沥青结合材料低温抗裂性能分析及寒区新型沥青混合料设计

郑传峰，李瑞明



沥青结合材料低温抗裂性能分析及寒区新型沥青混合料设计

郑传峰，李瑞明

(吉林大学建设工程学院，长春 130026)

为了解决寒区沥青路面低温开裂现象，设计适用于寒冷地区应用的新型沥青混合料．基于小梁弯曲试验获取基质沥青、沥青胶浆、沥青细料组合体低温应力-应变曲线，以弯曲应变能密度临界值评价上述3类结合材料的低温抗裂性能．掺配不同粒径的胶粉颗粒使之与AC-13混合料中的细矿料级配一致，并替换50%,的常规细矿料从而制备寒区高性能沥青混合料．通过车辙试验、小梁弯曲试验、冻融劈裂试验对其路用性能进行评价．结果表明常规沥青细料组合体极差的低温抗裂能力是寒区沥青混合料低温开裂的重要原因．以同级配的胶粉颗粒体替代50%,的常规细矿料后，沥青混合料的路用性能得到明显改善，其低温抗裂性能、水稳定性能有较大提高，但其高温稳定性能略有降低．该项研究为后续寒区沥青路面的设计及施工奠定理论基础．

道路工程；高性能沥青混合料；沥青胶浆；沥青细料组合体；橡胶粉；路用性能

沥青路面的低温开裂现象是寒区沥青路面的常见病害，沥青路面的低温抗裂性能已成为国内外道路研究者重点关注的问题之一[1-3]．1987年，美国在SHRP计划中提出以低温弯曲劲度模量及低温蠕变速率来评价其低温抗裂性能[4-5]．我国在“七五”和“八五”两个国家科技攻关专题中，也对沥青混合料低温性能进行了系统的研究[6-7]．前期研究表明，在沥青混合料中，大矿料间的交界面上存在3类结合材料：基质沥青、沥青胶浆(沥青与矿粉组合)、沥青细料组合体(沥青与混合料中的细矿料组合并包含矿粉)．大矿料通过矿料间结合材料粘结成整体．在外力作用下，结合材料均同时承受拉伸荷载、剪切荷载及拉伸-剪切耦合荷载，这3类结合材料的破坏导致了混合料中大矿料的相互分离，进而导致了沥青混合料的低温开裂[8]．因此，提高上述3类结合材料的低温力学性能对于增强沥青混合料整体的低温抗裂性能意义显著．

当前研究中，对于基质沥青低温性能的研究较为系统，如采用弯曲梁流变试验(BBR)、直接拉伸试验(DTT)等[9-11]．而对于沥青胶浆和沥青细料组合体低温性能的研究较少，缺乏统一的评价标准．基于上述问题，本文以小梁弯曲试验获取3类结合材料的应力-应变曲线，并以能综合反应其强度和变形能力的弯曲应变能密度临界值评价上述结合材料低温抗裂性能．在对上述3种沥青结合材料低温力学性能分析的基础上，采用20目、40目、80目、100目胶粉颗粒，经过掺配设计使之与常规AC-13级配中的1.18～0.075,mm范围内的细矿料级配一致，并替换50%,传统细矿料，从而制备寒区高性能沥青混合料．通过与常规AC-13沥青混合料的对比，对寒区高性能沥青混合料的路用性能进行评价．该项研究对于后续寒区沥青路面的设计及施工具有一定的指导意义．

1 试验材料

本试验所采用的基质沥青为中海油70#沥青，其基本性能参数如表1所示．试验用粗、细集料均为石灰岩，矿粉为磨细石灰石，集料及矿粉均来源于长春市本地某石料厂．按照《公路工程集料试验规范》(JTG E42—2005)对粗、细集料及矿粉的基本技术指标进行测定，如表2～4所示．试验用沥青胶浆按粉胶比1∶1.2比例配置而成．采用高速剪切机进行剪切，剪切速率为7,000,rad/min，剪切时间为40,min，剪切温度为160,℃．试验用沥青细料组合体采用AC-13级配中粒径范围1.18～0.075,mm的矿料制备而成，其级配范围如表5所示，沥青用量为5%,．试验用橡胶粉选择20目、40目、80目、100目4种不同目数的橡胶粉，见图1，其表观相对密度为1.15．

表1 沥青基本性能参数

Tab.1 Technical parameters of asphalt

表2 粗集料基本技术指标

Tab.2 Technicalindex of coarse aggregate

表3 细集料基本技术指标

Tab.3 Technicalindex of fine aggregate

表4 矿粉基本技术指标

Tab.4 Technicalindex of powder

表5 沥青细料组合体级配范围

Tab.5 Gradationscope of asphalt aggregate

图1 橡胶粉

2 沥青混合料结合材料低温抗裂性能研究

2.1 以弯曲应变能密度临界值评价低温抗裂性能的机理分析

图2 弯曲应变能密度临界值计算示意

2.2 结合材料低温抗裂性能分析

本试验基于小梁弯曲试验获取基质沥青小梁、沥青胶浆小梁、沥青细料组合体小梁的应力-应变曲线.沥青小梁试件的尺寸为250,mm×30,mm×35,mm，如图3所示．小梁弯曲试验按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(JTJ052—2000)执行，试验仪器采用LX-Ⅱ全自动沥青混合料弯曲试验仪，采用手动控制加载过程，加载速率为50,mm/min，试验过程如图4所示．3类结合材料的应力-应变曲线见图5～7，3类结合材料的弯曲应变能密度临界值随低温的变化规律见图8．

图3 脱模后沥青小梁试件

图4 小梁弯曲试验过程

图5 基质沥青应力-应变曲线

图6 沥青胶浆试件应力-应变曲线

图7 沥青细料组合体试件应力-应变曲线

图8 弯曲应变能密度临界值低温变化趋势

由图8可看出3类结合材料的弯曲应变能密度临界值呈现出不同的变化规律．基质沥青与沥青胶浆的弯曲应变能密度临界值随着温度的降低呈现先增大后减小的变化趋势，均在-10,℃左右达到最大值；沥青细料组合体的弯曲应变能密度临界值随着温度的降低一直减小，其中在0,℃到-10,℃衰减速率较大．在0,℃左右，沥青细料组合体的弯曲应变能密度临界值最大，约为398.868,kJ/mm3，分别是基质沥青与沥青胶浆的11.36倍和4.09倍．随着温度的降低，在-10～-20,℃区间内，沥青胶浆的弯曲应变能密度临界值最大，而沥青细料组合体的弯曲应变能密度临界值最小．在-10,℃左右，沥青胶浆的弯曲应变能密度临界值达到极值，为390.230,kJ/mm3，约为基质沥青和沥青细料组合体的3.3倍和62倍．在-20～-30,℃区间内，3类结合材料的弯曲应变能密度临界值的衰减速率均减缓，此时弯曲应变能密度临界值的大小为：基质沥青＞沥青胶浆＞沥青细料组合体．以上分析表明，对于任意一类结合材料，其低温抗裂性能都存在最优温度区间．在我国东北地区，冬季气温一般都在-10～-30,℃之间，此时沥青胶浆、基质沥青的低温抗裂性能要显著优于沥青细料组合体，沥青细料组合体极差的抗裂能力是导致寒区沥青混合料低温开裂的重要因素．

3 寒区高性能沥青混合料配合比设计及路用性能检测

3.1 配合比设计

寒区高性能沥青混合料设计的关键技术为沥青细料组合体的设计，以传统AC-13沥青混合料为研究对象，其级配范围见表6．其中，采用20目、40目、80目、100目胶粉颗粒经过掺配设计使之与常规AC-13级配中的1.18～0.075,mm范围内的细矿料级配一致，并替换50%,传统细矿料，从而制备寒区高性能沥青混合料．替代后各档集料及橡胶粉所占混合料的质量比如表7所示．

表6 AC-13级配范围

Tab.6 AC-13 gradation scope

表7 替换后各档集料及橡胶粉所占比例

为了形成对比，同时制备常规AC-13沥青混合料，根据我国现行规范《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)，采用马歇尔试验进行常规AC-13沥青混合料和高性能沥青混合料的配合比设计，确定常规AC-13沥青混合料的最佳油石比为4.75%,，高性能沥青混合料的最佳油石比为5.81%,．

3.2 路用性能检测

3.2.1 低温抗裂性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(JTG E20—2011)要求，以小梁弯曲试验评价常规AC-13沥青混合料和高性能沥青混合料的低温抗裂性能，以极限弯拉强度、极限弯拉应变、弯拉劲度模量作为抗裂性能评价指标．试验温度为0,℃、-10,℃、-20,℃、-30,℃，试验的加载速率为50,mm/min. 极限弯拉强度、极限弯拉应变、弯拉劲度模量随低温变化规律如图9、10、11所示．

图9 极限弯拉强度低温变化规律

图10 极限弯拉应变低温变化规律

图11 弯拉劲度模量低温变化规律

由图9、10、11可以看出，随着温度的降低，两种沥青混合料的极限弯拉强度均呈现先增大后减小的变化趋势．两种沥青混合料的脆化温度都在-10,℃左右．脆化之前，两种沥青混合料的极限弯拉强度均逐渐增大，但常规AC-13沥青混合料的极限弯拉强度略高于高性能沥青混合料；脆化之后，两种混合料的极限弯拉强度均迅速衰减，常规AC-13沥青混合料的衰减速率快于高性能沥青混合料，-20～-30,℃范围内，高性能沥青混合料的极限弯拉强度均大于常规AC-13沥青混合料．随着温度的降低，两种沥青混合料的极限弯拉应变均呈现减小的变化趋势，且高性能沥青混合料的极限弯拉应变始终大于常规AC-13沥青混合料．脆化之前，高性能沥青混合料的极限弯拉应变与常规AC-13沥青混合料相比，优势并不明显(0,℃时约为1.40倍，-10,℃时约为1.38倍)；但脆化之后，高性能沥青混合料极限弯拉应变的衰减速率明显小于常规AC-13沥青混合料，-20,℃时高性能沥青混合料的极限弯拉应变为常规AC-13沥青混合料的1.99倍，-30,℃时为3.99倍．以上分析表明：以沥青橡胶体替代50%,沥青细料组合体后，沥青混合料能在其强度基本不变的前提下显著提高其低温变形能力，尤其是极寒条件(-20～-30,℃)下的变形能力，沥青混合料的低温抗裂性能有显著的提高．

3.2.2 高温稳定性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(JTG E20—2011)要求进行车辙试验，以动稳定度DS来评价二者的高温稳定性．试验结果见表8．

表8 车辙试验结果

Tab.8 Wheelrutting test result

由表8可知，常规AC-13沥青混合料的动稳定度平均值为2,532次/mm，高性能沥青混合料的动稳定度平均值为2,052次/mm，高性能沥青混合料的动稳定度与常规AC-13沥青混合料相比降低了18.96%．以沥青橡胶体替代50%,沥青细料组合体后，沥青混合料的高温稳定性略有降低，但仍满足规范要求．

为了使沥青混合料的高温性能能够满足某些地区夏日正午时较高的温度条件，可以采用SMA-13级配的混合料替代AC-13级配的沥青混合料，改善沥青混合料的级配方式，进而提高沥青混合料的高温性能，避免夏日高温形成严重的车辙．

3.2.3 水稳定性

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规范》(JTG E20—2011)要求，以冻融劈裂试验中的劈裂强度比(TSR)指标来评价常规AC-13沥青混合料和高性能沥青混合料的水稳定性．试验结果见表9．

表9 冻融劈裂试验结果

Tab.9 Freeze-thawsplitting test result

由表9可知，常规AC-13沥青混合料与高性能沥青混合料的劈裂强度比(TSR)均符合规范要求．未冻融前，常规AC-13沥青混合料的劈裂强度(1.27,MPa)要高于高性能沥青混合料(1.10,MPa)，但经过冻融循环后，高性能沥青混合料的劈裂强度(0.99,MPa)反而略高于常规AC-13沥青混合料(0.97,MPa)．常规AC-13沥青混合料的劈裂强度衰减较大，其劈裂强度比为76.38%,；高性能沥青混合料的劈裂强度衰减较小，其劈裂强度比为90.00%. 沥青加入橡胶粉后其黏稠度增加，同时由于橡胶粉的吸附作用，沥青混合料的油石比增大，沥青与矿料间的结构沥青膜更厚，矿料与沥青的黏附效果更好，水更难侵入沥青混合料内部．因此，以沥青橡胶体替代50%,沥青细料组合体后，沥青混合料水稳定性能有一定程度的提高．

4 结 论

(1) 沥青混合料内部存在3类结合材料：基质沥青、沥青胶浆、沥青细料组合体，3类结合材料的低温抗裂性能都存在最优温度区间．在我国东北地区，冬季气温一般低于－10,℃，此时基质沥青、沥青胶浆的低温抗裂性能要显著优于沥青细料组合体，沥青细料组合体的低温破坏是寒区沥青混合料开裂的重要 原因．

(2) 以沥青橡胶体替代50%,沥青细料组合体后，沥青混合料的低温抗裂性能有显著的提高．其极限弯拉强度与常规AC-13沥青混合料基本一致，但极限弯拉应变显著优于常规AC-13沥青混合料，且随着温度的降低，这种优势愈发明显．

(3) 以沥青橡胶体替代50%,沥青细料组合体后，沥青混合料的劈裂强度比由76.38%,提高到90.00%,，沥青混合料的水稳定性有明显的提高．

(4) 以沥青橡胶体替代50%,沥青细料组合体后，沥青混合料的动稳定度由2,532次/mm衰减到2,052次/mm，沥青混合料的高温稳定性略有降低，但仍满足规范要求．为了提高沥青混合料的高温性能以满足某些地区夏日的高温条件，可以采用SMA-13级配的混合料来替代AC-13级配的沥青混合料．

(5) 寒区高性能沥青混合料能在其高温稳定性能略有降低的基础上，显著提高其低温抗裂性能和水稳定性能．该研究有助于指导寒区沥青路面的设计、施工及养护．

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(责任编辑：王新英)

Analysis of Low-Temperature Crack Resistance of Asphalt Binding Materials and Design of New Asphalt Mixture for Cold Region

Zheng Chuanfeng，Li Ruiming

(College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China)

A new asphalt mixture suitable for use in cold regions was designed. The stress-strain curves for the matrix asphalt, asphalt mastic, body of the asphalt, and fine aggregate at low temperatures were obtained with a bending test. The low-temperature anti-cracking property of the binding materials above could be evaluated by the index of flexural strain energy density. A rubber powder of different specifications was blended and the gradation was made to be identical with AC-13. Fifty percent of the conventional fine aggregate was replaced by rubber powder and a new asphalt mixture was designed. The pavement performance of the new asphalt mixture in cold regions was evaluated by a wheel rutting test, bending test, and freeze-thaw splitting test. The results show that the prime reason for cracking in the mixture was due to the poor anti-cracking properties of the body of the asphalt and fine aggregate. The pavement performance of the asphalt mixture improved significantly after substituting some gradation rubber powder for the fine aggregate. The low-temperature anti-cracking property and water stability of the asphalt mixture improved, but the high temperature stability of asphalt mixture decreased slightly. The results establish the theoretical foundation for the design and construction of asphalt pavements in cold regions.

pavement engineering；high performance asphalt mixture；asphalt mastic；asphalt aggregate；rubber powder；pavement performance

10.11784/tdxbz201803107

U414.1

A

0493-2137(2019)03-0262-07

2018-03-29；

2018-06-25.

郑传峰（1981—  ），男，博士，副教授．

郑传峰，cfzheng@jlu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(51508223)，吉林省自然科学基金资助项目(20160101267JC)，吉林省交通科学技术发展计划资助项目(2014-1-7)．

the National Natural Science Foundation of China(No.,51508223)，the Natural Science Foundation of Jilin Province，China         (No.,20160101267JC)，the Traffic Science and Technology Development Plan of Jilin Province，China(No.,2014-1-7).