張廉青

（天津市交通科學(xué)研究院，天津 300074）

0 引言

道路工程中常用的路面為瀝青路面與水泥混凝土路面。瀝青路面屬于柔性路面，具有更好的力學(xué)性能與路用性能，因此其應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。但是瀝青路面中的瀝青混合料是一種感溫性材料，在低溫條件下容易發(fā)生收縮，從而導(dǎo)致瀝青路面開(kāi)裂[3-4]，尤其是在周期性變化的溫度環(huán)境中，材料在反復(fù)的溫升與溫降中容易形成穩(wěn)定疲勞裂縫，加劇瀝青路面開(kāi)裂。本文將在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)SBR改性瀝青的低溫抗裂性能做進(jìn)一步的探討。

1 瀝青路面低溫開(kāi)裂的原因

導(dǎo)致瀝青路面開(kāi)裂的主要因素是路面承受的荷載與環(huán)境溫度。其中，環(huán)境溫度是導(dǎo)致瀝青路面開(kāi)裂的最主要因素。溫度的降低與升高會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料出現(xiàn)收縮與膨脹，材料的收縮、膨脹將導(dǎo)致材料產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變，當(dāng)所產(chǎn)生的應(yīng)力大于材料的抵抗力，材料就會(huì)發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致路面開(kāi)裂。低溫引起的開(kāi)裂又稱為低溫縮裂。低溫裂縫大多為橫向等間距裂縫，裂縫最初出現(xiàn)在道路表面，隨后逐步向深層發(fā)展，裂縫寬度逐漸增大。影響低溫裂縫的主要因素包括瀝青的種類與性質(zhì)、瀝青混合料的組成與性質(zhì)兩方面。若瀝青的品質(zhì)較好，則可以大大改善瀝青路面的質(zhì)量。當(dāng)瀝青的品質(zhì)相同時(shí)，瀝青的針入度越大或者勁度越小，瀝青路面低溫裂縫的出現(xiàn)概率就越小。增加瀝青的用量有助于改善瀝青混合料的抗裂性能，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致混合料的應(yīng)力松弛性能提高，從而促進(jìn)瀝青混合料的收縮，對(duì)瀝青混合料的抗裂性能不利。瀝青混合料中集料的吸水性越大，瀝青混合料的抗裂性就越差，這主要是因?yàn)槲源蟮募纤趾扛?，?dāng)溫度降低時(shí)產(chǎn)生的收縮大。另外，剝落率大的瀝青混合料，由于瀝青與混合料的黏結(jié)性差，導(dǎo)致其抗裂性也差。

2 低溫抗裂性能試驗(yàn)方法

瀝青混合料的低溫抗裂性能試驗(yàn)主要是為了評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫抗裂能力，常見(jiàn)的試驗(yàn)方法有劈裂試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、線收縮系數(shù)試驗(yàn)、彎曲蠕變?cè)囼?yàn)及單軸壓縮試驗(yàn)[5-11]。下面對(duì)部分試驗(yàn)的試驗(yàn)條件、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）劈裂試驗(yàn)。劈裂試驗(yàn)所需要的試件與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件相同，試件的尺寸一般為直徑150mm、高110mm，試驗(yàn)溫度一般控制在-10.5～-9.5℃，加載速率為1mm/min，以劈裂抗拉強(qiáng)度或破壞拉伸應(yīng)變作為指標(biāo)。該試驗(yàn)的試件成型較為簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理也比較簡(jiǎn)單，但加載速率較低，試驗(yàn)操作也較為繁瑣。

（2）彎曲試驗(yàn)。彎曲試驗(yàn)中的試件為長(zhǎng)250mm、寬30mm、高35mm的棱柱體小梁，低溫試驗(yàn)時(shí)溫度一般為-10.5～-9.5℃，以抗彎拉強(qiáng)度、彎拉應(yīng)變及勁度模量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。該試驗(yàn)的試件制作簡(jiǎn)單，試驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)處理也相對(duì)簡(jiǎn)單，但缺少當(dāng)溫度低于-10℃的對(duì)比試驗(yàn)。

（3）線性收縮系數(shù)試驗(yàn)。線性收縮系數(shù)試驗(yàn)所需的試件為長(zhǎng)200mm、寬20mm、高20mm的棱柱體，試驗(yàn)溫度一般控制在-30～10℃。通過(guò)試驗(yàn)得到試件的平均收縮應(yīng)變和平均收縮系數(shù)。該試驗(yàn)具有試件制作簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但其試驗(yàn)設(shè)備較為復(fù)雜，試驗(yàn)過(guò)程中誤差較大。

（4）彎曲蠕變?cè)囼?yàn)。彎曲蠕變?cè)囼?yàn)中的試件為長(zhǎng)250mm、寬30mm、高35mm的棱柱體小梁，在進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)適宜溫度為0℃，在進(jìn)行高溫性能試驗(yàn)時(shí)適宜溫度為30～40℃。通過(guò)試驗(yàn)得到彎曲蠕變值及蠕變速率。該試驗(yàn)的試件制作、試驗(yàn)操作及數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，但低溫試驗(yàn)的溫度為0℃，與實(shí)際工程相比溫度較高，試驗(yàn)結(jié)果不能體現(xiàn)更低溫度下的實(shí)際路用性能。

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

該工程所在地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷并且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，年平均氣溫為0℃左右，最低氣溫可以達(dá)到-40℃。該工程為舊路改造工程，路線全長(zhǎng)76.2km，原設(shè)計(jì)道路等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)車(chē)速為80km/h。由于溫度的影響，瀝青路面出現(xiàn)裂縫、車(chē)轍及坑槽等病害。本次改造后的道路等級(jí)為一級(jí)，改造后的設(shè)計(jì)車(chē)速為100km/h。改造后的面層材料為SBR改性瀝青混凝土。

3.2 SBR改性瀝青的基本性能指標(biāo)試驗(yàn)

采用AC-13普通瀝青添加改性劑制成SBR改性瀝青，其中粗集料采用壓碎值為14.3%、針片狀顆粒含量為10%、吸水率為1.5%的碎石；細(xì)集料采用表觀相對(duì)密度為2.6%、砂當(dāng)量為12%的細(xì)砂；礦粉采用表觀密度為2 800kg/m3、含水量為0.3%的粉煤灰。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得該改性瀝青的基本性能，結(jié)果如表1所示。

表1 SBR改性瀝青的基本性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)得到AC-13SBR改性瀝青混合料的瀝青用量為5.3%，毛體積相對(duì)密度為2.4，合成礦料的毛體積相對(duì)密度為2.64，孔隙率為4.5%，礦料間孔隙率為14.5%，穩(wěn)定度為2.18kN，有效瀝青的飽和度為69.2%，流值為3.5mm。

3.3 低溫抗裂性能試驗(yàn)

下面分別采用彎曲試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)及凍斷試驗(yàn)對(duì)改性瀝青混合料進(jìn)行低溫抗裂性能測(cè)試。

3.3.1 低溫彎曲試驗(yàn)

低溫彎曲試驗(yàn)是一種常用的瀝青抗裂性能試驗(yàn)。該試驗(yàn)的試件可以通過(guò)輪壓碾壓成型，試件一般為長(zhǎng)250mm、寬30mm、高35mm的棱柱體小梁。分別于0℃,-10℃和-20℃溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，并將改性瀝青與基質(zhì)瀝青的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖1所示為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

圖1 彎曲試驗(yàn)圖片

表2 彎曲試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出，隨著試驗(yàn)溫度的降低，改性瀝青與基質(zhì)瀝青破壞時(shí)的最大荷載逐漸增大，破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度也逐漸增大，彎拉應(yīng)變逐漸減小，破壞時(shí)的跨中撓度逐漸減小。對(duì)比兩種混合料可以發(fā)現(xiàn)，改性瀝青的低溫抗裂性得到顯著改善。

3.3.2 劈裂試驗(yàn)

劈裂試驗(yàn)采用的溫度分別為0℃,-10℃及-20℃，試件為直徑150mm、高110mm的圓柱體。采用動(dòng)態(tài)液壓瀝青混合料試驗(yàn)系統(tǒng)（UTM-100）對(duì)試件的極限抗拉強(qiáng)度、蠕變荷載等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，并將改性瀝青與基質(zhì)瀝青的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。圖2為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 劈裂試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖2 劈裂試驗(yàn)圖片

從表2可以看出，改性瀝青與基質(zhì)瀝青破壞時(shí)的極限抗拉強(qiáng)度和蠕變荷載均隨著試驗(yàn)溫度的降低而增大。對(duì)比兩種混合料可以發(fā)現(xiàn)，改性瀝青的低溫抗裂性能更好，其達(dá)到破壞所需的荷載較大。

3.3 凍斷試驗(yàn)

凍斷試驗(yàn)的初始溫度為5℃，隨后以每小時(shí)下降10℃的速度進(jìn)行降溫。試件為200mm×40mm×40mm的棱柱體，采用與劈裂試驗(yàn)中相同的UTM-100試驗(yàn)儀進(jìn)行試驗(yàn)。圖3為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖3 凍斷試驗(yàn)圖片

表4 凍斷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表4可以看出，改性瀝青混合料的低溫破壞溫度比普通瀝青混合料更低，其發(fā)生斷裂所需要的荷載強(qiáng)度更大，說(shuō)明改性瀝青能有效改善瀝青路面的低溫抗裂性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了造成瀝青路面開(kāi)裂的主要原因，并結(jié)合工程實(shí)例對(duì)SBR改性瀝青的低溫抗裂性能開(kāi)展了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：環(huán)境溫度因素是導(dǎo)致瀝青路面開(kāi)裂的主要因素，與基質(zhì)瀝青相比，改性瀝青能有效改善瀝青混合料的低溫抗裂性能，這主要與改性劑有關(guān)。但本文未對(duì)其他改性劑進(jìn)行對(duì)比分析，這將是下一步研究的方向。