變化規律[6].間接拉伸試件中心點的應力狀態可用來模擬同實際路面瀝青層底部的應力狀態，即在豎向應力加載條件下產生縱向和橫向拉伸應力應變[7].從而推測現場結構層壓縮方向和臨界拉伸應力之間的關系，為路面結構設計提供分析模型和理論計算依據[8].

本文對高模量路面、透水性路面、半柔性路面這三種典型的路面結構形式對應的三種瀝青混合料類型AC- 13、OGFC- 13、SFP，進行低溫條件下間接拉伸回彈模量試驗，探究應力水平和溫度對回彈模量的影響，并與-10℃低溫小梁彎曲試驗進行對比分析.為道路工程設計與施工中用間接拉伸回彈模量試驗評價瀝青混合料低溫性能時的參數選取提供一定的借鑒意義.

1 試驗原料與方法

1.1 原料

所用的基質瀝青為SK- 70#石油瀝青，性能指標均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求.采用的玄武巖集料和石灰石礦粉，由南京天印市政工程材料有限公司提供.基本指標按JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》進行測試，集料的基本性能均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求.

1.2 混合料類型和試件成型

(1)瀝青混合料類型.分別為AC- 13高模量瀝青混合料、OGFC- 13高粘瀝青混合料、SFP半柔性路面材料.具體參數見表1所示.

表1 瀝青混合料相關參數

(2)馬歇爾試件成型.按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的要求用馬歇爾擊實儀成型試件，試件直徑(101.6±0.25)mm，高度(63.5±1.3)mm，雙面擊實50次.SFP半柔性路面材料先成型基體瀝青混合料馬歇爾試件，再封邊灌漿.在標養室(20℃，濕度95%)中養生48 h后進行測試.

(3)間接拉伸試驗.通過加載條對圓柱體試件的軸向施加一定頻率的動態荷載，從而可以獲得瀝青混合料的應力和變形數據，如圖1所示.實驗用UTM- 30動態伺服液壓瀝青混合料試驗機，

對試件施加Haversine波荷載，載荷脈沖峰值荷載取試件25℃劈裂試驗荷載值的0.1～0.5倍.荷載脈沖重復時間(3±0.1)s，荷載脈沖上升時間為(124±4)ms，動態荷載波形示意如圖2所示.泊松比均取為0.25，接觸應力取20 N，預加載20次.加載條寬度為12.7 mm.水平方向變形由安裝在兩側的兩個位移傳感器LVDT采集[9].雙側位移傳感器測定試件垂直于荷載方向的變形，以兩個數值的平均值作為最終的變形量.

圖1間接拉伸加載示意圖圖2動態荷載波形示意圖

2 試驗結果與分析

為探究低溫條件下AC- 13高模量瀝青混合料、OGFC- 13高粘瀝青混合料和SFP半柔性路面材料這三種不同瀝青材料在低溫條件下的回彈模量影響因素，取25℃劈裂試驗荷載應力的0.1、0.2、0.3、0.4、0.5倍作為不同應力水平值，測試了不同溫度(-10、0、10℃)條件下三種瀝青材料的間接拉伸回彈模量及形變.實驗結果見表2.

表2 間接拉伸回彈模量及形變

2.1 應力水平對間接拉伸回彈模量的影響

隨著應力水平的增加，三種瀝青混合料的回彈模量值均呈現減小的趨勢.間接拉伸回彈模量是在預加載20次，待試件應力應變穩定后取最終的5次循環結果平均得到模量均值.按標準偏差s與回彈模量E平均值之比值算得不同應力水平下的回彈模量變異系數，如圖3所示.

(a)10℃(b)0℃(c)-10℃

圖3 不同應力水平下的回彈模量變異系數

由圖3可知，用較大的應力水平作為測試的荷載峰值能更準確地反映間接拉伸回彈模量值.若以變異系數最小值時應力水平為最佳取值，則不同種級配對應不同的最佳應力水平見表3所示， AC- 13應取0.4、OGFC- 13應取0.5，SFP應取0.3.

2.2 溫度對間接拉伸回彈模量的影響

瀝青混合料具有粘彈性，在常溫時接近彈性體，在高溫時接近塑性體，而在低溫時則偏脆性.因此，瀝青混合料的力學性能與溫度有較大的相關性.不同混合料在10～-10℃低溫條件下的回彈模量值見圖4所示.

(a)AC- 13(b)OGFC- 13(c)SFP

圖4不同混合料在不同溫度下回彈模量值

由圖4可知，隨著溫度降低，瀝青混合料的回彈模量值增大.由4(a)可知， AC- 13高模量瀝青混合料在0.3～0.5應力水平下，0℃和10℃的回彈模量值相當.溫度下降到-10℃，回彈模量增大了11%，說明溫度對AC- 13高模量瀝青混合料回彈模量的影響較小，其溫度敏感性較低.由圖4(b)可知，OGFC- 13在溫度0℃和-10℃時其模量值相當，值是10℃時的3倍，說明OGFC- 13對溫度敏感強，溫度小于0℃時，模量值迅速增大.由圖4(c)可知，SFP半柔性路面材料表現出與AC- 13類似的規律，其0℃和10℃的回彈模量值相差不大，在最佳應力水平0.3的加載條件下，-10℃時模量是0℃時的1.55倍，其模量值對溫度的敏感性居于AC- 13和OGFC- 13之間.

2.3 混合料類型對回彈模量的影響

不同級配的瀝青混合料具有不同的體積特性，加之瀝青膠體種類、油石比等不同，對瀝青混合料的力學特性有較大的影響.本實驗中三種混合料變異系數最小時的回彈模量和變形值，如圖5所示.

(a)回彈模量

(b)變形值

由圖5(a)可知，三種瀝青混合料中，回彈模量大小為SFP>AC- 13>OGFC- 13.SFP是由大空隙的瀝青混合料基體與水泥基灌漿料組合的半柔性路面材料，由石料的骨架結構、瀝青膠漿的凝膠結構、水泥漿料的晶體-膠凝體共同組合，形成三維空間的雙重網絡結構系，兼具剛性和柔性.因此在低溫條件下SFP半柔性路面材料表現出極大的剛性，其回彈模量最大.AC- 13高模量瀝青混合料屬于連續式密級配，空隙率為4.3%，具有較好低溫抗開裂能力，在低溫條件下回彈模量低于SFP，由圖5(b)可知AC- 13變形量比SFP大，表現出比SFP偏柔性特性.OGFC- 13瀝青混合料主要是用于排水式瀝青磨耗層，具有特殊的體積特性即較大的空隙率，其低溫回彈模量不及其他兩種瀝青混合料類型，由圖5(b)可知OGFC- 13的變形在0～10℃區間內隨溫度增加變形迅速增大，具有較大的溫度敏感性.

2.4 低溫彎曲小梁試驗

瀝青混合料低溫彎曲小梁試驗是破壞性試驗，以測試試件最后的抗彎拉強度、極限彎拉應變和彎曲勁度模量來評價瀝青混合料的低溫抗裂性.通過在兩點支撐的小梁中部加載，使得跨中加載點截面上部受壓，下部受拉，應力作用方向垂直于截面.瀝青混合料小梁的低溫抗彎拉強度即小梁跨中截面下緣所能承受的最大拉應力，抗彎拉強度越大越不容易斷裂.跨中截面下緣的最大拉應變對應極限彎拉應變值，表征承受最大拉應力時的抗變形能力.試驗條件為-10℃，小梁尺寸為250 mm×35 mm×30 mm，低溫小梁試驗實驗結果見表4.

表4 低溫小梁試驗結果

由表4低溫小梁彎曲試驗結果可知，SFP的抗彎拉強度和彎曲勁度模量較大，表明SFP結構能承受較大的拉應力，抵抗拉應力破壞的能力較強，但由于SFP中水泥漿體的作用表現出剛性性質，變形性不佳，易脆斷.AC- 13高模量瀝青混合料則具有較大彎拉應變，OGFC- 13次之，這兩者均表現出足夠的低溫柔性，具有良好的低溫抗彎拉應變能力.彎曲勁度模量與回彈模量大小順序一致，但數值大小不具有較強的相關性.因此表明低溫彎曲與低溫間接拉伸回彈模量在表征瀝青混合料抗拉能力方面具有一致性.

3 結論

通過對AC- 13、OGFC- 013、SFP三種不同瀝青混合料在-10～10℃低溫條件下的間接拉伸實驗，探究了其回彈模量隨應力水平和實驗溫度的變化情況，得出以下結論：

(1)隨著溫度降低，三種混合料的回彈模量均增大，其中OGFC- 13增加最明顯，其溫度敏感性最強；

(2)回彈模量值的變異系數較小時，低溫最佳應力水平值AC- 13應取0.4、OGFC- 13應取0.5，SFP應取0.3；

(3)同一溫度條件下，回彈模量大小順序為SFP>AC- 13>OGFC- 13，與-10℃低溫小梁彎曲試驗得到的彎曲勁度模量大小規律一致.低溫小梁彎曲表明高模量瀝青混合料AC- 13和透水型瀝青混合料OGFC- 13具有良好的低溫柔性，SFP具有較明顯的剛性特性.

但不同瀝青混合料由于材料組成的變化，間接拉伸回彈模量有較大差異且數據離散性較大，要得到普遍規律尚需進行大量試驗進一步研究.