延庆崇礼高速公路沥青混合料低温性能试验研究

熊 祝， 曹东伟， 刘 玉*

(1.长安大学公路学院，西安 710061；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

延庆崇礼高速公路是冬奥会工程，地处冬严寒区，为极端低温气候，其沿线各城区年平均最低气温达-24 ℃，冬季平均气温达-12 ℃,且10月中下旬至次年4月初多雪,全年积雪1.5 m左右,存雪期150多天，即其沿线各城区长达5个多月都处于冬季低温状态，夏季高温时段相对较短，低温对其影响极大，故对沥青混合料低温抗裂性能提出了很高要求。而已知沥青玛蹄脂碎石-13(stone mastic asphalt-13，SMA-13)、连续级配沥青混合料-13(superpave-13，SUP-13)以及密级配沥青混合料-13(asphalt concrete-13，AC-13)在中国各地被广泛应用，究竟哪种混合料适用于延庆崇礼高速公路却不得而知。中外很多学者就沥青混合料的低温性能相关的问题展开了研究。Monismith等[1]在1964年首次通过试验手段对不同温度条件下的沥青混合料抗拉蠕变、低温收缩系数以及低温收缩应力等展开全面系统的试验研究。此后很多学者展开沥青混合料的低温性能的研究，包括评价指标[2-4]、试验方法[5-7]等。冉武平等[8]通过沥青混合料劈裂试验、弯曲试验、蠕变试验等对沥青混合料的低温性能及性能评价指标进行研究，为沥青混合料道面设计提供理论依据。

通过室内试验，研究用于沥青路面面层的3种沥青混合料的低温性能和确定其低温性能评价指标，找出适用于延庆崇礼高速公路、低温性能优越的沥青混合料，并分析不同沥青对此沥青混合料的影响。

1 原材料性能

1.1 原材料组成

1.1.1 集料

3种沥青混合料粗集料均选用同一料源的玄武岩，细集料均选用同一料源的石灰岩。粗集料为玄武岩碎石，即1#(13.2～16 mm)、2#(9.5～13.2 mm)、3#(4.75～9.5 mm)；细集料为石灰岩，即4#(2.36～4.75 mm) 、5#(0～2.36 mm)。按照规范[9]对准备好的集料进行性能和质量的检测，材料质量均符合要求。各种规格集料密度及技术性质结果见表1～表2所示。

1.1.2 矿粉

矿粉是3种沥青混合料中的重要组成部分，尤其以SMA沥青混合料用量较多。本文选用的矿粉为石灰岩矿粉，试验结果如表3所示。

表1 粗集料技术指标

表2 细集料技术指标

表3 矿粉技术指标

1.1.3 沥青

3种沥青混合料均选用苯乙烯-丁二烯共聚物(styrene-butadiene-styrene，SBS)改性沥青，对沥青按规范[9]要求进行了规定项目的试验检测。检测结果表明，SBS改性沥青所检项目均符合SBS类I-D级改性沥青技术要求，试验检测结果如表4所示。

找出延庆崇礼高速公路低温性能优越的沥青混合料后，替换用环氧沥青为HLJ-2910型，该型号环氧沥青包含A、B双组成分，其中，A组为环氧树脂，B组为基质沥青与固化剂的混合物。环氧沥青的技术指标如表5所示。

表4 SBS改性沥青技术指标

表5 环氧沥青技术指标

1.2 混合料级配组成

通过3种混合料配合比设计，分别选出3种混合料级配，结果如表6和图1所示。

表6 两种混合料级配组成

图1 3种混合料级配曲线Fig.1 Three blending grade matching curves

从图1可以看出，SUP-13、AC-13与SMA-13相比，其显著特点就是混合料中粗集料含量不如SMA-13多。

2 温度设定

调查统计延庆崇礼高速公路沿线各城区2011—2018年的年最低气温，其中张北不经过但离得近，气温如表7和图2所示，最低气温平均值达-24 ℃。

表7 各地平均最低气温

图2 各地平均最低气温变化Fig.2 Average minimum temperature changes

由图2可知，从怀来到崇礼每年最低气温呈现降低趋势，而崇礼到张北有多年变化不大，且延庆崇礼高速公路不经过张北，因此确定以崇礼地区的最低气温平均值(-27 ℃)为低温试验最低温度。

3 3种沥青混合料低温性能分析

确定低温试验最低温度为-27 ℃，以10 ℃为一个温度梯度，分别进行低温劈裂试验以及低温弯曲试验，研究不同温度下试件的劈裂强度和弯拉强度；另外，以-27 ℃和-17 ℃为试验温度，进行低温蠕变试验，研究不同温度下试件的蠕变速率。

3.1 沥青混合料低温劈裂试验

劈裂试验为间接拉伸试验，可间接反映沥青混合料的抗拉性能，常用来评价沥青混合料低温抗裂性能。采用马歇尔击实仪成型直径为101.6 mm的试件，通过环境保温箱预设试验温度保养不低于5 h，确保试件内外温度一致。试验在UTM100上进行，加载速率为1 mm/min，加载模具压条宽度为12.7 mm，分别测得不同温度条件下[(补-30 ℃)-27、-17、-7、0、7、17(补20 ℃)]试件的劈裂抗拉强度，补的两个温度是为凸显变化趋势，3种沥青混合料试件劈裂强度和温度的关系如表8、图3所示。

表8 3种混合料不同温度下劈裂强度

图3 不同温度下劈裂强度Fig.3 Split intensity at different temperatures

通过图3可知，当温度从20 ℃降低到0 ℃时，SUP-13及AC-13沥青混合料劈裂强度大于SMA-13沥青混合料的劈裂强度，但当温度继续降低到大约-5 ℃时，3种沥青混合料劈裂强度基本相当，此后随着温度的降低，SMA-13沥青混合料劈裂强度大于SUP-13及AC-13沥青混合料劈裂强度，且三者破坏变形相当，但到了一定低温，大约-26 ℃左右，SUP-13劈裂强度增加到大于SMA-13劈裂强度，而AC-13劈裂强度仍旧小于SMA-13劈裂强度。

然而当温度低于-26 ℃时，SUP-13及SMA-13沥青混合料破坏形态如图4、图5所示，可知，SUP-13沥青混合料发生了脆性破坏，几乎没有变形，但SMA-13沥青混合料没有劈开，变形大概为1.33 mm，远大于SUP-13沥青混合料的变形，故虽SUP-13劈裂强度更大，但变形太小，所以综合来看，当温度低于-26 ℃时，SMA-13沥青混合料低温性能优于SUP-13。以上分析说明：以-5 ℃左右为分界点，当温度高于-5 ℃时,AC-13沥青混合料劈裂强度最大，低温性能更好；当温度低于-5 ℃时，SMA-13沥青混合料劈裂强度最大，低温性能更好。

图4 SUP-13破坏形态Fig.4 SUP-13 destruction patterns

图5 SMA-13破坏形态Fig.5 SMA-13 destruction patterns

因此，对于常年冬季平均最低温度低于-5 ℃的地区，宜选用SMA-13沥青混合料作为沥青路面面层；而延庆崇礼高速公路常年冬季平均最低温度达-24 ℃，故推荐采用SMA-13沥青混合料作为面层。

3.2 沥青混合料低温弯曲试验

沥青混合料的弯曲试验可评价沥青混合料弯曲性能和变形适应能力，根据规范成型车辙板试件，试件尺寸及加载模式参照文献[10]的试验方法，切割小梁尺寸为250 mm×30 mm×35 mm,，试验仪器为UTM100，加载速率为50 mm/min，对沥青混合料小梁试件跨中施加集中荷载至断裂破坏，分别测得不同温度条件下(-27、-17、-7、7、17、27 ℃)试件的弯曲抗拉强度，3种沥青混合料试件弯拉强度和温度的关系如表9、图6所示。

通过图6可知，当温度从27 ℃降低到17 ℃时，SUP-13及AC-13沥青混合料弯拉强度大于SMA-13沥青混合料的弯拉强度，但差距不是很大，当温度继续降低到15 ℃左右时，3种沥青混合料弯拉强度基本相当，此后随着温度的降低，SMA-13沥青混合料弯拉强度一直大于SUP-13及AC-13沥青混合料弯拉强度，且就SUP-13沥青混合料来说，温度从-17 ℃降低到-27 ℃时，弯拉强度基本稳定，而AC-13沥青混合料弯拉强度保持增长但一直低于SUP-13沥青混合料。以上分析说明：以15 ℃左右为分界点，当温度高于15 ℃时,AC-13沥青混合料弯拉强度最大，低温性能最好；当温度低于15 ℃时，SMA-13沥青混合料弯拉强度最大，低温性能更好。

表9 3种混合料不同温度下弯拉强度

图6 不同温度下弯拉强度Fig.6 Results of bending strength at different temperatures

因此，对于常年冬季平均温度高于15 ℃的地区，宜选用AC-13沥青混合料作为沥青路面面层；而对于常年冬季平均温度低于15 ℃的地区，宜选用SMA-13沥青混合料作为沥青路面面层，而延庆崇礼高速公路常年冬季平均最低温度达-24 ℃，平均温度也低于15 ℃。一方面SMA-13沥青混合料弯拉强度比SUP-13及AC-13沥青混合料大，另一方面SUP-13沥青混合料在温度降低到-27 ℃时弯拉强度基本稳定，发展性不好，故推荐采用SMA-13沥青混合料作为延庆崇礼高速公路沥青路面面层。

3.3 沥青混合料低温蠕变试验

低温蠕变试验可评价沥青混合料在低温条件下的变形能力和松弛能力，成型车辙板试件，试件尺寸及加载模式参照文献[10]的试验方法，试验温度为低温-17 ℃、-27 ℃，蠕变时间为10 000 min，试验仪器为UTM100，3种沥青混合料蠕变曲线如图7～图9所示。

图7 SMA-13沥青混合料低温蠕变曲线Fig.7 SMA-13 asphalt blend low temperature creep curve

图8 SUP-13沥青混合料低温蠕变曲线Fig.8 SUP-13 asphalt blend low temperature creep curve

图9 PAC-13沥青混合料低温蠕变曲线Fig.9 PAC-13 asphalt blend low temperature creep curve

典型的低温蠕变曲线分3个阶段：第1阶段为蠕变迁移，第2阶段为蠕变稳定，第3阶段为蠕变破坏。通常以第2阶段的蠕变速率评价沥青混合料在低温条件下的变形能力，蠕变速率为

(1)

式(1)中：t1、t2分别为蠕变稳定期的起始和终止时间，s；ε1、ε2分别为t1和t2时间点对应的梁底弯拉应变；σ0为小梁试件跨中梁底的弯拉应力，MPa。

由图7可知，小梁持续进行10 000 min的低温蠕变试验，蠕变迁移阶段两种温度条件下SMA-13沥青混合料弯拉应变都由快速增长到较慢增长，当4 000 min后进入稳定增长阶段，且-17 ℃下增长缓慢，-27 ℃下增长相对较快。小梁没有出现蠕变破坏，仅出现蠕变迁移和蠕变稳定阶段。由式(1)可得，-17、-27 ℃的蠕变速率分别为4.35×10-5、1.33×10-4s·MPa，表明在低温时，SMA-13沥青混合料随着温度的降低，蠕变速率增大；由图8可知，小梁也持续进行10 000 min的低温蠕变试验，其中4 000 min后进入稳定增长阶段，且增长缓慢，小梁没有出现蠕变破坏，仅出现蠕变迁移和蠕变稳定阶段。由式(1)可得，-17、-27 ℃的蠕变速率分别为2.72×10-4、1.89×10-4s·MPa，表明尽管在低温时，SUP-13沥青混合料随着温度的增高，蠕变速率有所增大；由图9可知，小梁变化基本同图8，小梁也没有出现蠕变破坏，仅出现蠕变迁移和蠕变稳定阶段。由以式(1)可得，-17、-27 ℃的蠕变速率分别为2.52×10-4、1.79×10-4s·MPa。可得3种沥青混合料蠕变速率如图10所示。

图10 不同温度下蠕变速率结果Fig.10 Creep rate results at different temperatures

由图10可知，在-27 ℃时SUP-13及AC-13沥青混合料蠕变速率虽然大于SMA-13沥青混合料的蠕变速率，但它们蠕变速率在-17 ℃时更大，说明SUP-13及AC-13沥青混合料温度越低，蠕变速率反而降低，而SMA-13沥青混合料随着温度的降低，蠕变速率增加。延庆崇礼高速公路冬季年平均最低温度达-24 ℃，若随着温度降低蠕变速率减小，变形能力变差势必影响沥青路面强度，故推荐采用SMA-13沥青混合料。

但是，由蠕变曲线可知，在低温条件下3种沥青混合料应力松弛能力较差，易发生脆性破坏。由于小梁没有出现蠕变破坏，蠕变稳定期一直没有结束，蠕变速率指标不能直观反应和表达沥青混合料的低温抗裂能力。因此，采用低温蠕变速率指标不能准确地评价沥青混合料的低温抗裂性能。

3.4 沥青混合料低温性能评价指标

通过上述分析可知，劈裂强度和弯拉强度评价3种沥青混合料的低温性能得到的结论虽不完全一致，但是有相同的地方，即温度低于-5 ℃时， SMA-13劈裂强度和弯拉强度都大于SUP-13及PAC-13；温度高于15 ℃时，AC-13劈裂强度和弯拉强度都大于SMA-13及SUP-13。这说明两种指标在一定条件下均能表征沥青混合料的低温性能，即比较SMA-13、SUP-13、AC-13这3种沥青混合料，当温度低于-5 ℃，SMA-13沥青混合料低温性能最好，温度高于15 ℃，AC-13沥青混合料低温性能最好。而低温蠕变速率虽然可以表征沥青混合料在低温条件下的塑性特性以及应力松弛能力，但没有界定的蠕变速率阈值判定3种沥青混合料是否会发生低温破坏，因而采用蠕变试验的蠕变速率不能反映沥青混合料的实际低温性能。

综上所述，建议低温劈裂强度和弯拉强度综合分析，以此评价3种沥青混合料的低温抗裂性能。

4 SMA-13沥青混合料不同沥青下低温性能变化

SMA-13沥青混合料作为低温性能最好的沥青混合料被选出，而环氧沥青作为性能优越的沥青被广泛应用。为了验证其混合料低温性能好坏，用环氧沥青替换SBS改性沥青，以上述选出的劈裂强度和弯拉强度为指标综合分析，研究SMA-13沥青混合料在不同沥青下低温性能变化。

SMA-13沥青混合料在不同沥青条件下，试件劈裂强度、弯拉强度和温度的关系如图11、图12所示。

图11 不同沥青下劈裂强度结果Fig.11 Results of split strength under different asphalt

图12 不同沥青下弯拉强度结果Fig.12 Results of different asphalt bending strength

由图11可知，SMA-13环氧沥青混合料劈裂强度远大于SMA-13 SBS改性沥青混合料劈裂强度。在延庆崇礼高速公路年平均最低温度为-27 ℃条件下，SMA-13环氧沥青混合料劈裂强度大约比SMA-13 SBS改性沥青混合料大3.4倍；同样由图12可知，在-27 ℃条件下，SMA-13环氧沥青混合料弯拉强度大约比SMA-13 SBS改性沥青混合料大2倍。

以上结果说明，环氧沥青混合料低温性能优越，但众所周知环氧沥青价格昂贵，如果在经济条件允许情况下，延庆崇礼高速公路沥青路面面层宜选择SMA-13环氧沥青混合料。

5 结论

(1)温度低于-5 ℃时，SMA-13沥青混合料不论是劈裂强度还是弯拉强度都最大，低温性能优于SUP-13及AC-13沥青混合料；温度高于15 ℃时，AC-13沥青混合料不论是劈裂强度还是弯拉强度也都最大，低温性能优于SMA-13及SUP-13沥青混合料，可得SMA-13沥青混合料更耐零下低温。

(2)延庆崇礼高速公路路面面层在抵抗低温影响方面宜采用SMA-13沥青混合料，如果在经济条件允许情况下，最好选择SMA-13环氧沥青混合料。

(3)对于常年冬季平均最低温度低于-5 ℃的地区，宜选用SMA-13沥青混合料作为沥青路面面层；而对于常年冬季平均温度高于15 ℃的地区，宜选用AC-13沥青混合料作为沥青路面面层。

(4)建议低温劈裂强度和弯拉强度综合分析，以此评价沥青混合料的低温抗裂性能。