基于半圆弯曲和间接拉伸试验的沥青混合料断裂性能研究

谈海斌

摘要 为揭示不同沥青混合料在中温条件下的断裂性能，文章通过半圆弯曲和间接拉伸试验对沥青混合料断裂性能展开了研究，从设计与生产的角度讨论了热拌与温拌生产工艺、结合料类型、老化等因素对沥青混合料断裂性能的影响。结果表明：半圆弯曲试验测得的临界应变能释放率（Jc）值与间接拉伸试验测得的韧性指标值（TI）具有良好的相关性；结合料类型和老化对沥青混合料断裂性能有显著影响；相对于常规沥青混合料，聚合物改性沥青混合料具有更强抗断裂性能，老化降低了沥青混合料的断裂性能，但提高了沥青混合料的强度；温拌技术对所生产的沥青混合料断裂性能无明显影响。

关键词 道路工程；半圆弯曲试验；间接拉伸试验；沥青混合料；断裂性能

中图分类号 U416.217文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）16-0090-03

0 引言

中温条件下，柔性路面最常见的破坏形式为疲劳开裂[1]，主要原因是重复的交通荷载作用。当路面产生裂缝，水分的侵入使得裂缝最终形成坑洞，给行车带来安全隐患。目前，国内外许多学者采用大量的力学试验来表征沥青混合料的疲劳开裂性能，主要有四点弯曲试验[2]、半圆弯曲试验[3]和间接拉伸试验[4]等。

我国沥青路面设计中，常采用四点弯曲疲劳试验来评估沥青混凝土疲劳开裂性能，但由于该试验采用的梁试件尺寸较大，且耗时长[5]，因此在国外的沥青混合料设计中很少采用该试验方法。国外沥青路面设计中常采用半圆弯曲试验方法来评估沥青混合料疲劳断裂性能，该试验采用旋转压实仪成型沥青圆柱体试件，加载方式为通过设置恒定位移来控制荷载的逐级增加，直到试样局部破坏[6-7]。此外，间接拉伸试验最初是用来测试沥青混合料在低温下的蠕变和拉伸强度，由于试验简单性与可重复性，间接拉伸试验也常被用于测定沥青混合料在中温下的断裂性能，得到的断裂性能可作为评估沥青路面疲劳开裂性能的一个良好指标。

1 试验方法

1.1 间接拉伸试验

1.2 半圆弯曲试验

1.3 试验方案

该研究考虑了生产工艺、结合料类型、老化与RAP含量四种影响因素对沥青混合料断裂性能的影响，其中生产工艺包括热拌（HMA）与温拌（WMA），沥青结合料等级有PG 64-22、PG 70-22M和PG 76-22M，以及沥青试件在试验前是否经过烘箱老化，RAP含量有15%、20%和30%三种。通过实验室拌和（试件组Ⅰ和Ⅳ）与厂拌成型（试件组Ⅱ、Ⅲ和Ⅴ）沥青混合料试件，测试了86种沥青混合料的断裂性能，其中86种试件均进行了半圆弯曲试验，测试得到了Jc值，并对其中29种典型的沥青混合料进行了间接拉伸试验，得到了强度值与TI值。

2 试验结果与分析

2.1 半圆弯曲试验与间接拉伸试验结果关联性分析

29种沥青混合料在不同拌和成型方式下的Jc值、间接拉伸试验的强度值和TI值相关关系如图2所示。由图2（a）和图2（b）可得到无论是采用实验室拌和还是厂拌法，Jc值大小与间接拉伸强度大小无关明显的关系。但是由图2（c）29种沥青混合料的Jc值与TI值的拟合关系显示，其相关系数R²为0.89，表明两者之间具有一定的相关性。将29种沥青混合料按实验室拌和与厂拌分类时，实验室拌和的沥青混合料的Jc值与TI值相关性显著提高，相关系数R²高达0.93（图2（d）），而采用厂拌法成型的试件的试验结果的相关性显著降低，与Jc值和间接拉伸强度值之间的相关性差别不大（R²=0.64），这是由于大多数厂拌法成型的沥青混合料多采用温拌技术，而实验室拌和成型的试件多采用热拌工艺。

2.2 不同因素对沥青混合料断裂性能的影响

2.2.1 生产工艺对沥青混合料断裂性能的影响

图3为热拌沥青混合料（HMA）和温拌沥青混合料（WMA）的断裂指标及变异系数值，图3（a）对七组沥青混合料的半圆弯曲试验的Jc值进行了比较，前两组沥青混合料（Ⅰ-64、Ⅰ-70）采用实验室拌和成型，其余五组Ⅱ（1）、Ⅱ（2）、Ⅲ（1）、Ⅲ（2）、Ⅴ沥青混合料采用厂拌法成型，其中Ⅰ-64为沥青（PG 64-22）混合料，其余均为聚合改性沥青（PG 70-22）混合料。图3（b）和3（c）对厂拌沥青混合料的间接拉伸强度与韧性指标值进行了比较。

由图3可计算得知，HMA和WMA之间的Jc平均值差异不显著，HMA和WMA之间的间接拉伸强度和TI值的差异也不显著。因此可以得出，温拌工艺不会对中温下沥青混合料的断裂性能产生不利影响。

2.2.2 结合料类型对沥青混合料断裂性能的影响

不同结合料类型下沥青混合料的断裂指标及变异系数值见图4。图4（a）为5组PG 64-22和PG 70-22沥青混合料的Jc值，前两组中还比较了PG 76-22沥青混合料的Jc值，前四组沥青混合料均在实验室成型，最后一组采用厂拌法成型。图4（b）和4（c）为不同结合料类型下沥青混合料的间接拉伸强度和TI值。

由图4可知，按PG等级分类的沥青结合料对混合料的断裂性能有明显的影响，尤其当对未改性的PG 64-22沥青混合料和改性沥青结合料的断裂性能进行比较时，其影响更加显著。

3 结论

该研究通过半圆弯曲试验和间接拉伸试验测试了不同沥青混合料的Jc、间接拉伸强度和TI值，以其作为沥青混合料断裂性能的评价指标，从设计和生产方面分析了相关因素对沥青混合料断裂性能的影响。主要结论如下：

（1）半圆弯曲试验测试得到的Jc值与间接拉伸试验测得的TI值具有良好的相关性，在采用实验室拌和方法成型的沥青混合料中两者的相关性更好。

（2）沥青结合料类型和老化条件会影响沥青混合料的断裂性能，与未改性沥青混合料相比，聚合物改性沥青混合料呈现出更大的抗断裂性能，老化降低了沥青混合料的断裂能，同时提高了其间接拉伸强度。

（3）温拌工艺对沥青混合料的断裂性能不产生影响。

参考文献

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