基于SCB試驗的改性瀝青混合料中溫抗裂性能研究

丁子豪

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摘要 選取某種硬質(zhì)瀝青、高粘高彈改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，通過半圓彎曲試驗對不同改性瀝青混合料的中溫抗裂性能進行了研究。結(jié)果表明：在中溫條件下，硬質(zhì)瀝青混合料的破壞強度較大;在裂縫擴展階段，高粘高彈改性瀝青混合料的變形能力要強于硬質(zhì)瀝青混合料，且SMA-13混合料的變形性能要優(yōu)于AC-13混合料;從斷裂能角度分析，硬質(zhì)瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的能力強于高粘高彈改性瀝青混合料，而高粘高彈改性瀝青混合料帶裂縫工作的能力較強。

關鍵詞 半圓彎曲試驗;改性瀝青混合料;中溫抗裂性能;斷裂能

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0144-03

0 引言

隨著交通荷載的累積及氣候惡劣的加劇，越來越多的改性瀝青被用作瀝青路面的膠結(jié)料，以確保瀝青路面的高溫抗車轍性能、低溫抗開裂性能及耐疲勞性能得到提升。現(xiàn)階段困擾江蘇省高速公路瀝青路面技術狀況的頭號難題依然是路面開裂[1]，與低溫季節(jié)瀝青路面易發(fā)生脆裂相比，長路齡路面近年來開始呈現(xiàn)常溫季節(jié)開裂的趨勢。針對瀝青混合料的抗裂性能，小梁彎曲試驗、間接拉伸試驗及半圓彎曲試驗（以下簡稱“SCB試驗”）均有其適用的場景。與前兩種試驗方法相比，SCB試驗具有諸多優(yōu)勢。首先，SCB試驗操作方法簡單，便于重復性試驗。其次，SCB試驗是基于斷裂力學的研究方法，能夠更為科學地解釋瀝青混合料的抗裂性能[2]。斷裂力學理論指出瀝青混合料的開裂主要包括兩個階段：裂縫的產(chǎn)生與裂縫的擴展。

選取SCB試驗深入研究瀝青膠結(jié)料種類、級配類型對改性瀝青混合料中溫抗裂性能的影響，從而為不同氣候特征地區(qū)減少瀝青路面開裂提供一定參考。

1 試驗方案

1.1 原材料

選取兩種成品改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料。其一為某種硬質(zhì)瀝青，多用于易發(fā)生車轍的地區(qū)，以下簡記為“Ⅰ瀝青”;另一種為某高粘高彈改性瀝青，其動力黏度較大且變形能力較強，在高寒地區(qū)具有廣闊的應用場景，以下簡記為“Ⅱ瀝青”。兩種改性瀝青的基本技術指標見表1。

使用的粗集料、細集料均為玄武巖，填料為石灰?guī)r礦粉。其中SMA混合料還需摻入一定量的纖維，其用量為混合料質(zhì)量的0.3%。

1.2 試件制備

選取兩種瀝青路面面層常用級配AC-13與SMA-13，其不同篩孔的通過率均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTG F40—2004）要求。首先，使用馬歇爾法確定AC-13、SMA-13混合料的最佳瀝青用量。其次，高溫拌和后使用Superpave旋轉(zhuǎn)壓實儀成型直徑150 mm，高度180 mm的圓柱體瀝青混合料，脫模后放在室溫條件下至少養(yǎng)生2天。再次，使用切割機沿高度方向切除圓柱體上、下表面各15 mm，然后在高度方向?qū)ζ溥M行三等分切割，從而得到3個直徑150 mm，高度50 mm的小圓柱體試件，再沿直徑方向?qū)Π肭懈詈蟮玫?個用于SCB試驗的半圓形試件。最后，使用小型切割機對半圓試件進行預切縫處理，預切縫在矩形截面中部位置，其深度為15 mm。

1.3 試驗方法

如圖1所示，借助萬能試驗機進行SCB試驗，試驗的加載速率為50 mm/min。為評價改性瀝青混合料的中溫抗裂性能，試驗溫度確定為25 ℃，試驗開始之前SCB試件須在25 ℃恒溫環(huán)境箱中至少保溫4 h[3]。為保證試驗結(jié)果的可靠性，每種改性瀝青混合料至少進行4組平行試驗，根據(jù)標準偏差剔除離散程度較大的數(shù)據(jù)并補充平行試驗，最終取有效數(shù)據(jù)的平均值作為試驗結(jié)果。

從強度、變形、能量三個角度評價不同改性瀝青混合料的中溫抗裂性能[4]。如圖2所示，強度評價指標為峰值力Fmax，其定義為豎向加載力—位移曲線的峰值點對應的加載力;變形能力評價指標為峰值位移DP及破壞位移Dcf，DP為峰值力Fmax對應的位移，Dcf為豎向加載力—位移曲線峰后部分豎向力為Fmax/2時對應的位移;能量指標綜合考慮試件的受荷與變形能力，該次使用峰前斷裂能Gbf與峰后斷裂能Gaf分別評價改性瀝青混合料在裂縫產(chǎn)生前后的抗裂性能，Gbf與Gaf的計算方法見公式（1）～（5）。

式中：A為試件的中部連接面積，mm2;r為試件半徑，mm;a為預切縫深度，mm;t為試件厚度，mm;Fb為試件峰前階段的豎向力，kN;Fa為試件峰后階段的豎向力，kN;u為試件的豎向位移，mm。

2 試驗結(jié)果與分析

不同改性瀝青混合料SCB斷裂試驗的結(jié)果如表2所示，以下分別從強度、變形能力及能量角度進行具體分析。

2.1 強度

圖3展現(xiàn)了不同改性瀝青混合料SCB斷裂試驗峰值力的差異情況。由圖3可知，無論級配類型是AC-13還是SMA-13，Ⅰ瀝青混合料的峰值力Fmax均要明顯大于Ⅱ瀝青混合料，這表明瀝青膠結(jié)料性質(zhì)對混合料的強度影響較為顯著。25 ℃下Ⅰ瀝青的針入度遠小于Ⅱ瀝青，在一定程度上保證了中溫條件下Ⅰ瀝青混合料的強度更大，即硬質(zhì)瀝青混合料中溫條件下的強度要明顯大于高粘高彈改性瀝青混合料。此外，當瀝青膠結(jié)料為Ⅰ瀝青時，AC-13混合料的峰值力要大于SMA-13混合料;當瀝青膠結(jié)料為Ⅱ瀝青時，AC-13混合料的峰值力要略小于SMA-13混合料，這表明級配對改性瀝青混合料強度的影響相對較弱。

2.2 變形能力

圖4（a）～（b）表征不同改性瀝青混合料在SCB斷裂試驗中的變形能力。由圖4（a）可知，在改性瀝青混合料開裂的瞬間，SMA-13級配的Ⅱ瀝青混合料的位移要明顯大于其余三種改性瀝青混合料，而AC-13級配的Ⅱ瀝青混合料峰值位移最小。根據(jù)圖4（b），進一步跟蹤不同改性瀝青混合料產(chǎn)生裂縫之后的變形情況，可以發(fā)現(xiàn)同一級配的Ⅱ瀝青混合料破壞位移均要大于Ⅰ瀝青混合料，這表明在裂縫擴展階段，高粘高彈改性瀝青混合料擁有更好的變形能力。在瀝青膠結(jié)料相同的情況下，SMA-13級配的改性瀝青混合料的破壞位移更大，即SMA-13改性瀝青混合料在裂縫擴展階段的變形能力要略優(yōu)于AC-13。

2.3 斷裂能

圖5（a）～（b）分別為不同改性瀝青混合料在裂縫產(chǎn)生之前及裂縫擴展階段的斷裂能情況。由圖5（a）可知，同一級配Ⅰ瀝青混合料的峰前斷裂能均要大于Ⅱ瀝青混合料，主要原因是裂縫產(chǎn)生之前Ⅰ瀝青混合料承受的加載力要明顯大于后者，這表明相同級配條件下，硬質(zhì)瀝青改性瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的性能要優(yōu)于高粘高彈改性瀝青混合料。從圖5（b）可以看出，從裂縫產(chǎn)生到裂縫穩(wěn)定擴展階段，相同級配條件下，雖然Ⅰ瀝青混合料峰值力相對較大，但Ⅱ瀝青混合料帶裂縫的變形量更大，綜合兩個因素之后Ⅱ瀝青混合料的峰后斷裂能反而大于Ⅰ瀝青混合料，表明高粘高彈改性瀝青混合料帶裂縫的工作能力要強于硬質(zhì)瀝青混合料，即高粘高彈改性瀝青混合料在中溫條件下能夠保持更為穩(wěn)定的延性破壞狀態(tài)。

3 結(jié)論

該研究選取硬質(zhì)瀝青、高粘高彈改性瀝青作為瀝青膠結(jié)料，并探究了級配對混合料性能的影響，通過半圓彎曲試驗研究了不同改性瀝青混合料在中溫條件下的抗裂性能，根據(jù)試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：

（1）與級配類型相比，瀝青膠結(jié)料的種類對改性瀝青混合料的強度影響更為顯著，且中溫條件下硬質(zhì)瀝青混合料的強度要明顯大于高粘高彈改性瀝青混合料。（2）相同級配條件下，高粘高彈改性瀝青混合料在裂縫擴展階段的變形能力要優(yōu)于硬質(zhì)瀝青混合料;同一瀝青膠結(jié)料條件下，SMA-13瀝青混合料在裂縫擴展階段的變形能力要優(yōu)于AC-13瀝青混合料。（3）相同級配條件下，硬質(zhì)瀝青混合料抵抗裂縫產(chǎn)生的性能要優(yōu)于高粘高彈改性瀝青混合料;高粘高彈改性瀝青混合料在中溫條件下能夠保持更為穩(wěn)定的延性破壞狀態(tài)。

參考文獻

[1]蔣振雄.江蘇省廿年瀝青路面技術框架與發(fā)展路徑[J].公路交通科技，2020（2）：15-21.

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[3]鄭得標.瀝青混合料中低溫半圓彎曲斷裂試驗關鍵參數(shù)研究及粘彈性分析[D].南京：東南大學，2020.

[4]Jiang J，Dong Q，Ni F，et al.Effects of loading rate and temperature on cracking resistance characteristics of asphalt mixtures using nonnotched semicircular bending tests [J].Journal of Testing and Evaluation，2018（4）：2649-2663.