不同改性沥青混合料抗裂性能半圆弯曲试验研究

李晓莹

（甘肃省白银公路事业发展中心靖远公路段，甘肃靖远730600）

0 引言

现阶段，困扰高速公路沥青路面的头号难题依然是路面开裂。与低温季节沥青路面易发生脆裂相比，长路龄路面近年来开始呈现常温季节开裂的趋势[1]。针对沥青混合料的抗裂性能，小梁弯曲试验、间接拉伸试验及半圆弯曲试验（简称“SCB 试验”）均有其适用的场景[2]。与前两种试验方法相比，SCB 试验具有诸多优势。首先，SCB 试验操作方法简单，便于重复性试验。其次，SCB 试验基于断裂力学的研究方法，能够更科学地解释沥青混合料的抗裂性能。断裂力学理论指出，沥青混合料的开裂主要包括两个阶段，即裂缝的产生与裂缝的扩展[3]。

1 试验方案

1.1 原材料

选取两种成品改性沥青作为沥青胶结料。其一，某种硬质沥青，多用于易发生车辙的地区，简记为“Ⅰ沥青”；其二，某高粘、高弹改性沥青，其动力黏度较大且变形能力较强，在高寒地区具有广阔的应用场景，简记为“Ⅱ沥青”。两种改性沥青的基本技术指标见表1。

表1 两种改性沥青基本技术指标

使用的粗集料、细集料均为玄武岩，填料为石灰岩矿粉。其中，SMA 混合料还需掺入一定量的纤维，其用量为混合料质量的0.3%。

1.2 试件制备

选取两种沥青路面面层常用级配AC-13 与SMA-13，其不同筛孔的通过率均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40—2004）要求。首先，使用马歇尔法确定AC-13、SMA-13 混合料的最佳沥青用量。其次，经高温拌和后，使用Superpave 旋转压实仪，使之成为直径150mm、高度180mm 的圆柱体沥青混合料，脱模后放在室温条件下至少养生2 天。再次，使用切割机沿高度方向切除圆柱体上、下表面各15mm 后，在高度方向对其进行三等分切割，从而得到3 个直径150mm、高50mm 的小圆柱体试件。最后，使用小型切割机对半圆试件进行预切缝处理，预切缝在矩形截面的中部位置，其深度为15mm[4]。

1.3 试验方法

借助万能试验机进行SCB 试验，试验的加载速率为50mm/min。为评价改性沥青混合料的中温抗裂性能，试验温度应确定为25oC。试验开始前，SCB 试件需在25oC 恒温环境箱中至少保温4h。为保证试验结果的可靠性，每种改性沥青混合料至少进行4 组平行试验，根据标准偏差，剔除离散程度较大的数据并补充平行试验，最终取有效数据的平均值作为试验结果[5]。

从强度、变形、能量三个角度，评价不同改性沥青混合料的中温抗裂性能。如图1所示，强度评价指标为峰值力Fmax，其定义为竖向加载力—位移曲线的峰值点对应的加载力；变形能力评价指标为峰值位移Dp及破坏位移Dcf，DP为峰值力Fmax对应的位移，Dcf为竖向加载力—位移曲线峰后部分竖向力为Fmax/2 时对应的位移；能量指标综合考虑试件的受荷与变形能力，该次使用峰前断裂能Gbf与峰后断裂能Gaf分别评价改性沥青混合料在裂缝产生前、后的抗裂性能，Gbf与Gaf的计算方法见式（1）～（5）。

图1 SCB 试验竖向加载力－位移曲线示例图

式（1）中：A为试件的中部连接面积，单位mm2；r 为试件半径，单位mm；a为预切缝深度，单位mm；t为试件厚度，单位mm。式（2）中：Fb为试件峰前阶段的竖向力，单位kN。式（4）中，Fa为试件峰后阶段的竖向力，单位kN。式（2）、式（4）中：u为试件的竖向位移，单位mm。

2 试验结果与分析

不同改性沥青混合料SCB 断裂试验的结果如表2所示，分别从强度、变形能力及能量的角度进行了具体分析。

表2 SCB 试验结果

2.1 强度

图2 为不同改性沥青混合料SCB 断裂试验峰值力的差异情况。由图2 可知，无论级配类型是AC-13 还是SMA-13，Ⅰ沥青混合料的峰值力Fmax 均明显大于Ⅱ沥青混合料。这表明，沥青胶结料性质对混合料的强度影响较为显著。25oC 下Ⅰ沥青的针入度远小于Ⅱ沥青，在一定程度上保证了中温条件下Ⅰ沥青混合料的强度更大，即硬质沥青混合料中温条件下的强度明显大于高粘、高弹改性沥青混合料。此外，当沥青胶结料为Ⅰ沥青时，AC-13 混合料的峰值力大于SMA-13 混合料；当沥青胶结料为Ⅱ沥青时，AC-13混合料的峰值力略小于SMA-13 混合料，这表明级配对改性沥青混合料强度的影响相对较弱。

图2 不同改性沥青混合料SCB 试验峰值力指标差异

2.2 变形能力

图3、图4 表示不同改性沥青混合料在SCB 断裂试验中的变形能力。由图3 可知，在改性沥青混合料开裂的瞬间，SMA-13 级配的Ⅱ沥青混合料的位移明显大于其余三种改性沥青混合料，而AC-13 级配的Ⅱ沥青混合料的峰值位移最小。根据图4 可知，进一步跟踪不同改性沥青混合料产生裂缝之后的变形情况，发现同一级配的Ⅱ沥青混合料破坏位移均大于Ⅰ沥青混合料。这表明在裂缝扩展阶段，高粘、高弹改性沥青混合料拥有更好的变形能力。在沥青胶结料相同的情况下，SMA-13 级配的改性沥青混合料的破坏位移更大，即SMA-13 改性沥青混合料在裂缝扩展阶段的变形能力略优于AC-13。

图3 不同改性沥青混合料SCB 试验位移指标差异峰值位移DP

图4 不同改性沥青混合料SCB 试验位移指标差异破坏位移Dcf

2.3 断裂能

图5、图6 分别为不同改性沥青混合料在裂缝产生前及裂缝扩展阶段的断裂能情况。由图5 可知，同一级配Ⅰ沥青混合料的峰前断裂能均大于Ⅱ沥青混合料，主要原因是裂缝产生前Ⅰ沥青混合料承受的加载力明显大于后者，这表明，相同级配条件下，硬质沥青改性沥青混合料抵抗裂缝产生的性能优于高粘、高弹改性沥青混合料。从图6 可以看出，从裂缝产生到裂缝稳定扩展阶段，相同级配条件下，虽然Ⅰ沥青混合料峰值力相对较大，但Ⅱ沥青混合料带裂缝的变形量更大.综合两个因素之后，Ⅱ沥青混合料的峰后断裂能反而大于Ⅰ沥青混合料，表明高粘、高弹改性沥青混合料带裂缝的工作能力强于硬质沥青混合料，即高粘、高弹改性沥青混合料在中温条件下，能够保持更稳定的延性破坏状态。

图5 不同改性沥青混合料SCB 试验位移指标差异峰前断裂能Gbf

图6 不同改性沥青混合料SCB 试验断裂能指标差异峰后断裂能Gaf

3 结论

该研究选取硬质沥青和高粘、高弹改性沥青作为沥青胶结料，探究了级配对混合料性能的影响，通过半圆弯曲试验研究了不同改性沥青混合料在中温条件下的抗裂性能，根据试验结果及数据分析可以得出以下结论：其一，与级配类型相比，沥青胶结料的种类对改性沥青混合料的强度影响更为显著，且中温条件下硬质沥青混合料的强度明显大于高粘、高弹改性沥青混合料。其二，相同级配条件下，高粘、高弹改性沥青混合料在裂缝扩展阶段的变形能力优于硬质沥青混合料；同一沥青胶结料条件下，SMA-13 沥青混合料在裂缝扩展阶段的变形能力优于AC-13 沥青混合料。其三，相同级配条件下，硬质沥青混合料抵抗裂缝产生的性能优于高粘、高弹改性沥青混合料；高粘、高弹改性沥青混合料在中温条件下，能够保持更稳定的延性破坏状态。