基于半圓彎曲和間接拉伸試驗(yàn)的瀝青混合料斷裂性能研究

談海斌

摘要 為揭示不同瀝青混合料在中溫條件下的斷裂性能，文章通過半圓彎曲和間接拉伸試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料斷裂性能展開了研究，從設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的角度討論了熱拌與溫拌生產(chǎn)工藝、結(jié)合料類型、老化等因素對(duì)瀝青混合料斷裂性能的影響。結(jié)果表明：半圓彎曲試驗(yàn)測(cè)得的臨界應(yīng)變能釋放率（Jc）值與間接拉伸試驗(yàn)測(cè)得的韌性指標(biāo)值（TI）具有良好的相關(guān)性；結(jié)合料類型和老化對(duì)瀝青混合料斷裂性能有顯著影響；相對(duì)于常規(guī)瀝青混合料，聚合物改性瀝青混合料具有更強(qiáng)抗斷裂性能，老化降低了瀝青混合料的斷裂性能，但提高了瀝青混合料的強(qiáng)度；溫拌技術(shù)對(duì)所生產(chǎn)的瀝青混合料斷裂性能無明顯影響。

關(guān)鍵詞 道路工程；半圓彎曲試驗(yàn)；間接拉伸試驗(yàn)；瀝青混合料；斷裂性能

中圖分類號(hào) U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）16-0090-03

0 引言

中溫條件下，柔性路面最常見的破壞形式為疲勞開裂[1]，主要原因是重復(fù)的交通荷載作用。當(dāng)路面產(chǎn)生裂縫，水分的侵入使得裂縫最終形成坑洞，給行車帶來安全隱患。目前，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者采用大量的力學(xué)試驗(yàn)來表征瀝青混合料的疲勞開裂性能，主要有四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)[2]、半圓彎曲試驗(yàn)[3]和間接拉伸試驗(yàn)[4]等。

我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)中，常采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)來評(píng)估瀝青混凝土疲勞開裂性能，但由于該試驗(yàn)采用的梁試件尺寸較大，且耗時(shí)長(zhǎng)[5]，因此在國(guó)外的瀝青混合料設(shè)計(jì)中很少采用該試驗(yàn)方法。國(guó)外瀝青路面設(shè)計(jì)中常采用半圓彎曲試驗(yàn)方法來評(píng)估瀝青混合料疲勞斷裂性能，該試驗(yàn)采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型瀝青圓柱體試件，加載方式為通過設(shè)置恒定位移來控制荷載的逐級(jí)增加，直到試樣局部破壞[6-7]。此外，間接拉伸試驗(yàn)最初是用來測(cè)試瀝青混合料在低溫下的蠕變和拉伸強(qiáng)度，由于試驗(yàn)簡(jiǎn)單性與可重復(fù)性，間接拉伸試驗(yàn)也常被用于測(cè)定瀝青混合料在中溫下的斷裂性能，得到的斷裂性能可作為評(píng)估瀝青路面疲勞開裂性能的一個(gè)良好指標(biāo)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 間接拉伸試驗(yàn)

1.2 半圓彎曲試驗(yàn)

1.3 試驗(yàn)方案

該研究考慮了生產(chǎn)工藝、結(jié)合料類型、老化與RAP含量四種影響因素對(duì)瀝青混合料斷裂性能的影響，其中生產(chǎn)工藝包括熱拌（HMA）與溫拌（WMA），瀝青結(jié)合料等級(jí)有PG 64-22、PG 70-22M和PG 76-22M，以及瀝青試件在試驗(yàn)前是否經(jīng)過烘箱老化，RAP含量有15%、20%和30%三種。通過實(shí)驗(yàn)室拌和（試件組Ⅰ和Ⅳ）與廠拌成型（試件組Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ）瀝青混合料試件，測(cè)試了86種瀝青混合料的斷裂性能，其中86種試件均進(jìn)行了半圓彎曲試驗(yàn)，測(cè)試得到了Jc值，并對(duì)其中29種典型的瀝青混合料進(jìn)行了間接拉伸試驗(yàn)，得到了強(qiáng)度值與TI值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 半圓彎曲試驗(yàn)與間接拉伸試驗(yàn)結(jié)果關(guān)聯(lián)性分析

29種瀝青混合料在不同拌和成型方式下的Jc值、間接拉伸試驗(yàn)的強(qiáng)度值和TI值相關(guān)關(guān)系如圖2所示。由圖2（a）和圖2（b）可得到無論是采用實(shí)驗(yàn)室拌和還是廠拌法，Jc值大小與間接拉伸強(qiáng)度大小無關(guān)明顯的關(guān)系。但是由圖2（c）29種瀝青混合料的Jc值與TI值的擬合關(guān)系顯示，其相關(guān)系數(shù)R²為0.89，表明兩者之間具有一定的相關(guān)性。將29種瀝青混合料按實(shí)驗(yàn)室拌和與廠拌分類時(shí)，實(shí)驗(yàn)室拌和的瀝青混合料的Jc值與TI值相關(guān)性顯著提高，相關(guān)系數(shù)R²高達(dá)0.93（圖2（d）），而采用廠拌法成型的試件的試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性顯著降低，與Jc值和間接拉伸強(qiáng)度值之間的相關(guān)性差別不大（R²=0.64），這是由于大多數(shù)廠拌法成型的瀝青混合料多采用溫拌技術(shù)，而實(shí)驗(yàn)室拌和成型的試件多采用熱拌工藝。

2.2 不同因素對(duì)瀝青混合料斷裂性能的影響

2.2.1 生產(chǎn)工藝對(duì)瀝青混合料斷裂性能的影響

圖3為熱拌瀝青混合料（HMA）和溫拌瀝青混合料（WMA）的斷裂指標(biāo)及變異系數(shù)值，圖3（a）對(duì)七組瀝青混合料的半圓彎曲試驗(yàn)的Jc值進(jìn)行了比較，前兩組瀝青混合料（Ⅰ-64、Ⅰ-70）采用實(shí)驗(yàn)室拌和成型，其余五組Ⅱ（1）、Ⅱ（2）、Ⅲ（1）、Ⅲ（2）、Ⅴ瀝青混合料采用廠拌法成型，其中Ⅰ-64為瀝青（PG 64-22）混合料，其余均為聚合改性瀝青（PG 70-22）混合料。圖3（b）和3（c）對(duì)廠拌瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度與韌性指標(biāo)值進(jìn)行了比較。

由圖3可計(jì)算得知，HMA和WMA之間的Jc平均值差異不顯著，HMA和WMA之間的間接拉伸強(qiáng)度和TI值的差異也不顯著。因此可以得出，溫拌工藝不會(huì)對(duì)中溫下瀝青混合料的斷裂性能產(chǎn)生不利影響。

2.2.2 結(jié)合料類型對(duì)瀝青混合料斷裂性能的影響

不同結(jié)合料類型下瀝青混合料的斷裂指標(biāo)及變異系數(shù)值見圖4。圖4（a）為5組PG 64-22和PG 70-22瀝青混合料的Jc值，前兩組中還比較了PG 76-22瀝青混合料的Jc值，前四組瀝青混合料均在實(shí)驗(yàn)室成型，最后一組采用廠拌法成型。圖4（b）和4（c）為不同結(jié)合料類型下瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度和TI值。

由圖4可知，按PG等級(jí)分類的瀝青結(jié)合料對(duì)混合料的斷裂性能有明顯的影響，尤其當(dāng)對(duì)未改性的PG 64-22瀝青混合料和改性瀝青結(jié)合料的斷裂性能進(jìn)行比較時(shí)，其影響更加顯著。

3 結(jié)論

該研究通過半圓彎曲試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)測(cè)試了不同瀝青混合料的Jc、間接拉伸強(qiáng)度和TI值，以其作為瀝青混合料斷裂性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方面分析了相關(guān)因素對(duì)瀝青混合料斷裂性能的影響。主要結(jié)論如下：

（1）半圓彎曲試驗(yàn)測(cè)試得到的Jc值與間接拉伸試驗(yàn)測(cè)得的TI值具有良好的相關(guān)性，在采用實(shí)驗(yàn)室拌和方法成型的瀝青混合料中兩者的相關(guān)性更好。

（2）瀝青結(jié)合料類型和老化條件會(huì)影響瀝青混合料的斷裂性能，與未改性瀝青混合料相比，聚合物改性瀝青混合料呈現(xiàn)出更大的抗斷裂性能，老化降低了瀝青混合料的斷裂能，同時(shí)提高了其間接拉伸強(qiáng)度。

（3）溫拌工藝對(duì)瀝青混合料的斷裂性能不產(chǎn)生影響。

參考文獻(xiàn)

[1]周亮， 凌建明， 林小平. 考慮環(huán)境因素的瀝青路面疲勞開裂預(yù)估模型[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2013（6）： 47-52.

[2]黃衛(wèi)東， 李本亮， 黃明. 瀝青混合料自愈合特性四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)研究[J]. 建筑材料學(xué)報(bào)， 2015（4）： 572-577.

[3]Ahmad Al-Qudsi，Augusto Cannone Falchetto， Di Wang， Stephan Bichler， Yun Su Kim， Michael PWistuba. Finite element cohesive fracture modeling of asphalt mixture based on the semi-circularbending （SCB） test and self-affine fractal cracks at low temperatures J. Cold Regions Science andTechnology，2020，169： 82-88.

[4]謝軍， 郭忠印. 瀝青混合料疲勞響應(yīng)模型試驗(yàn)研究[J]. 公路交通科技， 2007（5）： 21-25.

[5]虞將苗， 張肖寧. 瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法及夾具改進(jìn)[J]. 公路， 2011（3）： 132-136.

[6]Molenaar A A A. ， Scarpas A. ， Liu X. ， et al. Semi-circular bending test， simple but useful？ [J]. Asphalt Paving Technology： Association of Asphalt Paving Technologists-Proceedings of the Technical Sessions， 2002， 71： 794-815.

[7]李萍， 吳中， 馬科， 等. 基于SCB試驗(yàn)的瀝青混合料低溫抗裂性研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版）， 2015（2）： 238-241.