胶粉改性沥青混合料低温特性试验研究

郝俊杰

(内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010010)

针对沥青面层开裂问题，国内外进行了大量的调查和研究。对于沥青混合料低温性能的评价方法有多种方法，主要有间接拉伸试验、直接拉伸试验、蠕变试验、受限试件的温度应力试验、切口小梁试件的弯曲试验、应力松弛试验等［1-4］。经过国内外学者的研究分析，造成沥青混合料低温裂缝的原因主要有:冬期温度骤降出现横向收缩裂缝;冻融循环产生的裂缝;冻缩裂缝;由于上述原因综合作用造成的横向裂缝［5，6］。低温蠕变试验按其加载方式的不同可以分为直接拉伸蠕变、劈裂拉伸蠕变和弯曲蠕变试验。由于直接拉伸蠕变试验的试验条件困难，故多选用劈裂蠕变试验和弯曲蠕变试验。其中弯曲蠕变试验是“八五”攻关专题提出的评价沥青混合料低温抗裂性能的试验方法。在同一试验条件下，蠕变速率越大表明其抗裂性能越好［7］。以弯曲蠕变速率作为评价指标与沥青路面抗裂性能有良好的关系，因此本试验以低温弯曲蠕变作为试验方法，来评价沥青混合料的低温开裂性能。

1 基本理论

沥青混合料低温弯曲蠕变试验由加载至蠕变完成共分三个阶段，图1为蠕变破坏全过程。

图1 沥青混合料蠕变曲线

第1阶段——不稳定阶段(迁移阶段)，在这一阶段开始时变形增加很快，材料挠度响应外力时几乎呈线性变化，材料发生硬化的同时蠕变速率不断降低。

第2阶段——稳定阶段，沥青混合料的蠕变速率达到最小值，而且持续时间很长。

第3阶段——破坏阶段，沥青混合料的蠕变速率迅速上升，蠕变变形突然增大，直到破坏［8］。

其中蠕变迁移阶段反映了沥青混合料的瞬时弹性变形与粘弹特性，第三阶段反映的是试件已出现裂缝破坏的情况。一般而言，沥青路面在实际使用中不会出现很大的荷载使沥青混合料出现直接破坏，所以，对于蠕变试验加载水平较小时，试验曲线基本只会出现前两个阶段。试验考察的重点阶段是蠕变稳定阶段的弯曲蠕变速率，其计算可按公式:εs=(ε2－ε1)σ0/(t2－t1)计算。从弯曲蠕变速率εs的关系式中可以发现，其值实际反映的是由蠕变应力σ0在t2时刻到t1时刻区间内，弯曲应变之差与σ0的乘积亦即弯曲应变能在整个稳定期内的变化值，其含义已经综合表达了沥青混合料在低温状态下应力应变的变化情况，能够反映沥青混合料的低温抗裂性能。粘弹性材料的蠕变性能常用劲度模量S(t)和蠕变柔度模量J(t)表示，记输入的一个恒定应力为σ0，响应的应变为ε(t)。则有 S(t)=1/J(t)，J(t)=ε(t)/σ0。

其中，σ0为试件的蠕变弯拉应力，MPa;ε(t)为试件梁底的弯拉应变;S(t)为试件弯曲蠕变劲度模量，MPa;J(t)为试件弯曲蠕变柔度模量，1/MPa;εs为试件弯曲蠕变速率，1/s/MPa;t1，t2分别为蠕变稳定期直线段起始点和终止点时间，s;ε1，ε2分别为对应于时间t1，t2时的蠕变应变;b为跨中断面试件的宽度，m;h为跨中断面试件的高度，m;L为试件的跨径，m;F为试件在实验过程中承受的荷载，N;d(t)为试件在加载过程中随时间t变化的跨中挠度，m;d1为蠕变稳定期起始点挠度，m;d2为蠕变稳定期终止点挠度，m;S1为t1时刻材料的蠕变劲度模量，MPa;S2为t2时刻材料的蠕变劲度模量，MPa。

2 试验方案

弯曲蠕变试验机采用高低温弯曲蠕变系统TLD-LZG，进行蠕变试验时利用仪器自带的环境箱进行温度的调节和控制。本试验分别对胶粉改性沥青和SBS改性沥青混合料在20℃，10℃，0℃，－10℃，－20℃进行弯曲蠕变试验。在不同温度条件下对比弯曲蠕变的试验结果，分析它们的低温抗裂性能。控制加载速率为50 mm/min，取弯曲试验得到的破坏力的10%作为弯曲蠕变试验的荷载，保持荷载不变测定小梁跨中挠度随时间的变化。

试验过程:将需要进行弯曲蠕变试验的试件在环境箱内进行恒温1 h，使其试件内部达到试验要求的温度。然后对称安放在仪器支座上，试件上下方向应与试件成型时方向一致。在软件中设置荷载为破坏荷载的10%，加载速率为50 mm/min，其余参数归零。开始试验，观察荷载变化过程及跨中挠度曲线，直到变形进入直线稳定发展的时间不少于0.5 h，高温实验时，由于蠕变时间较短，可以在试件断裂时结束试验。

3 试验结果分析

SBS改性沥青混合料AC-16的弯曲蠕变数据整理后，结合式(1)可以计算试件的弯拉应力，结合式(2)可以计算试件的弯拉应变，结合式(3)可以计算试件的弯曲劲度模量，结合式(4)可以计算试件的蠕变柔度横量，结合式(5)可以计算试件的弯曲蠕变速率，将结果汇总后可得表1。

对胶粉改性沥青混合料AC-16的弯曲蠕变数据整理后，结合式(1)～式(5)进行计算对得到数据进行列表，得到表2。

SBS改性沥青混合料劲度模量 S1，S2随温度变化如图2所示。

胶粉改性沥青混合料劲度模量S1，S2随温度变化如图3所示。

表1 SBS改性沥青混合料AC-16弯曲蠕变试验数据

表2 胶粉改性沥青混合料AC-16弯曲蠕变试验数据

图2 SBS改性沥青混合料AC-16面层劲度模量随温度变化曲线

图3 胶粉改性沥青混合料AC-16上面层劲度模量随温度变化曲线

由图2和图3可以明显的看到两种混合料各自的S1，S2均随温度的降低而增加，在0℃时二者的劲度模量出现转折后突然剧增，温度越低S1，S2的差值越大。对图2和图3综合对比分析，我们可以得到如下结论:1)图2，图3中两种材料的劲度模量均随着温度的降低而增加，这是因为温度降低沥青混合料的劲度模量变大，能承担较大的应力，但是应变很小，材料性质接近弹性材料。2)在0℃以下，图2，图3中两种材料的劲度模量急剧增加，主要是由于胶粉改性沥青混合料的劲度模量随温度的降低而增加。这可以解释温度裂缝为什么总是发生在低温寒冷季节，主要是低温劲度模量增大，变形能力差，荷载加上去后容易发生脆性破坏。而温缩裂缝主要发生在短时间内温度骤降的寒冷地区，这种气温导致短时间内温差较大，低温时材料的劲度模量变大，导致材料的应力松弛能力较差，所以当温度应力超过材料的极限抗拉强度后，温缩裂缝便产生了。3)S1是t1时刻材料的蠕变劲度模量，S2是t2时刻材料的蠕变劲度模量。图2，图3中相同温度下同种材料的S1要大于S2，S2之所以小于S1是因为经过一段时间后小梁发生了蠕变，劲度模量变小，应力没变的情况下应变量变大。高温时S1和S2都很小，造成挠度增加的很快，使应变量增加的很快，促使劲度模量下降的比例很大，几乎下降到原来劲度模量的一半。低温时材料的S1，S2都很大，所以劲度模量下降的百分比不大。但是低温劲度模量下降的数值较大，主要是因为低温应力较大，在应变增加量不大的情况下，劲度模量差量下降的也很大。4)分析两种混合料在相同温度下S1，S2差值的变化趋势，令ΔS=S1－S2为劲度模量差值，SBS改性沥青混合料AC-16的ΔS值随着温度的降低差值变大，但是在－20℃时ΔS又开始变小，这说明在低温时SBS改性沥青混合料AC-16的劲度模量在－20℃低温时随时间的变化不大。胶粉改性沥青混合料AC-16的ΔS在低温时差值不断变大，这充分说明胶粉改性沥青混合料AC-16在低温状态下劲度随时间变化更明显，有较强的低温应力松弛能力。

SBS、胶粉改性沥青混合料劲度模量S2随温度变化对比图，如图4所示。由图4可以看出在20℃下，胶粉改性沥青混合料AC-16的劲度模量比SBS改性沥青混合料AC-16大1.661 MPa，10℃温度下两者相差不大，可以认为是个转折点。在10℃～－20℃温区内，SBS改性沥青混合料AC-16的劲度模量比胶粉改性沥青混合料AC-16的劲度模量大了，随着温度降低两者差值变得越来越大，差值从0℃的24.368 MPa增加到 －20℃的507.424 MPa。同时可以看出胶粉改性沥青混合料AC-16的劲度模量在－10℃时达到稳定，而SBS改性沥青混合料AC-16的劲度模量继续增加，这充分说明SBS改性沥青混合料AC-16的感温性较强，材料力学性能受温度影响较大，容易在低温时开裂。

SBS、胶粉改性沥青混合料挠度—时间斜率随温度变化如图5所示。结合图4和图5可以看出:1)两种改性沥青混合料的挠度—时间斜率随温度的降低而降低，原因是低温时材料劲度模量变大，试件的挠度的增量随温度的降低而降低，造成材料的蠕变量很小。2)在20℃温度时SBS改性沥青混合料AC-16的挠度—时间速率更大一些，在10℃及其以下温度情况下胶粉改性沥青混合料AC-16的挠度—时间速率更大一些。高温时沥青材料体现粘塑性，抗变形能力差，容易产生车辙。低温时体现弹塑性，抗变形能力差，容易产生温度应力，产生温度裂缝。虽然胶粉改性沥青混合料AC-16的挠度时间斜率也受温度的影响，但是没有SBS那么明显，说明胶粉改性沥青混合料具有较低的温度敏感性。

图4 两面层材料的S2劲度模量曲线对比

图5 上面层两种改性沥青混合料挠度—时间斜率随温度变化图

SBS、胶粉改性沥青混合料弯曲蠕变速率随温度变化如图6所示。由图6可以看出两种材料的蠕变速率都随温度的降低而降低，但是在10℃及其以下温度时，胶粉改性沥青混合料AC-16的蠕变速率高于SBS改性沥青混合料AC-16的蠕变速率，说明胶粉改性沥青混合料具有更好的低温特性。

图6 上面层两种改性沥青的弯曲蠕变速率随温度变化图

我国的温缩裂缝一般发生在10℃以下的温度，车辙一般发生在25℃以上，所以界定10℃ ～25℃为常温区［9］。沥青混合料的低温抗裂性和混合料的低温蠕变速率有密切联系，高温时的抗变形能力也和高温时的蠕变速率有密切联系，高温时蠕变速率越大，则说明材料在高温时变形越大，材料抵抗高温变形的能力越差，越容易产生车辙、壅包，所以我们希望在夏季高温时选用蠕变速率较小的材料做路面材料。在低温时蠕变速率越大，低温时变形能力越强，减少低温时温度裂缝的产生。所以根据试验结果，可以优先选择胶粉改性沥青混合料作为寒冷地区的路面材料。

SBS、胶粉改性沥青混合料弯曲蠕变柔量随温度变化如图7所示。通过图7可以看到，胶粉改性沥青混合料比SBS改性沥青混合料更符合我们的要求，主要原因是胶粉改性沥青加入一定量的胶粉颗粒，橡胶粉是废旧橡胶轮胎被磨碎的小颗粒，有橡胶的特性，橡胶粉颗粒的感温性低于沥青的感温性，经过溶胀后的胶粉颗粒与周围的基质沥青协同工作，低温时劲度模量大大减小，减少温度裂缝的产生。

图7 上面层两种改性沥青弯曲蠕变柔量随温度变化情况

4 结语

1)相比于SBS改性沥青混合料，胶粉改性沥青混合料AC-16在低温状态下劲度随时间变化更明显，有较强的低温应力松弛能力。2)胶粉改性沥青混合料AC-16的感温性较弱，材料力学性能受温度影响较小，与SBS改性沥青混合料相比低温不易开裂，因此可以优先选择胶粉改性沥青混合料作为寒冷地区的路面材料。

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