高寒大温差对沥青及沥青混合料性能的影响

曹海波，汪双杰，朱洪洲

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

我国高寒大温差地区(如青藏地区)具有海拔高、年平均气温低、温差大、冻融循环严重等特点。受气候因素影响，该地区沥青路面病害频发，使用寿命短，已严重制约了当地公路事业的发展。国内外很多学者针对温度对沥青和沥青混合料性能影响开展了研究。J.E.KLIEWER等[1]认为沥青和矿料作用及混合料类型对混合料性能均有影响；孙明志[2]分析了沥青膜在冻融循环作用下性能的变化规律；唐佑绵等[3]通过室内试验模拟极端温度条件下沥青结合料在老化前后的蠕变、流变特性，验证了沥青结合料的线黏弹性力学行为；韦佑坡等[4]利用弯拉强度试验研究了沥青混合料受级配、沥青用量、温度等因素影响的变化规律；刘勇等[5]研究了高寒条件下热压式沥青混合料设计及性能；郭博等[6]开展了大温差条件下沥青混合料材料组成对其高低温性能、水稳定性等性能的影响研究；易军艳等[7]利用拉拔和小梁弯曲试验对寒区树脂沥青的材料设计和性能进行了研究；彭水根[8]提出了满足西藏地区高等级沥青路面使用要求的沥青种类选择及混合料矿料级配范围；郭韦韦等[9]通过劈裂试验、小梁弯曲试验、低温收缩试验，研究了不同时照的光老化对沥青混合料低温性能影响程度；张毅[10]分析了不同老化状态下沥青混合料的低温抗裂性能；马骉等[11]分析了沥青种类、级配类型等对青藏高寒地区沥青混合料水稳定性及高温性能影响；毛雪松等[12]提出高海拔和低温气候是影响路面结构的关键因素，并对高寒高海拔地区路面典型结构适应性开展了研究。

总体而言，目前针对高寒、大温差及降温速率等因素综合作用下沥青和沥青混合料性能的系统研究较少。笔者通过对高寒、大温差条件进行模拟，对沥青及沥青混合料在这种条件作用下的路用性能变化规律进行研究，以期能为高寒高海拔地区沥青路面优化设计提供参考。

1 原材料及试验方案

1.1 原材料

结合我国高寒高海拔地区沥青使用状况，研究中采用90#基质沥青、110#基质沥青、SBS改性沥青和SBR改性沥青进行对比分析，沥青具体技术指标见表1。

表1 沥青技术指标实测值

粗集料采用玄武岩碎石，其主要技术指标见表2。细集料采用0～3 mm机制砂，填料采用石灰石矿粉，细集料及矿粉各项技术指标均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[13]要求。

表2 粗集料性能技术指标

1.2 级配设计

笔者选用AC-13、AC-16和SMA-13这3种沥青混合料类型进行级配设计，见表3。

表3 沥青混合料设计级配

选用90#基质沥青、SBS改性沥青制备沥青混合料试件，通过马歇尔试验方法确定不同沥青混合料的最佳油石比，得到基质沥青AC-13、SBS改性AC-13最佳油石比分别为5.1%、5.2%；SBS改性AC-16最佳油石比分别为5.1%；SBS改性SMA-13最佳油石比为6.4%。

1.3 试验方案

1.3.1 沥青指标试验

将不同沥青试样置于环境试验箱中，选择温度范围为-35～50 ℃，待箱内温度到达50 ℃时，保持箱内温度恒定1.5 h；设置降温速率(0.5～1.5 ℃/min)降低环境试验箱内温度，待其降至-35 ℃，保持1.5 h；设置升温速率(0.5～1.5 ℃/min)升高环境试验箱内温度，待其到达50 ℃时，保持箱内温度恒定1.5 h；分别重复上述试验步骤10、20、50次，进行沥青3大指标、BBR和DSR试验。

1.3.2 沥青混合料约束试件温度应力试验

使用自增压液氮罐进行降温，降温速率分别为5、10、15 ℃/h。试验降温最低达到-50 ℃，测试沥青混合料的冻断温度、冻断应力及转化点温度。

1.3.3 小梁低温弯曲试验

制备沥青混合料小梁试件进行低温弯曲试验，试验温度分别为20、10、 0、-10、-20 ℃，试验加载速率为50 mm/min，测试抗弯拉强度及最大弯拉应变。

1.3.4 冻融劈裂试验

在进行标准冻融劈裂试验基础上，另选一组试件放置于-35 ℃的低温条件下16 h，再放置于50 ℃恒温环境24 h，往复不同次数循环，测试低温劈裂抗拉强度和冻融劈裂试验强度比。

2 沥青性能影响

2.1 常规性能试验

沥青试样在不同冻融循环次数及降温速率条件下，测试了25 ℃针入度、软化点和10 ℃延度(分别用A、B、C表示)，试验结果见表4、表5。由表4、表5的试验结果可看出：与原样沥青3大指标试验数据相比，90#基质沥青、110#基质沥青、SBS改性沥青和SBR改性沥青的3大指标试验数据变化幅度不大，变化率均小于3%，即在不同高低温循环次数及不同降温速率条件下，试验前后沥青性能基本不发生变化。这主要是因为沥青在高低温循环条件下，只是物理上的相态变化，其内部化学成分并不会发生转移或改变。

表4 不同高低温循环次数下沥青3大指标试验结果(降温速率1.5 ℃/min)

表5 不同降温速率条件下沥青3大指标试验结果(冻融循环20次)

2.2 沥青流变性能试验

笔者选择110#沥青制备试验试样，采用弯曲梁流变仪(BBR)测定沥青高低温循环后的弯曲劲度模量S和m值，试验温度为-15 ℃。

试验测定110#基质沥青经20、50次冻融循环前后的S和m，其试验数据如表6。

表6 110#基质沥青BBR试验结果

由表6可知：分别经过20、50次高低温循环后沥青的劲度模量和蠕变速率相差极低，在考虑试验过程中产生的误差，可认为沥青在经过高低温循环后其低温流变性能未发生变化。

2.3 动态剪切流变试验

选择110#沥青制备试验试样，采用动态剪切流变仪(DSR)测定沥青分别经过10、 20、 50次高低温循环后的复数模量G*和相位角δ，计算车辙因子G*/sinδ。试验中扫描温度分别为46、 52、 58、 64 ℃，荷载作用频率为ω=10 rad/s，采用应变控制模式，γ=12%。根据试验结果绘制车辙因子与温度的关系如图1。

由图1可看出：沥青分别经过10、 20、 50次高低温循环后，其车辙因子与原样沥青数据相比变化幅度极小，可认为经过高低温循环后沥青自身高温流变性能未发生变化。

图1 沥青高低温循环条件下车辙因子与温度关系

3 沥青混合料性能影响

3.1 低温应力约束试验(TSRST)

对基质沥青AC-13、SBS改性AC-13、SBS改性AC-16、SBS改性SMA-13这4种沥青混合料，分别按照5、10、15 ℃/h的降温速率分3组进行约束试件温度应力试验，试验结果如表7。

由表7可知：不同条件下沥青混合料冻断温度、冻断应力及转化点温度这3项指标总体趋势相似。混合料类型对试验结果存在显著影响，SMA类沥青混合料冻断温度低于AC类沥青混合料，这是由于SMA沥青混合料属于骨架密实结构，既有一定数量的粗集料形成骨架结构，又有足够的细集料填充到粗集料中间，沥青用量高，因此较AC类沥青混合料具有更优的低温性能。沥青类型对试验结果有一定影响，基质沥青的冻断温度要高于改性沥青，这是因为改性沥青相对基质沥青黏度较大，在低温条件下的韧性优于基质沥青。降温速率对冻断温度存在一定影响，但影响幅度较小。

表7 沥青混合料约束试件温度应力试验结果

3.2 小梁低温弯曲试验

SBS改性AC-13、SBS改性AC-16及SBS改性SMA-13这3种沥青混合料的低温弯曲弯曲试验结果如图2～图4。

由图2～图4可看出：这3种沥青混合料荷载位移曲线形态相似。随试验温度降低，抗弯拉强度先增大后减小，最大弯拉应力逐渐减小，破坏时最大拉应变SMA-13最大、AC-13其次、AC-16最小，表明沥青混合料低温性能SMA-13>AC-13>AC-16。

图2 沥青混合料荷载挠度曲线

图3 不同温度下沥青混合料的抗弯拉强度

图4 不同温度下沥青混合料的最大弯拉应变

3.3 冻融劈裂试验

选用SBS改性AC-13沥青混合料制备试样，分5组进行试验。第1组按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[14]中的方法及要求进行冻融劈裂试验；第2组参照第1组试验条件，并将冷冻温度调整为-35 ℃；第3～5组按照文中1.3节设定的方案进行试验，冻融循环次数分别为10、15、20次，试验结果如表8。

表8 沥青混合料冻融劈裂试验结果

由表8可知：与标准试验条件相比，高寒试验条件下沥青混合料劈裂强度及冻融劈裂试验强度比存在明显降低；随着冻融循环次数增加，劈裂强度及冻融劈裂试验强度比逐步降低；试验结果表明高寒大温差条件对沥青混合料劈裂抗拉强度及水稳定性能存在较为显著影响。

4 结 论

笔者通过模拟高寒、大温差条件，选取90#基质沥青、110#基质沥青、SBS改性沥青和SBR改性沥青共4种沥青类型及AC-13、AC-16及SMA-13共3种沥青混合料级配类型，对沥青及沥青混合料在高寒、大温差、降温速率等条件下的性能变化规律进行研究，得出如下结论：

1)4种沥青在进行高低温循环后其针入度、软化点、延度、3大指标、高温车辙因子、低温劲度模量和蠕变速率等指标变化幅度很小，高寒大温差条件对沥青性能影响较小；

2)在高寒大温差作用条件下，沥青混合料类型对其路用性能存在显著影响，SMA类沥青混合料路用性能优于AC类沥青混合料；

3)沥青类型对沥青混合料低温性能存在显著影响，改性沥青混合料路用性能优于基质沥青混合料；

4)高寒大温差条件降低了沥青混合料的劈裂强度及水稳定性。