瀝青混合料抗低溫開裂性能評價方法綜述

摘要 為明晰瀝青混合料的低溫開裂機理，評價瀝青混合料低溫抗裂性能，該文綜述了七種瀝青混合料抗低溫開裂性能評價方法，對比了各方法間的應用場景及優缺點，總結了瀝青混合料抗低溫開裂性能評價方法的研究熱點。

關鍵詞 道路工程；瀝青混合料；低溫抗裂性能

中圖分類號 U414 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）19-0189-03

0 引言

公路作為連接社會經濟活動的紐帶，其建設質量直接關系到交通的流暢性和安全性。隨著交通流量的不斷增加和行駛速度的提升，對公路路面的性能要求也日益嚴格。瀝青混凝土路面具有施工周期短、行車舒適性好、養護維修便捷等優點，因此被廣泛用于各地級路面的鋪裝。然而，由于自然環境、交通荷載、結構設計及施工工藝等多重因素的影響，瀝青混凝土路面在未達到設計服役壽命時，經常出現裂縫、坑槽、車轍等病害，嚴重影響了路面的服役水平和使用壽命[1]。

其中，裂縫作為瀝青混凝土路面的主要破壞形式之一，其產生和發展對路面的整體性能有著顯著影響[2]。在交通荷載、水、溫度變化等因素的共同作用下，裂縫會逐步擴展，最終可能導致路面結構的嚴重破壞。因此，準確且便捷的瀝青混合料低溫抗裂性能評價方法，對提高瀝青混合料在低溫環境下的服役水平，延長道路使用壽命、減少維護成本具有重要意義[3]。

該文將對瀝青混合料的低溫抗裂性能評價方法進行綜述，重點介紹了七種試驗方法的基本原理、應用場景和優缺點。對比分析不同方法的評價結果，以期為瀝青混合料的性能評價和路面設計提供有益的參考。

1 瀝青混合料低溫抗裂性評價方法

1.1 小梁彎曲試驗

1.2.1 低溫小梁彎曲破壞試驗

小梁低溫彎曲破壞試驗通過對瀝青混合料進行三點加載，獲得瀝青混合料的拉伸應變。但多數學者認為相比于拉伸應變，斷裂能更確切地表征瀝青混合料的低溫抗裂能力。

葛折圣等[4]通過低溫彎曲試驗，研究了瀝青混合料的低溫開裂機理，運用灰色關聯法，對多個關鍵指標進行了分析。研究發現，瀝青混合料的彈性應變能與其低溫抗裂性能之間存在著顯著的正相關關系。這一發現為理解瀝青混合料的低溫性能提供了新的視角。同時，研究還指出臨界彎曲應變和彎曲強度兩項指標可被應變能密度的臨界值綜合體現。因此，以應變能密度的臨界值為瀝青混合料的低溫抗裂性能的關鍵控制指標更為科學和準確。申愛琴等[5]通過低溫彎曲試驗探究了瀝青混合料的低溫抗裂性影響因素，提出并非瀝青標號越高其抗裂性越好。

1.1.2 小梁彎曲蠕變試驗

彎曲蠕變試驗操作簡便且具有較好的科學性和可靠性，被SHRP瀝青標準采用，0℃環境下瀝青混合料的蠕變速率作為評價其低溫抗裂性能的重要指標[6]。

大量對比試驗和現場應用結果表明，蠕變速率和蠕變柔量兩個指標能夠較好地評價瀝青的低溫抗裂性能，該試驗方法具有較高的可靠性，但在后續的研究中大多以蠕變速率評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。在彎曲蠕變試驗過程中，瀝青混合料的蠕變過程分為遷移、穩定和破壞三個階段。其中，蠕變穩定階段的蠕變速率尤為重要，它可直接用于評價瀝青混合料的低溫變形能力。蠕變速率反映了瀝青混合料的變形能力和韌性越強，其蠕變速率越大，抗低溫開裂性能越好[7]。

1.1.3 切口小梁彎曲試驗

近年來，基于斷裂力學的切口小梁彎曲試驗也被用于評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。為模擬瀝青路面的早期微小裂紋在試驗混合料樣件上預切槽，對時間施加溫度和荷載，得出應變能對試驗樣件的積分。部分學者也借助切口小梁彎曲試驗研究了瀝青混合料的低溫性能以及低溫條件下的裂紋產生、擴展機理。李萍等[8]基于斷裂力學和權函數理論，借助切口小梁彎曲試驗，研究了瀝青混合料的裂紋產生和擴展機制，其認為切口越長，瀝青混合料越易開裂。劉棟等[9]借助切口小梁彎曲試驗研究了AC—16瀝青混合料的抗開裂性能，研究結果表明，瀝青混合料在不同受荷模式下的破壞形式相同。

1.2 間接拉伸試驗

間接拉伸試驗過程按照規定的速率對直徑101.6 mm，高度63.5 mm的圓柱體標準馬歇爾瀝青混合料試件進行軸向加載，記錄試件的垂直和水平變形并計算瀝青混合料的劈裂強度。除劈裂強度外，破壞變形和勁度模量等指標也可評價瀝青的低溫抗裂性能。在這三個試驗參數中，劈裂破壞強度數據的穩定性最低，差異較大，破壞應變對其敏感度較高，破壞勁度可綜合體現另外兩個參數。因此，為提高劈裂試驗對瀝青混合料低溫抗裂性評價的準確性，應綜合考慮破壞應變和破壞勁度[10]。

齊琳研究發現[10]，劈裂試驗具有方法簡單，試件制備容易，數據穩定性好，各力學指標對試驗條件的變化更敏感等優點。但彎曲應變和勁度模量無法很好地反映瀝青混合料的使用性能，混合料的彎曲應變難以精確測量，并且勁度模量在不同瀝青材料間的差異不明顯。因此，在評估混凝土在低溫下性能時，劈裂試驗只能作為經驗性方法來相互比較。此外，由于缺乏高精度測試設備，不同學者的測試結果存在較大差異。因此，間接拉伸試驗無法全面評估瀝青混凝土在低溫下的抗裂性能指標。

1.3 圓盤斷裂拉伸試驗（DCT）

圓盤斷裂拉伸試驗（Disc-Shaped Compact Tension Test，DCT）是根據《金屬材料線彈性平面應變斷裂韌性的標準試驗方法》（ASTM E399-20a）中的類似原理開發的。Wagoner等開發了DCT測試[11]，DCT測試采用了由圓柱裁切的圓盤狀的試樣，圓柱形試樣可通過旋轉壓實或現場取芯獲得，這也是DCT試驗的優勢之一。并且，DCT試驗的結果變異系數維持在較低的水平，且與半圓彎曲（Semi-Circular Bending test，SCB）試驗相當。斷裂能是DCT試驗常用的評價指標，斷裂能表征瀝青混合料產生單位斷裂面所需要的能量。Zhu等[12]提出了FST作為從DCT測試中區分混合料低溫抗裂性的次要指標。該指標可用來區分低溫柔韌性相近的瀝青混合料，并且該指標的變異性得到了進一步的降低。明尼蘇達州交通部最近提出了另一種方法來解釋DCT測試的低溫性能測試結果，稱為DCTIndex。DCTIndex能夠較好地表征瀝青混合料抗反射裂縫的能力。Nemati等[13]提出了將加載速率與裂縫擴展過程中的耗散功綜合考慮，以區分不同瀝青混合料的斷裂特性。此外，閆科偉等[14]借助層次分析法，綜合分析了瀝青混合料的DCT試驗數據，確定了DCT試驗各項指標的權重和影響程度，建立了基于層次分析法的瀝青混合料抗裂性能綜合評價方法。朱月風等[15]建立了不含裂尖增強函數的簡化擴展有限元法，模擬瀝青混合料的DCT試驗，驗證了DCT試驗的可靠性，將瀝青混合料的裂紋的產生與拓展過程分為了線彈性變形階段、損傷累積階段、裂縫宏觀展現并擴展階段與破壞階段。

1.4 半圓彎拉試驗

半圓彎拉試驗在1984年被提出，該試驗原本設用來評價巖石的斷裂韌性，Molenaar驗證了SCB試驗是一種簡便有效的瀝青混合料低溫性能測試方法[16]。該試驗在評價瀝青混合料低溫性能方面優勢明顯，但受制于加載方式等影響，國內一直難以開展 SCB試驗的深入研究。隨著伊利諾伊州提出預切縫尖端豎向位移加載模式，學者們對SCB試驗的研究有望提高到一個新的層次。

半圓彎拉試驗通常以斷裂能為低溫性能評價依據，但也有學者通過半圓彎拉試驗進行J積分強度分析、勁度分析、斷裂韌性分析、靈活性因子分析等多種指標分析[17]。SCB試驗加載簡單，半圓狀的試件形態布置使得加載過程不易產生剪應力集中等現象，試驗的力學原理與路面的實際低溫受力狀態更相近，這使得該試驗能夠精準地模擬瀝青混合料在低溫條件下裂縫的擴展行為[18]。因此，SCB試驗成為評估瀝青路面低溫性能不可或缺的重要手段，具有十分廣泛的應用空間。

1.5 低溫約束應力試驗法

在現有的瀝青混合料抗裂性評價試驗室試驗中，最關注特定溫度條件下瀝青混合料的斷裂應力或裂紋擴展過程，例如間接拉伸試驗、彎曲梁試驗、單邊缺口梁試驗、SCB試驗。其中只有少數涉及瀝青路面在冷卻天氣下經歷的實際熱應力積累過程，包括低溫約束應力試驗法[19]。

凍斷試驗可使用凍斷溫度、凍斷強度、轉折點溫度與濕度—應力曲線斜率四項指標評價瀝青混合料的低溫性能[20]。凍斷溫度表征混合料能夠承受的最低溫度，凍斷強度表征瀝青混合料抵抗溫度收縮應力的能力，通常將凍斷溫度與凍斷強度結合起來表征瀝青混合料的低溫抗裂性能。溫度應力隨著溫度變化曲線的拐點可視為瀝青混合料應力松弛階段結束點，其轉折點溫度混合料低溫抗裂性越好。瀝青混合來料應力松弛階段結束后的溫度—應力曲線斜率越低其低溫抗裂性越好[21]。

1.6 OT試驗

Overlay Test（OT）試驗最早由Germann和Lytton提出，用于測試瀝青加鋪層及土工合成材料的防反性能[22]。該試驗過程中，使試件產生橫向位移，以模擬道路反射裂縫對瀝青罩面的實際作用。試驗采用了正弦三角波形加載模式，這種加載模式不僅能夠模擬道路在真實情況下的連續受力狀態，還能夠反映出瀝青混合料的應力應變關系[23]。OT試驗具備較多優點，美國得克薩斯州和新澤西州均將OT試驗用于瀝青混合料的平衡設計系統中，用于評價瀝青混合料的低溫抗開裂能力。

1.7 彎曲應力松弛試驗

環境溫度的急劇變化導致瀝青混合料內部溫度變化不均勻，混合料內部溫度應力急劇增長。當混合料內部應力值大于瀝青混合料的抗拉強度時，瀝青混合料開裂產生裂縫。因此，應力松弛特性對瀝青材料的抗裂性至關重要[24]。材料的變形系數用應力松弛模量Er表述：

Er=σ（t）/ε0 （1）

式中：Er——應力松弛模量（也稱應力松弛勁度模量）（MPa）；ε0——保持不變的初始應變；σ——隨時間變化的應力值（MPa）。

因為ε0是保持不變的初始應變，應力σ隨時間t不斷減小，故Er是時間t的函數。評價應力松弛性能的主要指標有g0FNa9EObfYaTeLKAqmEtcObUgwsODTVwlUFwWVSvS8=應力松弛時間、松弛勁度模量。松弛模量越小、時間越短，瀝青混合料應力松弛性能越好，瀝青混合料低溫抗裂性能越好。

2 結論與展望

通過綜述瀝青混合料的低溫抗裂性能評價方法得到以下結論：

（1）目前瀝青混合料低溫抗裂性評價方法較多，但是各方法都存在一定的局限性，評價指標的可靠性也有待研究，應開發更多的試驗室試驗方法，以再現真實的現場路面環境。

（2）半圓彎拉試驗是目前的研究熱點，預切縫尖端豎向位移加載模式的提出，進一步推動了半圓彎拉試驗研究熱度。

（3）OT試驗作為瀝青混合料平衡設計法的重要一環，是未來評價瀝青混合料低溫抗開裂能力的重要指標之一。

（4）每種試驗方法都有其特定的應用場景和優缺點，因此在實際應用中需要根據具體需求和條件選擇合適的試驗方法進行綜合評價。此外，為了獲得更加準確和可靠的結果，往往需要結合多種試驗方法進行分析和比較。

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收稿日期：2024-07-16

作者簡介：王躍久（1978—），男，本科，工程師，主要從事道路與橋梁工程研究工作。

基金項目：青海省交通運輸廳科技項目“公路特長隧道阻燃抗滑瀝青面層材料設計與施工關鍵技術研究”（2023-03）。