半圓彎拉試驗評價瀝青混合料低溫性能指標選取

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海201804）

在寒冷地區，低溫開裂是瀝青路面的重要破壞形式之一。經典低溫開裂理論認為：當材料由低溫收縮引起的應力大于其強度時將發生斷裂。由于瀝青路面由瀝青和集料兩部分組成，集料的溫縮系數遠小于瀝青，因此普遍認為瀝青混合料的低溫性能80%是由瀝青的低溫性能決定的。低溫彎曲流變儀試驗（BBR）是用來評價瀝青低溫性能的主流方法[1-3]，董文龍[1]等采用低溫小梁彎曲試驗，同時結合Burgers 模型對不同老化狀態下的SBS 改性瀝青進行低溫性能分析，驗證了PG 低溫分級和粘彈性指標間的相適應性；詹小麗[4]等運用灰色關聯理論建立BBR試驗得到的瀝青低溫性能指標與瀝青混合料低溫性能的關聯性，對結果分析后發現SHRP 低溫分級與瀝青瀝青混合料低溫性能的關聯度較好。至于瀝青混合料的低溫評價方法，SHRP 推薦采用間接拉伸試驗（IDT）和凍斷試驗（TSRST），兩種試驗均采用無切縫試件。近年來，考慮到裂縫的擴展機理，使用有切縫試件的半圓彎拉試驗（SCB）受到了廣泛的關注。Hamid[5]認為通過SCB 試驗結果計算得到的斷裂韌性（Fracture Toughness）KIC指標是反映瀝青路面裂縫擴展及最終破壞的最重要的參數；Mehdi[6]等人計算切縫試件斷裂能Gf（Fracture Energy）,來探討不同比例五種改性瀝青的混合料低溫性能。實際上SCB 試驗除了用線彈性力學的斷裂能Gf和臨界應力強度因子KIC來描述混合料的低溫性能外，還可以用粘彈性力學中的J積分的概念，Louay N Mohammad[7]利用Jc指標對路易斯安納州九個再生項目的室內混合料進行SCB 試驗，結果表明Jc值與現場的路面的開裂率有很好的相關性。

雖然通過SCB 試驗結果計算得到的斷裂韌性、斷裂能、J積分三個指標均可用來評價瀝青混合料的低溫性能，但是目前對于這三個指標的優劣對比研究較少。因此本文以BBR 試驗結果為基礎，計算埃索70 號、SBS 改性、TB 改性、PPA 改性等多種瀝青的低溫連續分級，并以此來評價多種瀝青的低溫性能。再依據混合料試件低溫SCB 試驗結果，分別計算斷裂韌性、斷裂能Gf、J積分三個指標，最后分別將三個指標與對應瀝青的連續低溫分級進行皮爾遜相關性分析，選取出最適合評價瀝青混合料低溫性能的指標。

1 試驗

1.1 瀝青及制備工藝

基質瀝青統一采用埃索70 號瀝青；線形SBS 選用岳陽巴陵石化有限公司的SBS1301-1（YH-791H），星形SBS 選用獨山子石化分公司SBST161-B。SBS 改性劑主要技術指標見表1。

線形SBS 改性瀝青的加工工藝為在185 ℃下攪拌2 h 后加入硫磺穩定劑，總計攪拌3 h，星形SBS 改性瀝青的加工工藝為在185 ℃下攪拌高速剪切0.5 h，再普通攪拌2 h 后加入穩定劑，總計攪拌3 h。TB（Teminal Blend）瀝青，即溶解性膠粉改性瀝青，是一種發源于美國的新型改性瀝青，其中加入了高劑量較細廢舊橡膠粉，在高溫高壓環境下，在瀝青中經過充分的脫硫反應，形成一種全新的、存儲穩定性優異的瀝青膠結料。在國外稱為 “Teminal Blend”膠粉改性瀝青，鑒于該類膠粉瀝青在三氯乙烯中的溶解度可以達到99%以上，故也稱為“溶解性膠粉改性瀝青”。TB 瀝青制備相對復雜，本文直接采用廠拌TB 瀝青。

表1 SBS 改性劑主要技術指標

選用質量分數為115%的多聚磷酸（PPA）參與改性，其技術指標如表2所示。

1.2 石料及級配

本文混合料粗石料選擇玄武巖，細石料選擇石灰巖，采用AC-13C 級配。

表2 PPA 技術指標

1.3 試驗及分析方法

1.3.1 BBR 試驗

本文通過低溫彎曲流變儀試驗（Bending Beam Rheometer，BBR）結果計算連續低溫分級來評價多種瀝青的低溫性能，試驗按照ASTMD 6648 進行。為了更加符合工程實際應用，在進行BBR 試驗前，對所有瀝青樣品均按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》T 0630—2011 方法進行了壓力老化處理。連續低溫分級根據規范[8]公式計算得到。

1.3.2 半圓彎曲試驗（SCB）及三大指標計算

（1）SCB 試驗

本文采用預先切縫的SCB 試件進行混合料試驗，單一試件成型通過旋轉壓實（SGC）完成，試件直徑為150 mm、高為110 mm。將成型后的試件切除上下頂面后（保證試件均勻），使用數控機床截取中部兩個厚度為25 mm 的圓盤，并對中切開及在跨中進行切縫，具體成型過程見圖1。

圖1 SCB 試件成型過程

縫深分別設置為0.5 inch、1.0 inch、1.5 inch，試驗溫度為-18 ℃，平行試件3 組。加載速率為0.5 mm/min，跨徑定位120 mm。加載前將試件放進-18 ℃的冰箱進行保溫，試驗開始時取出并放置于加載裝置上進行加載，UTM 將同步記錄力-位移的變化曲線。

（2）斷裂韌性指標計算

許多學者都通過SCB 試驗結果計算斷裂韌性來衡量瀝青混合料的低溫抗裂性能[9-11]。對于第一類裂縫，ISRM 推薦采用（1）來計算斷裂韌性：

式中：s—半跨徑長度，m；

r—半圓試件的半徑，m；

a—預開縫的深度，m；

t—半圓試件的厚度，m；

根據Lim[12]的計算結果，當時，可按下式計算：

通常KIC越大，說明瀝青混合料的低溫抗裂性能越好，越不容易發生低溫開裂。（3）斷裂能指標計算

根據RILEM TC 50-FMC 推薦[13]，取用斷裂能指標Gf對瀝青混合料性能進行評價:

斷裂能指標表示從裂縫出現到裂縫貫穿整個事件過程中，壓力需要做功的總和，因此，斷裂能指標越大，瀝青混合料抵抗低溫開裂的能力越強。本文的斷裂能指標直接由UTM試驗結果得到。（4）積分計算

在彈塑性分析中，積分被廣泛的用來評價粘彈性材料的抗裂性能。計算同一種材料在若干不同深度切縫下的SCB 試驗的斷裂能密度，并依據公式（4）計算臨界J積分—Jc（Critical Strain Energy Release Rate）:

圖2為ESSO70 號瀝青的 計算過程，單位厚度應變能密度與切縫深度線性擬合得到的斜率的絕對值即為所求的 值，圖2中計算得到ESSO70 號瀝青的 為0.9764。

圖2 ESSO70 號基質瀝青J 積分計算過程

2 試驗結果分析

2.1 BBR 試驗結果分析

通過連續低溫分級來更為精準地反應不同瀝青的低溫性能。依據SHRP 公式計算不同種類瀝青的低溫分級如圖3所示。

圖3中BA 表示基質瀝青，3 L、4.5 L、6 L表示線性SBS 摻量為3.0%、4.5%、6.0%的改性瀝青，3R、4.5R、6R 表示星形SBS 摻量為3.0%、4.5%、6.0% 的改性瀝青，5TB、10TB、15TB、20TB 表示TB 摻量為5%、10%、15%、20%的改性瀝青，0.4P、0.8P、1.6P、2.0P 表示PPA 摻量為0.4%、0.8%、1.6%、2.0%的改性瀝青。從圖中可以看出，基質瀝青改性后低溫分級都低于原基質瀝青。其中TB 改性對于基質瀝青的低溫性能提升最為明顯。至于工程上最為常用的SBS 類改性，在SBS 含量為3%時，線形SBS 改性瀝青的低溫性能劣于星形SBS。而當SBS 含量上升到4.5 及6%時，線形SBS 改性瀝青和星形SBS 改性瀝青的低溫性能基本一致。考慮到工程中常用SBS 改性瀝青的SBS 含量一般為3%～5%，因此在對瀝青低溫性能有較高要求的情況下，推薦使用星形SBS 改性瀝青。適量PPA 的加入有利于改善瀝青的低溫性能，但是當PPA 的摻量較高時，改性提升低溫性能的效果變得不明顯起來。這可能是因為過多的PPA 與與瀝青中介電常數較大的官能團發生作用，導致瀝青從“溶-凝膠型”變為“凝膠型”，從而變硬變脆，低溫性能變差。

圖3 不同種類瀝青的低溫分級

2.2 半圓彎拉試驗結果

依據公式（1）、（3）、（4）計算斷裂韌性KIC、斷裂能Gf、J積分Jc結果如圖4、5、6 所示。

從圖4、圖5的數據可以看出，斷裂韌性的大小與切縫深度沒有明顯的相關性，而斷裂能的大小與切縫深度有較強的相關性，一般來說，切縫深度越深，斷裂能越小。這是因為切縫越深，拉裂試件所需要做的功越少。

設置0.5 inch、1.0 inch、1.5 inch 三個不同切縫深度主要是為了計算J積分值，至于通過斷裂韌性和斷裂能的大小比較來評價瀝青混合料的低溫性能，本文選取裂縫深度1.0 inch作為評價標準。如上文所述，斷裂韌性KIC、斷裂能Gf、Jc值越大，瀝青混合料低溫抗裂性能越好。因為三種指標的量級不一樣，為方便比較三種指標的評價結果，把三種指標各自最大的指標值取為1，然后進行歸一化處理，并以百分數的形式表示出來。結果如圖7所示。

從圖7可以看出：無論是采用KIC指標、Gf指標還是J積分指標，改性瀝青混合料的低溫性能普遍優于基質瀝青，并且隨著摻量的增加，低溫性能有提高的趨勢。但是通過三種指標對瀝青混合料低溫性能排序時，仍然存在不一致性，采用不同的評價指標對評價結果有較大的影響，因此選用合理的評價指標十分重要。

圖4 斷裂韌性計算結果

圖5 斷裂能計算結果

圖6 J 積分計算結果

圖7 歸一化后不同瀝青混合料三種SCB 指標結果

2.3 低溫連續分級與三個指標的皮爾遜相關性分析

將通過BBR 試驗測得的14 種瀝青的連續低溫分級與其對應的瀝青混合料三大指標進行雙尾皮爾遜相關性分析，來找出SCB 三大指標中最適合用來評價瀝青混合料低溫性能的指標，結果如表3所示。

表3 SCB 三大指標與低溫連續分級相關性分析結果

一般來說，皮爾遜系數的絕對值在0.6 ～0.8之間、顯著性值小于0.05，說明兩變量之間是強相關。如表3中所示，斷裂韌性KIC與低溫連續分級相關性很小，顯著性也遠大于0.05，說明，通過SCB 試驗結果計算得到的KIC指標并不適合用來直接評價瀝青混合料的低溫性能。斷裂能Gf、Jc與低溫連續分級的皮爾遜相關性系數均在0.6 ～0.8 之間并且顯著性均小于0.05，說明斷裂能、J積分均與與低溫連續分級強相關，其中斷裂能指標與低溫連續分級的相關性最強，因此是三個指標中最適合用來評價瀝青混合料低溫性能的指標。

3 結論

a）從低溫連續分級的角度來說，改性瀝青的低溫性能普遍優于基質瀝青，TB 類改性瀝青低溫性能提升最為明顯。

b）通過半圓彎拉試驗結果計算KIC、Gf、Jc指標評價多種瀝青混合料的低溫性能結果并不完全一致，尤其是KIC和Gf評價結果存在的差異較大。

c）通過皮爾遜相關性分析發現，瀝青混合料的Gf、Jc指標與對應的瀝青低溫連續分級強相關，Gf指標相關性最強，因此最適合用來評價瀝青混合料低溫性能。