PA-1/UV-531/SBR改性沥青混合料高低温性能评价

闵天府(青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016)

0 引言

青海省地处西北寒旱区，具有干燥、寒冷、温差、强紫外线和大风等气候特征及冷热交替等典型的气候条件，导致沥青路面过早老化，路用性能严重降低，因此，提高青藏高原地区沥青路面路用性能具有一定研究意义。基于此，文章分别对0.7%PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR(占基质沥青质量分数)改性沥青混合料进行高温车辙试验和半圆弯曲试验，采用动稳定度技术指标评价沥青混合料高温稳定性，以断裂能和断裂韧性作为评价沥青混合料低温抗裂性指标。试验结论有望对青海地区沥青路面高低温性能评价体系提供参考和依据。

李宁等[1]通过研究车辙深度发现泡沫温拌沥青混合料高温稳定性能更好；何俊辉等[2]研究结果表明随着荷载增大，沥青混合料动稳定度降低，车辙深度呈增大趋势；同时有关学者对影响沥青混合料低温性能有关因素进行分析[3]。美国SHRP计划提出将J积分作为评价沥青路面开裂指标[4]。

1 材料概况

1.1沥青技术指标

试验选用抗剥落剂PA-1、抗紫外线剂UV-531和丁苯橡胶SBR三种改性剂，制备组分为0.7% PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR复配改性沥青，性能测试结果如表1所示。

表1 0.7%PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 复配改性沥青主要技术指标

1.2 沥青混合料配合比设计

研究选用AC-16密集配沥青混合料类型，集料采用石灰岩材质的碎石和矿粉，配比为10 ～ 20 mm∶10～15 mm∶5～10 mm∶3～5 mm∶0～ 3 mm∶矿粉 =16∶19∶14∶19∶29∶3，通过一系列马歇尔稳定度和体积试验，确定最佳油石比为4.5%。对粗、细集料以及矿粉技术指标测定结果满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》对于各项指标的技术要求。沥青混合料级配设计结果如表2所示。

表2 AC-16沥青混合料级配设计结果

2 试验方法

2.1 高温车辙试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，进行高温车辙试验。首先将成型好的尺寸为300 mm× 300 mm×50 mm车辙试件置于室温养护24 h，然后置于60 ℃的试验环境中保温6 h之后进行车辙试验，试验温度60 ℃，轮压为0.7 MPa，速率42次/min的标准条件下进行。碾压时间为60 min，每组试验进行3次平行试验，取平均值作为结果。

2.2 SCB试验加载

SCB试验采用UTM-130沥青混合料多功能试验机，以0.05 kN/s接触试件，产生接触力0.1±0.01 kN，以0.5 mm/min竖向位移下压速率对试件进行加载，荷载下降到最大值的25%时终止试验。SCB试验试件尺寸为：直径150 mm、厚度24.7 mm，预切口15 mm的半圆切片。试验温度为-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃。SCB试件在试验温度下养护3 h，每个温度进行2组有效平行试验，取平均值作为结果。

3 结果与分析

3.1 SCB试验

SCB试验基于弹塑性断裂力学理论，对五个温度下-10 ℃、-5 ℃、0 ℃、5 ℃、10 ℃的SCB试件进行加载，得到荷载-位移曲线图，如图1所示。

图1 不同温度下SCB试件荷载-位移曲线

沥青混合料属于感温性材料，温度降低会引起沥青混合料脆性提高。由图1可见，SCB试件荷载-位移曲线受温度影响显著，破坏峰值荷载随着温度降低逐渐增大，在0～-5 ℃之间，峰值荷载变化上升幅度最大，提高率达到48.2%。同时，不同温度下峰值荷载之后仍有下降段，说明SCB试件在达到极限抗压强度后，仍具有弹性变形能力。

3.1.1 基于断裂能指标评价SCB试件低温抗裂性能

断裂能按公式(1)进行计算，得到五个温度下的断裂能，绘制成图2。

图2 改性沥青混合料SCB试件断裂能柱状图

式中：wf为断裂功，wf=∫Pdu，P为荷载，u为平均线位移；Alig为韧带区域，Alig=(r-a)t，r为试件半径，a为开口长度，t为试件厚度。

由图2所示，温度变化会对沥青混合料抗裂性能产生显著影响，随着温度降低，断裂能先增大后降低，并在0 ℃达到峰值。说明SCB试件在0 ℃时抗裂性能最好。0 ℃以下时，温度降低会引起材料弹性变形能力减弱，产生破坏所需能量减小。同时发现0～-5 ℃，断裂能变化显著，减小率达到53.1%。分析原因：温度降低使沥青变硬变脆，引起沥青—集料之间黏附性变差，沥青混合料内部出现温度应力累积，导致试件还未达到所承受极限抗拉强度时，累积温度应力已达到自身抗拉强度极限值而破坏，因此低温环境下断裂能较小。

3.1.2 基于断裂韧性指标评价SCB试件低温抗裂性能

断裂韧性按公式(2)～(4)进行计算，将五种温度下的断裂韧性计算结果绘制成图3所示。

图3 改性沥青混合料SCB试件断裂韧性折线图

式中：Y(I(0.8))为标准应力强度因子；σ0为峰值荷载对应的应力；a为裂缝长度；P为施加荷载；r为试件半径；t为试件厚度。

断裂韧性是表征材料组织裂缝扩展能力的固有属性，如图3所示，SCB试件断裂韧性随着温度降低，先升高后下降，并在0 ℃时达到最高值1.06 MPa·m0.5,0 ℃之后，断裂韧性开始大幅减小，说明此时SCB试件开裂程度从0 ℃开始变大，抗裂缝发展水平更差。采用断裂韧性评价指标和断裂能评价结果一致，说明0.7%PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 改性沥青混合料SCB试件低温抗裂性在0 ℃时达到最佳。

3.2 高温车辙试验

每组试样记录0～60 min内的车辙位移，间隔5 s取一个点，共取13个点，将3组试件车辙结果绘制成如图3所示曲线。采用动稳定度(DS)值作为评价沥青混合料高温抗车辙性能指标，动稳定度越大，说明车辙永久变形速率越慢，高温抗车辙能力越好。计算公式如下式：

式中：DS为沥青混合料车辙动稳定度(次/mm)；d1、d2分别为对应时间t1、t2的变形量；C1为试验机类型系数，曲柄连杆驱动加载轮往返运行方式为1.0；C2为试件系数，实验室制备宽为300 mm的试件为1.0；N为试验轮往返碾压速度，通常为42次/min。

如图4所示，三组车辙试验曲线表明：随着车辙碾压时间的增长，车辙板的变形量不断增大，变化速率逐渐趋于平缓。

图4 改性沥青混合料汉堡车辙试验曲线

根据JTG F40—2019《公路沥青路面施工技术规范》规定：青海地区沥青混合料车辙试验DS≥2 400次/mm。通过对三组试验结果计算分析，0.7% PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 改性沥青混合料三组DS平均值比标准值高63.75%，说明改性沥青混合料动稳定度满足青海地区要求，具有较好的高温抗车辙能力。

4 结语

(1)采用断裂能和断裂韧性评价指标，发现0.7% PA-1/1.6%UV-531/1.0%SBR 改性沥青混合料低温抗裂性在0 ℃达到最佳。在10～-10 ℃温度范围内，沥青混合料在达到极限抗压强度后，仍具有弹性变形能力。

(2)高温车辙试验结果表明，0.7%PA-1/1.6% UV-531/1.0% SBR 改性沥青混合料动稳定度比标准值提高63.75%，具有较好的高温抗车辙能力，满足规范对青海地区要求。