基于應力-應變關聯變化的瀝青混合料低溫抗裂性能研究

萬 里，陳 軍

（湖北交投智能檢測股份有限公司，武漢 430100）

半剛性基層瀝青路面是在我國高等級公路建設中普遍采用的道路結構形式，其由半剛性基層和瀝青面層組合而成[1]。瀝青面層直接暴露于服役環境中，承受溫度、水分及交通荷載等因素的多重作用[2-3]，因而瀝青面層耐久性的好壞是決定整個道路結構能否安全服役的前提。瀝青面層由瀝青混合料鋪筑而成，骨料和瀝青是瀝青混合料的主要構成[4]。瀝青是一種溫敏性材料，因而瀝青混合料的溫度敏感性是瀝青路面耐久性的重要組成部分，主要包括高溫抗變形性能和低溫抗開裂性能。

目前在評價瀝青混合料低溫性能時，主要遵從《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[5]中的瀝青混合料彎曲試驗標準方法（T0715）。該方法雖然同時考察了瀝青混合料試件的破壞強度、破壞應變及破壞勁度模量，但在《公路瀝青路面施工技術規范》[6]中僅按照氣候類型和瀝青種類對瀝青混合料的低溫應變應達到的水平進行了規定，即主要依賴瀝青混合料低溫下能承受的最大彎拉應變這一單一指標來決定其低溫抗裂性能，這顯然比較片面。雖然在《公路瀝青路面施工技術規范》中同時也提到，最大彎拉應變并不是太滿意的低溫性能評價指標，瀝青混合料的低溫性能要結合試件的破壞強度、破壞應變、破壞勁度模量及對應的應力-應變曲線形狀進行綜合評價。而在實際操作中，因缺乏量化的標準或規定，這一評價方法的可操作性不強，主觀因素對評價結果影響較大。

綜上，為了更加綜合、科學地評價瀝青混合料低溫抗開裂性能，本研究基于瀝青混合料小梁試件在低溫彎拉過程中應力和應變的關聯變化曲線，從能量的角度提出采用斷裂能指標來評價瀝青混合料的低溫性能。主要開展了2 方面的工作，一是在分析瀝青混合料低溫性能傳統評價方法不足的基礎上，從理論方面解釋采用斷裂能指標評價瀝青混合料低溫性能的科學性；二是采用低溫性能存在顯著差別的基質瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料進行小梁彎曲試驗，獲取小梁試件浸水損傷前后的應力-應變關系，基于試驗數據進一步證實采用斷裂能指標評價瀝青混合料低溫性能的有效性。

1 斷裂能指標的提出及其科學性分析

瀝青混合料試件的低溫彎曲試驗操作如圖1 所示，所用小梁試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm，通過切割尺寸為300 mm×300 mm×50 mm 的輪碾成型瀝青混凝土板獲得。試驗時，在小梁試件的中部進行劈裂加載，在豎直方向以50 mm/min 的變形速率迫使試件彎曲直至斷裂。小梁試件在破壞過程中的受力及產生的變形被計算機實時記錄，按照式（1）和式（2）計算出小梁試件受彎破壞過程中的實時應力和應變，從而可獲得小梁試件的應力-應變曲線。

圖1 瀝青混合料低溫彎曲試驗

式中：σ（t）為試件受彎破壞過程中的實時抗彎拉強度，單位為MPa；L、b和h分別為試件的跨距、寬度和厚度，單位為mm；P（t）為試件受彎破壞過程中承受的實時荷載，單位為N；ε（t）為試件受彎破壞過程中產生的實時彎拉應變，單位為με；d（t）為試件受彎破壞過程中的實時跨中擾度，單位為mm；Sf為試件破壞時的彎曲勁度模量，單位為MPa；σmax為小梁試件破壞時的抗彎拉強度，單位為MPa；εf為試件破壞時的最大彎拉應變，單位為με。

以往在橫向對比分析不同瀝青混合料低溫彎曲性能時，常常會出現應力和應變大小關系不一致的情況。如圖2 所示為A 和B 這2 類瀝青混合料低溫彎曲試驗對應的應力-應變關系示意圖，從圖中可以看出，B類瀝青混合料能承受的極限彎拉應變比A 類瀝青混合料要大，因而就應變值而言，B 類瀝青混合料的低溫性能要優于A 類瀝青混合料。但圖2 同時顯示出，B 類瀝青混合料能承受的極限應力要明顯低于A 類瀝青混合料，當交通荷載施加給瀝青路面的應力介于σA和σB之間時，顯然B 類瀝青混合料將遭受到破壞，而A類瀝青混合料則在可承受的應力范圍內。因此，從應力（強度）方面來看，A 類瀝青混合料則具有較好的低溫抗裂性能。因而難以通過簡單的比較確定A 類和B 類瀝青混合料的低溫性能。這也說明按照《公路瀝青路面施工技術規范》，僅從瀝青混合料能承受的最大彎拉應變評價其低溫性能存在不合理性。

除了破壞應變和破壞強度，《公路瀝青路面施工技術規范》也提到要考慮瀝青混合料的破壞勁度模量及應力-應變曲線形狀。小梁試件的破壞勁度模量按照式（3）計算，其代表的意義在應力-應變曲線圖上以連接破壞點和原點的斜線段顯示。很顯然，基于破壞應力和破壞應變計算出的破壞勁度模量，并不能反映小梁試件受彎過程中的勁度模量情況。如圖2 所示，結合應力-應變曲線形狀來看，對于A 類瀝青混合料，線段1上側的應力-應變曲線段上各點對應的勁度模量總大于試件破壞時的勁度模量；而對于B 類瀝青混合料，線段2 下側的應力-應變曲線段上各點對應的勁度模量總小于試件破壞時的勁度模量。如果較小的勁度模量對低溫性能更有利，橫向對比不同瀝青混凝土時，則應以小梁試件加載過程中可能出現的最大勁度模量為基準。例如，對于A 類瀝青混合料而言，則應取線段1 上側應力-應變曲線段上某點的坐標值計算出最大勁度模量。因此，從瀝青混合料的破壞勁度模量及應力-應變曲線形狀方面考慮也存在難以確定其低溫性能好壞的情況。

圖2 瀝青混合料小梁試件受彎破壞時的典型應力-應變曲線

基于以上分析可以發現，依靠單一的應變值或者應力值評判瀝青混合料的低溫性能存在明顯不足，例如，對于承載力高而彎拉應變小的瀝青混凝土路面，可能同樣具有非常好的低溫抗裂性能。而采用小梁試件破壞時的勁度模量來反映瀝青混合料的低溫性能同樣不科學，結合應力-應變曲線形狀來看，破壞勁度模量不能反映小梁試件受彎過程中的勁度模量情況。因此，在分析瀝青混合料低溫性能時，需要考慮應力與應變的關聯變化。能量法常用于分析材料的破壞過程，其代表的意義是迫使材料發生斷裂等形式的破壞時外界需提供的最低能量。對于瀝青混合料小梁試件，在受彎破壞時，外加荷載迫使試件變形，涉及到做功的過程。因此從能量角度考慮，則同時兼顧了試件的實時應力和應變。基于此，本研究分析了采用能量指標評價瀝青混合料低溫性能的可行性，選用的能量指標為斷裂能（密度），斷裂能示意圖如圖3 所示，按照式（4）計算。可見，斷裂能充分考慮了小梁試件低溫彎拉破壞過程中實時應力和應變的關聯變化，理論上，相比傳統的瀝青混合料低溫性能評價方法，綜合性及科學性更強。

圖3 斷裂能示意圖

式中：Fe為小梁試件的斷裂能，單位為J/m3。

2 斷裂能指標的有效性分析

2.1 原材料及試驗方法

按照馬歇爾設計方法設計AC-13C 型瀝青混凝土，制備瀝青混凝土用到的原材料主要包括石灰石粗集料及細集料、石灰石礦粉及AH-70 基質瀝青和SBS改性瀝青。原材料的技術性能指標均滿足《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。

SBS 改性瀝青混合料早已被證實比普通的基質瀝青混合料具有更優越的低溫抗裂性能，因此，本研究選用這2 種低溫性能大小關系已知的瀝青混合料來驗證采用斷裂能指標評價瀝青混合料低溫性能的有效性。同時考慮到因受一系列環境因素作用，服役瀝青路面性能逐漸惡化，其中以溫度和水的影響最為突出，本研究重點考察了在水和溫度復合損傷下，采用斷裂能指標評價瀝青混合料低溫性能的有效性。采用的溫度和水復合損傷方式為：60 ℃熱水浴浸泡瀝青混合料小梁試件。

2.2 結果分析與討論

2 種瀝青混合料小梁試件經不同時長浸水破壞前后的最大彎拉應變和斷裂能計算結果分別如圖4 和圖5 所示。圖4 顯示，不管是基質瀝青混合料還是SBS 改性瀝青混合料，其最大彎拉應變并未隨浸水時間的延長表現出持續升高或者降低的趨勢。總體上來看，在浸水破壞早期，兩者最大彎拉應變都有小幅度下降，但隨著浸水時間的延長，兩者的彎拉應變又有比較明顯的恢復。彎拉應變呈現出這種比較奇怪的變化，有可能跟瀝青狀態及瀝青混合料結構的改變有關。一是長時間的浸水破壞，使得瀝青逐漸被乳化，尤其對于AH-70基質瀝青而言；另外，持續的浸水破壞使得小梁試件發生松散。這2 種因素都造成小梁試件在受彎破壞時更易發生變形，抗彎拉破壞強度下降。表面上看起來是小梁試件的最大彎拉應變在升高，實則是集料顆粒間的粘附狀態和試件結構的改變。因此，從最大彎拉應變來看，雖然SBS 改性瀝青混合料相比基質瀝青混合料具有更高的彎拉應變，但隨浸水時間的延長兩者應變并未呈現出單調變化的特征，而瀝青混合料在水的長期破壞下，性能必然是持續惡化的，因而依靠應變值的大小評判瀝青混合料的低溫性能在本研究中被證實是不可靠的。

圖4 最大彎拉應變結果

圖5 斷裂能結果

與最大彎拉應變的變化不同，基質瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料的斷裂能均隨浸水時間的延長呈現出持續下降的規律。在相同浸水時間下，SBS 改性瀝青混合料的斷裂能總是高于基質瀝青混合料，這一點與最大彎拉應變的結果類似，這也說明SBS 改性瀝青混合料低溫性能優于基質瀝青混合料。隨著浸水時間逐漸增加至7 d，基質瀝青混合料和SBS 改性瀝青混合料的斷裂能分別下降了27%和18.7%。表明熱水損傷對基質瀝青混合料的低溫性能影響更顯著，這符合基質瀝青相比SBS 改性瀝青對溫度和水分更敏感的共性結論。且斷裂能隨浸水時長的變化也符合瀝青混合料試件受環境因素破壞后性能的一般變化規律。因此，采用斷裂能指標評價瀝青混合料的低溫性能，不僅能區分不同類別瀝青對瀝青混合料低溫性能的影響，還能正確反映出環境因素對瀝青混合料性能的一般破壞規律。結果表明，采用斷裂能指標評判瀝青混合料的低溫性能相比傳統評價方法可靠性更高、科學性更強。

3 結論

本研究針對傳統瀝青混合料低溫性能評價方法存在評價指標單一或者缺乏多元指標量化評價標準等問題，從能量角度分析了采用斷裂能指標評價瀝青混合料低溫性能的可行性。獲得以下主要結論：

（1）理論分析表明，斷裂能充分考慮了瀝青混合料試件從受載到破壞全時域的實時應力-應變關聯變化特征，相比傳統瀝青混合料低溫性能評價方法，斷裂能指標綜合性及科學性更強。

（2）試驗結果證實斷裂能指標能正確區分和反映出不同瀝青種類及環境因素（水、溫度）對瀝青混合料低溫性能的一般影響規律。說明采用斷裂能指標能有效確定瀝青混合料的低溫性能。