片麻岩-SBS橡胶沥青混合料低温断裂特性研究

张丛明

（中交第四航务工程局第一工程有限公司，广东 广州 510420）

0 引言

沥青混合料作为一种对温度敏感的黏弹塑性材料，低温时易发生断裂，特别是应用于我国冬季严寒地区，会引发沥青混凝土路面开裂，导致沥青混凝土路面的服役寿命缩短。目前，对于沥青混合料低温断裂性能的研究，较多使用半圆弯曲试验，根据测试的位移—荷载曲线，计算用于评价沥青混合料低温性能的指标，包括刚度、断裂韧性、断裂能、断裂能密度等。

研究人员在利用半圆弯曲试验评价沥青混合料断裂性能的同时，开展了沥青混合料的自愈合能力研究，并定义了沥青混合料的自愈合指数等评价指标[1-4]。陈飞等结合沥青路面低温开裂的机理，归纳了沥青混合料低温抗裂性能试验方法的进展，对比分析了各种试验方法的优缺点，并结合试验评价难度、试验结果变异性与现场实际受力相关性等，建议结合连续体试验和断裂力学试验，综合评价沥青路面在不同状态下的抗裂性能和裂缝抗延展能力[5]。

综合现有文献可以看出，对于酸性集料片麻岩与SBS橡胶改性沥青制备的片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的断裂性能研究较少。本文在制备SBS橡胶改性沥青的基础上，利用马歇尔试验进行片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的配合比设计，成型旋转压实试件，并切割制备用于半圆弯曲试验的试件，开展不同温度的半圆弯曲测试，计算断裂韧性、断裂能指标，评价片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的低温断裂特性。

1 原材料性质及沥青混合料的配合比设计

1.1 SBS改性沥青及SBS橡胶沥青的性质

本文所使用的沥青为SBS改性沥青，制备SBS橡胶沥青的胶粉粒径为40目，以外掺的方式掺加占SBS改性沥青质量10%的胶粉。SBS橡胶沥青的制备流程如下：将一定质量的SBS改性沥青加热至180℃，称取对应质量的胶粉，均匀加入SBS改性沥青中，以500r/min的转速进行搅拌，胶粉掺加完毕后，移至高速剪切机以5 000r/min的转速剪切30min，最后加入抗剥落剂，以500r/min的转速缓慢搅拌和发育30min，从而完成SBS橡胶沥青的制备。室内试验结果见表1。

表1 SBS改性沥青和SBS橡胶沥青的性能指标

对比SBS改性沥青和SBS橡胶沥青，SBS橡胶沥青的针入度和延度减小，软化点升高，黏度增大，说明胶粉的掺加提升了沥青的高温性能，但低温性能受到一定影响，这是因为胶粉在SBS改性沥青中溶胀，吸收了改性沥青中的轻质组分，增强了胶粉与改性沥青的相互作用，但胶粉为颗粒状材料，加入SBS改性沥青中改变其原有的相对均匀的结构体系，从而影响了其低温性能。

1.2 集料的性质

粗、细集料均为斜长片麻岩，由于斜长片麻岩为酸性集料，为了提升酸性集料与SBS橡胶改性沥青的黏附性，保证片麻岩集料与SBS橡胶改性沥青具有较强的界面作用，本研究掺加非胺类抗剥落剂，掺量为SBS橡胶改性沥青质量的0.3%。

1.3 片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的配合比

本研究以密级配AC-16片麻岩-SBS橡胶沥青混合料为研究对象，各档集料的通过率见表2。

表2 片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的级配

通过马歇尔试验分别测试片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的毛体积密度、稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度，在满足空隙率和矿料间隙率的条件下，通过计算，确定最佳油石比为5.5%。

1.4 半圆弯曲试件制备

根据设计的SBS橡胶沥青混合料配合比进行备料，利用旋转压实仪成型直径为150mm、高度为150mm的圆柱形试件。鉴于旋转压实试件上下两端接近表面部分的密实度、空隙结构和分布与靠近试件中间部分存在差异，切掉试件上下2cm部分，以保证试件的整体结构、性能等一致。从接近试件中部的位置切割直径为150mm、厚度为24.7mm的试件，将该试件沿直径方向切割成对称的半圆试件，对每个半圆形试件自圆心垂直于直径方向切缝，缝的深度为15mm、宽度为1.5mm。

2 半圆弯曲试验结果与分析

在对沥青混合料低温断裂特性的研究中，主要采用的方法包括单边切口梁试验、间接拉伸试验、圆盘拉伸试验、裂缝扩展性能试验和半圆弯曲试验。

单边切口梁试验可以通过变换切口设置研究Ⅰ型断裂模式和混合断裂模式。该试验的缺点为当切口较深时，试样可能会在自重作用下开裂。

圆盘拉伸试验试件表面为圆形，在槽口的两侧设有加载孔，可以使断裂面积最大化，从而减小因几何形状导致的测试结果可变性。但该试验的试件内部应力分布复杂，加载孔可能产生应力集中，导致试件过早失效，使得试验结果失真，且试件的制备较为复杂。

半圆弯曲试验（Semi-Circular Bending,SCB）基于断裂力学原理，该试验方法对带有缺口的半圆形试件进行三点弯曲加载，在试件的底部产生张力，从而导致裂纹从底部萌生，沿试件底部向整个试件扩展。该试验方法的试件制备简便，试件的切口易切割，试件的获取可通过试验室或现场取芯，试验操作简单，可重复性强。

采用半圆弯曲试验测试不同温度下片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的断裂过程及性能指标，测试温度分别为-15℃,-10℃和0℃，加载速率为1mm/min。

2.1 温度与断裂韧性的关系

断裂韧性KIC是临界荷载时的应力强度因子，临界荷载为试验过程中的最大弯曲力，断裂韧性反映沥青混合料在断裂过程中吸收能量的能力，KIC越大，说明阻碍裂纹扩展的能力越强。KIC由式（1）计算，不同温度条件下的断裂韧性如图1所示。

图1 片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的断裂韧性

式（1）中：YI(0.8)为标准应力强度因子，由式（2）计算得出；σ0为临界荷载对应的应力（MPa），由式（3）计算得出；a为裂缝长度（m）。

式（2）～式（3）中：r为试件半径（m）；Pc为临界荷载（MN），即最大弯曲力；t为试件厚度（m）。

由图1可以看出，温度对片麻岩-SBS橡胶沥青混合料断裂韧性的影响较大。随着温度的升高，沥青混合料的断裂韧性减小，说明沥青混合料在低温环境下发生断裂需要消耗更多的能量，温度升高后，沥青混合料的黏弹性更加显著，施加荷载使得试件产生断裂所消耗的能量减少。与-15℃时的断裂韧性相比，-10℃和0℃时片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的断裂韧性分别减小18.2%和28.0%。

2.2 温度与断裂能的关系

断裂能Gf是半圆弯曲试验所计算的主要参数之一，其定义为裂缝在试件中萌生、扩展直至断裂所需的功，以荷载-位移曲线下的面积表示。断裂能越大，表示沥青混合料在某一温度下的抗裂性能越好。断裂能Gf为断裂功与韧性区面积之比，见式（4）。

式（4）中：Gf为断裂能（J/m2）；Wf为断裂功（J），由式（5）确定；Alig为韧性区面积（m2），由式（6）确定。

式（5）～式（6）中：P为施加的荷载（N）；u为平均位移（m）；其他参数意义同前。

根据式（4），通过对片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的荷载-位移曲线与X轴包围的面积进行积分，得到不同试验温度条件下沥青混合料的断裂能，如图2所示。

图2 片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的断裂能

由图2可知，片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的断裂能随着温度的升高而减小，特别是当温度从-15℃上升至-10℃期间断裂能急剧下降，与-15℃时片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的断裂能相比，-10℃和0℃时的断裂能分别下降了38.9%和42.4%，说明温度越低，片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的抗裂性能越优，随着温度的升高，沥青混合料逐渐呈现出黏弹塑性，其抗裂性能下降。

3 结论

综上所述，本文得出以下结论：

（1）掺加胶粉后，SBS橡胶沥青的针入度、延度减小，软化点、黏度增大。

（2）随着温度的升高，片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的断裂韧性减小，沥青混合料试件产生断裂消耗的能量随之降低.

（3）片麻岩-SBS橡胶沥青混合料的断裂能随着温度的升高而减小。