SMA瀝青混合料的凍斷溫度及其影響因素研究★

丁 燦，沈菊男

(蘇州科技大學土木工程學院 省生態道路技術產業化中心，浙江 蘇州 215009)

1 概述

瀝青混合料的低溫開裂一直是國內外道路工程領域關心和研究的熱點問題。在我國北方地區由于溫度的降低導致路面內部溫度應力產生的裂縫病害也十分普遍。如果不加以修復，隨著積水侵入，面層基層軟化，路面承載力和使用壽命會降低，還會增加維護費用，造成經濟損失，所以研究其低溫抗裂性能具有重要工程意義。國內外學者對低溫性能進行了大量研究。陳世廣等[1]通過凍斷試驗計算環氧瀝青混合料的斷裂溫度與強度，發現其油石比為6.5%時低溫性能最優。譚憶秋等[2]發現成品SBS改性瀝青的凍斷溫度比一般瀝青低4 ℃，SMA類瀝青混合料的凍斷溫度比AC類瀝青混合料低6 ℃～10 ℃。馮卡等[3]發現破斷溫度評價瀝青的低溫抗裂性能更直觀，破斷強度是重要的參考指標。王善興[4]發現同類型瀝青混合料 SMA-13比AC-13凍斷溫度降低9.5%，凍斷應力提高8.3%。顧明達[5]研究發現凍斷溫度與轉折點溫度的相關性最大，彎拉應變、彎曲勁度模量、破壞應變和破壞勁度模量與凍斷溫度的相關系數都在0.8以上；彎拉強度，劈裂抗拉強度與凍斷溫度的相關系數小于0.8。王海朋等[6]通過四點彎曲試驗和Overlay test試驗，分析了不同空隙率的應力吸收層AC-10和CAM-10瀝青混合料的抗反射裂縫性能，發現采用目標空隙率為2%的CAM-10瀝青混合料低溫抗裂性能最優。閆科偉等[7]應用圓盤拉伸試驗進行溫度為-12 ℃下的瀝青混合料斷裂試驗，選取斷裂應變容限值為評價指標。王磊等[8]利用有限元計算出路面結構溫度場，發現面層線膨脹系數減小，溫度應力也會減小。耿立濤等[9]利用Hankel積分變換等數學手段推導出解析式并研究溫度對瀝青混合料材料特性的影響關系。才洪美等[10]發現圓盤拉伸試驗測定的破壞應變與凍斷試驗得到的斷裂溫度之間存在較好的相關性。Aflaki S等[11]選用Burgers模型擬合出對應的模型參數發現橡膠粉改性瀝青的低溫抗裂性要優于其他三種改性瀝青。Huang B.S等[12]建立了熱拌瀝青混合料細觀力學模型來預測抗拉強度，與低溫數據進行對比發現一致性較好。Das P K等[13]建立的熱斷裂模型考慮了斷裂能閾值和非線性熱膨脹系數，結果表明非線性熱膨脹系數對低溫抗裂性能的預測結果準確性更好。

本研究目的是提高SMA瀝青混合料低溫抗裂性能。為此，主要探討了SMA瀝青混合料凍斷溫度及其影響因素。設計三種不同改性瀝青和九種SMA混合料，進行約束試件凍斷試驗、小梁彎曲試驗、瀝青彎曲梁流變試驗和瀝青混合料的體積參數，分析研究各參數對凍斷溫度的影響規律。

2 試驗設計與方法

2.1 原材料

本研究采用的基質瀝青為韓國雙龍70號石油瀝青。SBS改性瀝青為試驗室高速剪切機以7 500 r/min在160 ℃ 攪拌爐中剪切40 min制備而成，SBS摻量為4.5%，主要性能指標見表1。三大指標和動力黏度均符合JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術規范，測試參數見表2。

表1 SBS改性劑的性能指標

表2 4.5%改性瀝青性能指標

另一改性劑選用60目的橡膠粉，技術指標見表3，在SBS改性瀝青的基礎上采用濕拌法制備，摻量分別為10%和20%。結合上文提到的SBS改性瀝青共制備成三種改性瀝青，以下簡記為A，B，C。

表3 橡膠粉的技術指標

粗細集料選用海南產玄武巖碎石，共4檔：10 mm～15 mm，5 mm～10 mm，3 mm～5 mm，0 mm～3 mm，技術指標見表4。

表4 集料技術指標

2.2 SMA混合料配合比設計和試驗組合

SMA作為瀝青混合料中抗車轍性較好的級配類型，同時，試驗證明它的低溫抗裂性能也較好。所以本研究選用SMA為混合料的級配。圖1是SMA-13，SMA-10和SMA-5三種最大公稱粒徑的集料篩孔通過率以及合成級配曲線。

采用馬歇爾試驗方法測定并計算體積參數，試驗結果見表5。其中SMA-13的最佳配比：10 mm～15 mm，5 mm～10 mm，0 mm～3 mm和礦粉的用量為44%，35%，15%和8%；SMA-10的最佳配比：5 mm～10 mm，3 mm～5 mm，0 mm～3 mm和礦粉的用量為55%，15.5%，20.5%和9%；SMA-5的最佳配比：3 mm～5 mm，0 mm～3 mm和礦粉的用量為63.9%，22.9%和13.2%。

表5 瀝青混合料的體積參數

試驗組合：將九種不同瀝青混合料按照瀝青種類分成三組，其中4.5%SBS改性瀝青為A，4.5%SBS+10%CRM雙改性瀝青為B，4.5%SBS+20%CRM雙改性瀝青為C。

2.3 試驗方法

1)約束試件溫度應力試驗。

約束試件溫度應力試驗采用UTM萬能試驗機進行，如圖2所示。試件為輪碾法壓實成型的瀝青混合料切割成50 mm×50 mm×250 mm的棱柱體，擬試驗初始溫度為10 ℃，降溫速率為15 ℃/h，采用三個平行試件取均值得到試驗結果。

2)瀝青混合料小梁彎曲蠕變試驗。

小梁彎曲試驗采用低溫小梁彎曲蠕變儀，如圖3所示，加載速率為50 mm/min，小梁試件為車轍板輪碾法壓實成型的瀝青混合料切割成200 mm×30 mm×35 mm的棱柱體，試驗得到-10 ℃下小梁破壞時的跨中撓度d和最大荷載PB，采用三個平行試件取均值得到試驗結果。

3)瀝青彎曲梁低溫流變試驗。

瀝青彎曲梁低溫流變試驗儀器為彎曲梁流變儀試驗儀器為彎曲梁流變儀，如圖4所示。按照JTGE 20—2011規程制備試件，在-5 ℃的水浴中冷卻10 min再脫模。試驗前將試件放入試驗溫度±0.5 ℃的恒溫水浴中保持(60±5)min。三種改性瀝青試驗溫度擬-12 ℃，-18 ℃和-24 ℃，每組試驗采用三個平行試件，得到勁度模量S和蠕變速率m。

3 試驗結果和分析

3.1 凍斷應力與凍斷溫度的影響關系

將SMA混合料按照最大公稱粒徑分別為5 mm，10 mm和13 mm分編為1，2，3，則A1～A3，B1～B3，C1～C3的 約束試件溫度應力試驗結果以及凍斷溫度與應力之間的關系分別如表6，圖5所示。

表6 不同瀝青混合料約束試件溫度應力試驗結果

由表6可知，A，B，C三組的凍斷溫度均隨凍斷應力的減小而升高。對于A組瀝青混合料，凍斷應力從A1的4.83 MPa到A2的2.05 MPa再到A3的1.48 MPa，對應的凍斷溫度卻逐級升高，從-22.4 ℃到-18.9 ℃再到-16.7 ℃，凍斷溫度增幅為15.6%和11.6%，整體增幅25.4%，說明凍斷應力越小，瀝青混合料的凍斷溫度也會越高，低溫抗裂性能也就越差。對于B組瀝青混合料，當凍斷應力從B3的1.60 MPa到B2的2.87 MPa再到B1的5.40 MPa逐級提高，對應的凍斷溫度從-20.4 ℃到-23.8 ℃再到-29.2 ℃逐級降低，凍斷溫度減幅為16.7%和22.7%，整體減幅43.1%，說明凍斷應力越大，瀝青混合料的凍斷溫度越低，表現出越來越優異的低溫抗裂性能，從反面驗證了凍斷應力對凍斷溫度的影響明顯。這一影響規律在C組試驗中則更為顯著，當C1的凍斷應力達到6.15 MPa時，其凍斷溫度降為九種瀝青混合料中最低值-31.5 ℃。

通過分析上文的試驗結果可以發現，凍斷應力與凍斷溫度之間聯系緊密相互影響，凍斷溫度越低其凍斷應力越高，低溫抗裂性能越好，反之，提高混合料的凍斷應力有利于降低其凍斷溫度，解決溫縮開裂問題。

3.2 瀝青低溫流變性能與瀝青混合料凍斷溫度的關系

利用彎曲梁流變儀測試A，B，C三類改性瀝青的勁度模量和蠕變速率，研究不同溫度環境下瀝青的低溫流變情況，試驗數據以及關系變化如表7，圖6所示，圖7橫軸命名為ABC+試驗溫度。

表7 三種瀝青低溫流變的試驗結果

從圖7可知，A，B，C三類改性瀝青的勁度模量和蠕變速率受試驗溫度的影響之大。A瀝青在-12 ℃的勁度模量為85.5 MPa，當試驗溫度降低到-18 ℃和-24 ℃時，勁度模量升高到237.6 MPa和344.2 MPa，同樣地，蠕變速率隨著溫度降低從0.365先降低到0.309再降到0.254，說明瀝青的流動性和韌性隨著溫度降低越來越差，且勁度模量和蠕變速率呈負相關。相比之下，B瀝青也存在同樣的變化趨勢，但其勁度模量整體優于A瀝青和C瀝青，在-12 ℃的勁度模量最小，為81.3 MPa，但-24 ℃的勁度模量307.5 MPa>300 MPa，不滿足一般路用安全要求，瀝青在-24 ℃容易脆斷。B瀝青的蠕變速率在-24 ℃時較其他兩類瀝青好，但僅為0.297<0.3，同樣說明-24 ℃的瀝青流動性較差。

由于瀝青是瀝青混合料中主要的原材料，所以分析瀝青的低溫流變性能對研究瀝青混合料的凍斷溫度具有重要意義。綜合三組瀝青的測試結果可知，勁度模量與蠕變速率呈反相關關系。試驗溫度越低，瀝青的勁度模量越大，蠕變速率越小，韌性變差，脆性增大越易斷裂，凍斷溫度也會越高。

3.3 混合料體積參數與凍斷溫度的影響關系

根據2.2節SMA瀝青混合料配比設計及體積參數可知，不同最大公稱粒徑瀝青混合料的最佳瀝青用量有所不同，所以本小節通過研究混合料體積參數分析對凍斷溫度的影響，圖7，圖8橫軸為ABC+最佳瀝青用量。

圖7是最大公稱粒徑下，A，B，C瀝青混合料的毛體積密度和空隙率隨最佳瀝青用量變化的情況。從各組A,B,C瀝青混合料來看，A的毛體積密度略高于B，C瀝青混合料，在A，C最佳瀝青用量相差0.6%時，SMA-5的最大值為2.503 g/cm3，最小值2.493 g/cm3，差值0.01 g/cm3。SMA-10和SMA-13的最大最小毛體積密度之差也只有0.017 g/cm3和0.021 g/cm3。說明各類型瀝青混合料的毛體積密度差異較小，即毛體積密度并非影響最佳瀝青用量的關鍵因素。從空隙率方面看，由于瀝青用量增多，混合料之間的空隙率會急劇下降，而且SMA-5和SMA-10的最大最小空隙率相差0.11和0.12，但SMA-13的最大最小空隙率差值最小為0.03，這主要是因為其瀝青用量增加較少造成的。綜合兩項體積參數可知增加瀝青用量會減小SMA混合料的空隙率而對毛體積密度的影響較小。

圖8是最大公稱粒徑下，A，B，C瀝青混合料的礦料間隙率和飽和度隨最佳瀝青用量變化的情況。SMA-5和SMA-10兩組變化趨勢較為相似，當瀝青用量從6.3%提高到6.9%，SMA-5的礦料間隙率從17.6%降為17.2%。當瀝青用量從6.1%提高到6.6%，SMA-10的礦料間隙率從17.9%降為17.5%。說明對于SMA-5和SMA-10增加瀝青用量會降低礦料間隙率，兩者呈反相關。但對于大粒徑SMA-13較為特殊，B瀝青用量6.1%的礦料間隙率18.7%遠高于A-5.8%和C-6.1%。從飽和度來看，SMA-5的B-6.7%和SMA-10的B-6.5%飽和度低于同組其他瀝青用量試驗的飽和度，分別為80.6和78.3，SMA-13三組飽和度同樣與瀝青用量和礦料間隙率無明顯線性規律。

圖9是不同最佳瀝青用量與凍斷溫度的變化關系情況。當A混合料的最佳瀝青用量從6.3%分別減少到6.1%和5.8%時，凍斷溫度從-22.4 ℃分別提高到-18.9 ℃和-16.7 ℃。B混合料的最佳瀝青用量從6.7%分別減少到6.5%和6.1%時，凍斷溫度從-29.2 ℃分別提高到-23.8 ℃和-20.4 ℃。C混合料的變化規律也相似，且在最佳瀝青用量為6.9%時測得最低凍斷溫度-31.5 ℃。以上均表明凍斷溫度會隨最佳瀝青用量的減少而升高，兩者呈反相關的變化規律。

綜合體積參數分析可得空隙率的大小對最佳瀝青用量的確定影響最大，毛體及密度，礦料間隙率和飽和度的影響相對較小。所以凍斷溫度的主要影響因素來自空隙率，空隙率越小，凍斷溫度越低，低溫抗裂性能更好。

3.4 瀝青混合料低溫彎曲性能與凍斷溫度的關系

瀝青混合料的低溫彎曲性能可測定在規定溫度和加載速率時彎曲破壞的力學性質，通過跨中撓度d和最大荷載PB計算彎拉應變和彎曲勁度模量，如表8所示。

表8 小梁的低溫彎曲試驗結果

圖10是彎拉應變與凍斷溫度之間的變化關系，兩者的變化方向一致。當A混合料的彎拉應變為2 855 με，其凍斷溫度為-22.4 ℃，當彎拉應變提高到3 028 με和3 203 με時，凍斷溫度上升到-18.9 ℃和-16.7 ℃。說明A混合料的彎拉應變與凍斷溫度呈正相關，彎拉應變越小，凍斷溫度越低。B混合料的彎拉應變最大2 654 με最小2 918 με，整體小于A混合料，相應的凍斷溫度分別為-29.2 ℃和-20.4 ℃，低于A混合料的凍斷溫度區間，同樣表明越小的彎拉應變其凍斷溫度越低。C混合料的彎拉應變變化幅度小于A，B混合料，尤其SMA-10和SMA-13的彎拉應變接近，分別為2 660 με和2 664 με，但由于整體彎拉應變計算結果小于A，B混合料，其凍斷溫度波動區間更大，SMA-5的凍斷溫度達到-31.5 ℃，表現出良好的低溫性能。

圖11是彎曲勁度模量與凍斷溫度之間的變化關系，兩者的變化趨勢一致。當A混合料的彎曲勁度模量從3 082 MPa提高到3 632 MPa，其凍斷溫度從-22.4 ℃增加到-16.7 ℃，兩者呈正相關。B混合料的凍斷溫度也隨著彎曲勁度模量的降低而降低，升高而升高。由于彎曲勁度模量與彎拉應變相關，所以盡管C混合料的彎曲勁度模量變化不大，凍斷溫度整體仍然呈正相關影響。

綜上所述，小梁的彎拉應變與彎曲勁度模量也直接影響混合料的凍斷溫度，彎拉應變和彎曲勁度模量越大，其凍斷溫度會越高。

4 結論

本文以約束試件溫度應力試驗中的凍斷溫度為研究對象，準確模擬SMA瀝青路面在降溫過程中受力和破壞情況，通過凍斷應力，瀝青的勁度模量和蠕變速率，混合料的體積參數，低溫抗荷載破壞應變和彎曲勁度模量分析對凍斷溫度的影響規律。得到以下結論：

1)凍斷應力作為約束試件溫度應力試驗的另一個主要指標，與凍斷溫度聯系緊密，當凍斷應力提高70.9%，凍斷溫度降低33.7%，反之亦然，說明兩者相互影響，呈負相關且凍斷應力高的瀝青混合料具有更好的低溫抗裂性能。

2)SMA混合料的低溫性質與瀝青低溫流變性能相聯系，所以研究勁度模量和蠕變速率對凍斷溫度的影響。當瀝青的勁度模量為81.3 MPa，蠕變速率為0.383，此時試驗溫度為-12 ℃。當瀝青的勁度模量為344.2 MPa，蠕變速率為0.254，此時的試驗溫度為-24 ℃。說明降低試驗溫度，勁度模量會增大，蠕變速率會減小，流變性降低導致凍斷溫度提高。

3)體積指標中的空隙率是影響凍斷溫度的最關鍵因素。當空隙率升高0.23時，最佳瀝青用量會降低0.5%，凍斷溫度升高5.7 ℃。當空隙率升高0.32時，最佳瀝青用量會降低0.8%，凍斷溫度升高10.6 ℃。

4)凍斷溫度與小梁低溫彎曲試驗中的彎拉應變和彎曲勁度模量呈正向影響關系，當其彎拉應變和彎曲勁度模量分別降低5.3%和5.8%，凍斷溫度也會降低33.7%。說明降低瀝青混合料的彎拉應變和彎曲勁度模量，有助于降低凍斷溫度，提高其低溫抗裂性能。