瀝青混合料中溫開裂試驗方法研究

曹佳偉

摘要：溫度應力、行車荷載作用產生的累積應力及材料的損傷超過材料容許程度，易導致路面開裂[1]。而且瀝青路面開裂后，嚴重危害道路的使用性能和壽命[2]。因此，分析目前國內外評價瀝青混合料開裂性能的試驗，著重比較劈裂試驗、半圓彎拉試驗和四點彎曲疲勞等試驗的區別聯系。結果表明，IDEAL-CT劈裂試驗和SCB半圓彎拉試驗主要評價瀝青混合料中溫抗開裂性能和抗裂縫擴展性能，BBF四點彎曲疲勞試驗主要是評價瀝青混合料抗疲勞開裂性能。

Abstract： The cumulative stress caused by temperature stress and driving load and the damage of materials exceed the allowable degree of materials， which may lead to pavement cracking. Moreover， after the asphalt pavement is cracked， the performance and life of the road are seriously jeopardized. Therefore， the current domestic and international evaluation of the asphalt mixture cracking performance test， focusing on the comparison of the split test， semi-circular bending test and four-point bending fatigue test. The results show that the IDEAL-CT splitting test and the SCB semi-circular bending test mainly evaluate the medium temperature anti-cracking performance and crack propagation resistance of the asphalt mixture. The BBF four-point bending fatigue test is mainly to evaluate the anti-fatigue cracking performance of the asphalt mixture.

關鍵詞：道路工程;瀝青混合料;抗開裂性能;對比分析

Key words： road engineering;asphalt mixture;resistance to initiation fracture;comparative analysis

中圖分類號：TQ321.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0162-02

0? 引言

瀝青路面結構無法滿足重載交通的需求，往往未達到設計壽命就出現結構性破壞，特別是裂縫類病害嚴重。國內外學者根據斷裂力學理論提出多個表征材料抗裂性能的相關評價指標，相關學者采用有限元、離散元和數字圖像處理等方法對瀝青混合料劈裂試驗進行研究[3-4]，也有根據J積分理論采用半圓彎拉試驗評價瀝青混合料抗裂性能，采用臨界應變能釋放率Jc表征瀝青混合料裂縫發展情況[5-6]。但都沒有將幾種瀝青混合料開裂試驗方法進行對比研究。

1? 瀝青混合料開裂試驗方法

1.1 圓盤拉伸試驗

圓盤拉伸試驗，即DC（T）（Disk-shaped Compact Tension）試驗，是一種測試瀝青混合料低溫開裂和反射裂縫的試驗。將旋轉壓實成型的圓柱體試件切割成帶有2.46英寸缺口的圓盤狀試樣，并將其按1mm/min的速度向兩側拉開，直到荷載減小到0.1kN，通過確定初始韌帶長度和厚度歸一后的荷載-位移曲線下的面積，計算斷裂能Gf等評價參數。

1.2 半圓彎曲試驗

半圓彎曲試驗，即SCB（Semi-Circular Bend）試驗，包括瀝青混合料低溫開裂試驗和自下而上和自上而下的疲勞開裂。將旋轉壓實成型的圓柱體試件切割成底部中間帶有15mm預切縫的半圓形試樣，并在其頂部中間施加恒定50mm/min速度的豎向位移，直到荷載減小到0.1kN，通過荷載-位移曲線計算斷裂能Gf和柔性指數FI等評價參數。

1.3 間接拉伸疲勞試驗

間接拉伸疲勞試驗，即IDT（Indirect Tension）試驗，是一種測試瀝青混合料低溫開裂試驗和自上而下開裂試驗。將旋轉壓實成型的圓柱體試件切割成直徑為6英寸，厚度為1.5-2.0英寸的試樣，對其進行重復加載，直至試件破壞，測量了瀝青混合料在低溫下的蠕變勁度和劈裂抗拉強度。

1.4 罩面試驗

罩面試驗，即OT（Overlay Test）試驗，是一種測試瀝青混合料反射裂縫和自下而上疲勞開裂的試驗。將旋轉壓實成型的圓柱體試件切割成6英寸長，3英寸寬，1.5英寸高的試件后固定在兩塊加載板上，其中一塊板固定在工作臺上不動，并對另一塊加載板施加重復的拉伸荷載，從而實現對試件底部施加重復的拉伸荷載，直至試件破壞，采用荷載加載循環次數評價瀝青混合料的抗開裂性能，還可以從實測的載荷與位移曲線中計算推導出表征材料斷裂特性的相關評價參數。

1.5 彎曲梁疲勞試驗

彎曲梁疲勞試驗，即BBF（Bending Beam Fatigue）試驗，是一種測試瀝青混合料自下而上疲勞開裂的試驗。將輪碾成型的板塊試件切割成380mm長，63.5mm寬，50mm高的小梁試件固定在疲勞試驗夾具上，并對其進行四點重復加載，主要有應變控制和應力控制兩種加載模式，采用荷載加載循環次數（即疲勞壽命）和累積耗散能來評價瀝青混合料的抗疲勞性能。

1.6 低溫小梁彎曲試驗

低溫小梁彎曲試驗，該試驗是常用的測試瀝青混合料低溫抗裂性能的方法，該方法采用輪碾成型的板塊試件切割成250mm長，30mm寬，35mm高的小梁試件，在其跨中施加集中荷載至試件斷裂破壞，根據破壞應變等指標評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。

1.7 低溫約束應力試驗

低溫約束應力試驗，即TSRST試驗，是一種測試瀝青混合料在低溫環境下的抗開裂性能，可評價瀝青混合料失效時承受的最低溫度。該方法采用輪碾成型的板塊試件切割成相應尺寸的棱柱體或圓柱體試件，固定試件兩端，通過降低溫度至試件失效斷裂，根據失效溫度和失效應力等指標評價瀝青混合料低溫抗裂性能。

1.8 劈裂試驗

劈裂試驗，即IDEAL-CT試驗，是一種測試瀝青混合料反射裂縫和自下而上疲勞開裂的試驗。通過旋轉壓實儀成型直徑150mm，高度62mm的圓柱體試件，并在其頂部中間施加恒定50mm/min速度的豎向位移，直到荷載減小到0.1kN，通過荷載-位移曲線計算斷裂能Gf和裂縫擴展評價指數CTindex等參數。

根據2016年美國國家公路合作研究項目NCHRP09-57項目對包括上述多種熱、反射、自下而上和自上而下疲勞開裂試驗進行了實驗室和現場評估，如表1所示。

2? 三種中溫開裂試驗評價指標對比分析

對比分析IDEAL-CT劈裂試驗、SCB半圓彎拉試驗和BBF四點彎曲疲勞試驗的評價指標，驗證三種中溫開裂試驗評價瀝青混合料抗裂性能的可行性。

選取并匯總三種中溫開裂試驗的主要評價指標，如表2所示。IDEAL-CT劈裂試驗和SCB半圓彎拉試驗兩個主要評價指標的單位相同，試驗結果可以相互比較;且開裂指標CTindex和柔性指數FI都是無量綱化指標，能較好評價瀝青混合料的抗裂縫擴展性能。與上述兩種試驗不同，BBF四點彎曲疲勞試驗是采用荷載循環作用次數即疲勞壽命表征材料的抗疲勞性能。

3? 三種中溫開裂試驗區別、聯系及適用情況

對比分析IDEAL-CT劈裂試驗、SCB半圓彎拉試驗和BBF四點彎曲疲勞試驗之間的區別、聯系及各自的適用情況，如表3所示。

3.1 溫度

三種開裂試驗都是在中溫條件下測試瀝青混合料的抗裂性能，本文根據相關規范IDEAL-CT劈裂試驗和SCB半圓彎拉試驗選擇25℃，BBF四點彎曲疲勞試驗選擇15℃，但試驗溫度都可以在15～35℃之間微調。

3.2 加載方式

IDEAL-CT劈裂試驗和SCB半圓彎拉試驗都是采用軸向速率50mm/min的加載方式，測試瀝青混合料在軸向恒速荷載下的直接抗開裂性能;BBF四點彎曲疲勞試驗是采用加載頻率10Hz連續偏正弦荷載，測試瀝青混合料承受重復彎曲荷載的疲勞壽命。

3.3 用情況

本文選取的IDEAL-CT劈裂試驗和SCB半圓彎拉試驗主要是測試瀝青路面材料抗反射裂縫的性能，BBF四點彎曲疲勞試驗是測試瀝青路面材料抗疲勞裂縫的性能。

4? 結論

①IDEAL-CT劈裂試驗和SCB半圓彎拉試驗主要是評價瀝青混合料中溫抗開裂性能和抗裂縫擴展性能;BBF四點彎曲疲勞試驗主要是評價瀝青混合料抗疲勞開裂性能。

②IDEAL-CT劈裂試驗和SCB半圓彎拉試驗的試驗溫度、加載方式、試驗目的和適用情況較為接近，且在評價玄武巖纖維瀝青混合料抗裂縫擴展性能方面相關性較好。

參考文獻：

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[2]王旭東，李美江，路凱冀，等.橡膠瀝青及混凝土應用成套技術[M].北京：人民交通出版社，2008：1-2.

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