PA-1/UV-531/SBR改性瀝青混合料高低溫性能評價

閔天府(青海大學土木工程學院，青海 西寧 810016)

0 引言

青海省地處西北寒旱區，具有干燥、寒冷、溫差、強紫外線和大風等氣候特征及冷熱交替等典型的氣候條件，導致瀝青路面過早老化，路用性能嚴重降低，因此，提高青藏高原地區瀝青路面路用性能具有一定研究意義?；诖?，文章分別對0.7%PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR(占基質瀝青質量分數)改性瀝青混合料進行高溫車轍試驗和半圓彎曲試驗，采用動穩定度技術指標評價瀝青混合料高溫穩定性，以斷裂能和斷裂韌性作為評價瀝青混合料低溫抗裂性指標。試驗結論有望對青海地區瀝青路面高低溫性能評價體系提供參考和依據。

李寧等[1]通過研究車轍深度發現泡沫溫拌瀝青混合料高溫穩定性能更好；何俊輝等[2]研究結果表明隨著荷載增大，瀝青混合料動穩定度降低，車轍深度呈增大趨勢；同時有關學者對影響瀝青混合料低溫性能有關因素進行分析[3]。美國SHRP計劃提出將J積分作為評價瀝青路面開裂指標[4]。

1 材料概況

1.1瀝青技術指標

試驗選用抗剝落劑PA-1、抗紫外線劑UV-531和丁苯橡膠SBR三種改性劑，制備組分為0.7% PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR復配改性瀝青，性能測試結果如表1所示。

表1 0.7%PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 復配改性瀝青主要技術指標

1.2 瀝青混合料配合比設計

研究選用AC-16密集配瀝青混合料類型，集料采用石灰巖材質的碎石和礦粉，配比為10 ～ 20 mm∶10～15 mm∶5～10 mm∶3～5 mm∶0～ 3 mm∶礦粉 =16∶19∶14∶19∶29∶3，通過一系列馬歇爾穩定度和體積試驗，確定最佳油石比為4.5%。對粗、細集料以及礦粉技術指標測定結果滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》對于各項指標的技術要求。瀝青混合料級配設計結果如表2所示。

表2 AC-16瀝青混合料級配設計結果

2 試驗方法

2.1 高溫車轍試驗

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》，進行高溫車轍試驗。首先將成型好的尺寸為300 mm× 300 mm×50 mm車轍試件置于室溫養護24 h，然后置于60 ℃的試驗環境中保溫6 h之后進行車轍試驗，試驗溫度60 ℃，輪壓為0.7 MPa，速率42次/min的標準條件下進行。碾壓時間為60 min，每組試驗進行3次平行試驗，取平均值作為結果。

2.2 SCB試驗加載

SCB試驗采用UTM-130瀝青混合料多功能試驗機，以0.05 kN/s接觸試件，產生接觸力0.1±0.01 kN，以0.5 mm/min豎向位移下壓速率對試件進行加載，荷載下降到最大值的25%時終止試驗。SCB試驗試件尺寸為：直徑150 mm、厚度24.7 mm，預切口15 mm的半圓切片。試驗溫度為-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃。SCB試件在試驗溫度下養護3 h，每個溫度進行2組有效平行試驗，取平均值作為結果。

3 結果與分析

3.1 SCB試驗

SCB試驗基于彈塑性斷裂力學理論，對五個溫度下-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃的SCB試件進行加載，得到荷載-位移曲線圖，如圖1所示。

圖1 不同溫度下SCB試件荷載-位移曲線

瀝青混合料屬于感溫性材料，溫度降低會引起瀝青混合料脆性提高。由圖1可見，SCB試件荷載-位移曲線受溫度影響顯著，破壞峰值荷載隨著溫度降低逐漸增大，在0～-5 ℃之間，峰值荷載變化上升幅度最大，提高率達到48.2%。同時，不同溫度下峰值荷載之后仍有下降段，說明SCB試件在達到極限抗壓強度后，仍具有彈性變形能力。

3.1.1 基于斷裂能指標評價SCB試件低溫抗裂性能

斷裂能按公式(1)進行計算，得到五個溫度下的斷裂能，繪制成圖2。

圖2 改性瀝青混合料SCB試件斷裂能柱狀圖

式中：wf為斷裂功，wf=∫Pdu，P為荷載，u為平均線位移；Alig為韌帶區域，Alig=(r-a)t，r為試件半徑，a為開口長度，t為試件厚度。

由圖2所示，溫度變化會對瀝青混合料抗裂性能產生顯著影響，隨著溫度降低，斷裂能先增大后降低，并在0 ℃達到峰值。說明SCB試件在0 ℃時抗裂性能最好。0 ℃以下時，溫度降低會引起材料彈性變形能力減弱，產生破壞所需能量減小。同時發現0～-5 ℃，斷裂能變化顯著，減小率達到53.1%。分析原因：溫度降低使瀝青變硬變脆，引起瀝青—集料之間黏附性變差，瀝青混合料內部出現溫度應力累積，導致試件還未達到所承受極限抗拉強度時，累積溫度應力已達到自身抗拉強度極限值而破壞，因此低溫環境下斷裂能較小。

3.1.2 基于斷裂韌性指標評價SCB試件低溫抗裂性能

斷裂韌性按公式(2)～(4)進行計算，將五種溫度下的斷裂韌性計算結果繪制成圖3所示。

圖3 改性瀝青混合料SCB試件斷裂韌性折線圖

式中：Y(I(0.8))為標準應力強度因子；σ0為峰值荷載對應的應力；a為裂縫長度；P為施加荷載；r為試件半徑；t為試件厚度。

斷裂韌性是表征材料組織裂縫擴展能力的固有屬性，如圖3所示，SCB試件斷裂韌性隨著溫度降低，先升高后下降，并在0 ℃時達到最高值1.06 MPa·m0.5,0 ℃之后，斷裂韌性開始大幅減小，說明此時SCB試件開裂程度從0 ℃開始變大，抗裂縫發展水平更差。采用斷裂韌性評價指標和斷裂能評價結果一致，說明0.7%PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 改性瀝青混合料SCB試件低溫抗裂性在0 ℃時達到最佳。

3.2 高溫車轍試驗

每組試樣記錄0～60 min內的車轍位移，間隔5 s取一個點，共取13個點，將3組試件車轍結果繪制成如圖3所示曲線。采用動穩定度(DS)值作為評價瀝青混合料高溫抗車轍性能指標，動穩定度越大，說明車轍永久變形速率越慢，高溫抗車轍能力越好。計算公式如下式：

式中：DS為瀝青混合料車轍動穩定度(次/mm)；d1、d2分別為對應時間t1、t2的變形量；C1為試驗機類型系數，曲柄連桿驅動加載輪往返運行方式為1.0；C2為試件系數，實驗室制備寬為300 mm的試件為1.0；N為試驗輪往返碾壓速度，通常為42次/min。

如圖4所示，三組車轍試驗曲線表明：隨著車轍碾壓時間的增長，車轍板的變形量不斷增大，變化速率逐漸趨于平緩。

圖4 改性瀝青混合料漢堡車轍試驗曲線

根據JTG F40—2019《公路瀝青路面施工技術規范》規定：青海地區瀝青混合料車轍試驗DS≥2 400次/mm。通過對三組試驗結果計算分析，0.7% PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 改性瀝青混合料三組DS平均值比標準值高63.75%，說明改性瀝青混合料動穩定度滿足青海地區要求，具有較好的高溫抗車轍能力。

4 結語

(1)采用斷裂能和斷裂韌性評價指標，發現0.7% PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 改性瀝青混合料低溫抗裂性在0 ℃達到最佳。在10～-10 ℃溫度范圍內，瀝青混合料在達到極限抗壓強度后，仍具有彈性變形能力。

(2)高溫車轍試驗結果表明，0.7%PA-1/1.6% UV-531/1.0% SBR 改性瀝青混合料動穩定度比標準值提高63.75%，具有較好的高溫抗車轍能力，滿足規范對青海地區要求。