沥青混合料低温性能评价指标研究

2013-06-11刘坤

交通运输研究 2013年11期

刘坤

（中交通力建设股份有限公司，陕西西安 710075）

现在国内外对于沥青混合料低温抗裂性能的试验研究方法主要有[1]：等应变加载的破坏试验（间接拉伸试验、弯曲、压缩试验）、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲J积分试验、C*积分试验、收缩系数试验、应力松弛试验等。其中应用较为广泛的是弯曲试验和劈裂试验。本文采用低温弯曲试验和劈裂试验对所选级配的混合料的低温性能进行研究，检验两个试验是否具有相关性，并提出适合我国的沥青面层低温抗裂性能评价方法和指标。

1 原材料性质

本文的试验研究采用克拉玛依沥青，两种级配：A—13、S—12.5，两种试验温度：0℃、－10℃，分别测定沥青混合料在低温弯曲试验和劈裂试验方法下其各项力学参数的变化规律。

试件采用的级配数据见表1－1。

表1-1 矿料级配

2 沥青混合料低温弯曲试验过程与结果分析

低温弯曲试验一般采用小梁试件，通过对其施加一定的荷载，使小梁发生弯曲，产生弯拉应变和弯拉应力，一般通过计算得到的弯拉应变来评价沥青混合料小梁的低温变形能力。本文采用小梁低温弯曲破坏试验，对不同级配沥青混合料进行试验。

2.1 0℃下的沥青混合料低温弯曲试验结果分析

0℃下的沥青混合料低温弯曲试验结果见图2－1～图2－3。

图2-1 0℃弯曲试验中试件的抗弯拉强度

图2-2 0℃弯曲试验中试件的最大弯拉应变

图2-3 0℃弯曲试验中试件的弯拉劲度模量

对于沥青混合料的弯拉强度，从图2－1可以看出，A—13的弯拉强度随油石比的增加呈线形上升趋势，上升幅度较缓；由S—12.5的弯拉强度趋势线来看，其数值随油石比的增大也呈上升趋势，只是在个别油石比下有波动现象，这可能与试验的误差有关。在油石比为4.3%、5.0%和5.6%时，两个级配沥青混合料的弯拉强度排序为A—13＞S—12.5，在油石比为4.6%和5.3%时，两者排序为S—12.5＞A—13。因此，总的来讲，A—13表现出稍高的抗弯拉强度。

对于沥青混合料的弯拉应变，从图2－2可以看出，A—13的弯拉应变随油石比的增加呈线形上升趋势，上升幅度较缓；由S—12.5的弯拉应变趋势线来看，除了在油石比为5.0%时出现突变（出现这种现象可能与试验条件的控制不严有关），其数值猛然下降外，在其余油石比下，其弯拉应变都是随油石比的增大呈上升趋势。总的来说，两种级配的沥青混合料其弯拉应变大小排序为S—12.5＞A—13。

弯拉模量是弯拉强度与弯拉应变的比值，一定程度反映了混合料整体的柔性，一般来说，其值越小表明混合料柔性越好。从图2－3可以知道，在油石比为5.0%时，两种级配沥青混合料的弯拉模量数值接近，在其余油石比下，随着油石比的增大，弯拉模量变化趋势均很缓，几乎呈水平线，其弯拉模量排序为A—13＞S—12.5。

2.2 －10℃下的沥青混合料低温弯曲试验结果分析

－10℃下的沥青混合料低温弯曲试验结果见图2－4～图2－6。

图2-4 -10℃弯曲试验中试件的抗弯拉强度

图2-5 -10℃弯曲试验中试件的弯拉应变

图2-6 -10℃弯曲试验中试件的弯拉劲度模量

对于沥青混合料的弯拉强度，从图2－4可以看出，在油石比为5.0%时，两种级配沥青混合料的弯拉强度数值基本相同；除了在油石比为5.0%时外，在其余油石比时，两者的排序均为A—13＞S—12.5；从变化趋势上看，A—13在油石比为5.0%时弯拉强度有小幅下降，之后又增大，在油石比为5.3%时达到最大值，然后一直下降，而S—12.5的弯拉强度值随油石比的增加一直在增大，当油石比为5.3%时达到最大，之后一直下降。因此，在不同的油石比下，两种级配的变化趋势基本一致。总的来讲，A—13表现出稍高的抗弯拉强度。

对于沥青混合料的弯拉应变，从图2-5可以看出，A—13和S—12.5除了在油石比为4.3%时测得的弯拉应变数据相近外，都是随着油石比的增加表现出相同的变化趋势。在相同的油石比下，两种级配沥青混合料的弯拉应变大小排序为A—13＞S—12.5。

从图2－6可以知道，当油石比为4.3%时，两个级配的弯拉模量排序为A—13＞S—12.5，当油石比为5.6%时，两个级配的弯拉模量数值相近。除了以上两种情况，在其余油石比时，两个级配的弯拉模量均随油石比的增加呈基本相似的变化趋势，且S—12.5＞A—13。弯拉模量值在油石比为4.3%～4.6%的范围内有交叉现象。

3 沥青混合料劈裂试验过程与结果分析

劈裂试验，是通过加载条加静载于圆柱形试件的轴向，试件按一定的变形速率加载，施加的压缩荷载与垂直、水平变形通过LVDT得到，从而可获得沥青混合料的劈裂强度和变形数据。劈裂试验的评价指标主要有：劈裂强度、破坏变形及劲度模量。本文对不同级配的沥青混合料进行劈裂试验，加载速率为5mm／min，试验结果见图3－1～图3－6。

3.1 0℃下的沥青混合料劈裂试验结果分析

0℃下的沥青混合料劈裂试验结果见图3－1～图3－3。

图3-1 0℃劈裂试验中试件的劈裂强度

图3-2 0℃劈裂试验中试件的破坏应变

图3-3 0℃劈裂试验中试件的劲度模量

对于沥青混合料的劈裂强度，从图3－1可以看出，两个级配混合料的变化趋势是大致相似的，均随油石比的增加呈上升趋势，其中A—13表现出较高的抗劈裂强度。

对于沥青混合料的破坏应变，从图3-2可以看出，在油石比为5.0%时，S—12.5的破坏应变有所减小，并且A—13和S—12.5在油石比为5.0%时测得的破坏应变数据相近，在其余油石比下，这两个级配都是随着油石比的增加表现出较为相同的变化趋势。在相同的油石比下，两种级配的混合料其破坏应变排序为S—12.5＞A—13。

对于劲度模量的变化，从图3-3可以知道，两个级配混合料的劲度模量随油石比的增加，其变化趋势基本相似，且A—13＞S—12.5。

3.2 －10℃下的沥青混合料劈裂试验结果分析

－10℃下的沥青混合料劈裂试验结果见图3－4～图3－6。

图3-4 -10℃劈裂试验中试件的劈裂强度

图3-5 -10℃劈裂试验中试件的破坏应变

图3-6 -10℃劈裂试验中试件的劲度模量

对于沥青混合料的劈裂强度，从图3－4可以看出，总体上S—12.5的劈裂强度随油石比的增加呈上升趋势，只是在油石比为5.3%时有略微的降低，随后又呈上升趋势，不过上升趋势变缓；A—13的劈裂强度随着油石比的增大呈上升趋势，但趋势很缓。总的来讲，S—12.5表现出较高的抗劈裂强度。

对于沥青混合料的破坏应变，从图3－5可以看出，A—13和S—12.5除了在油石比为5.6%时测得的破坏应变数据相近外，在其余油石比下，两者的破坏应变都是随着油石比的增加表现出相同的变化趋势。在相同的油石比下，两种级配的混合料其破坏应变排序为A—13＞S—12.5。

对于劲度模量的变化，从图3－6可以知道，随着油石比的增加，两个级配沥青混合料的劲度模量变化趋势基本相似（变化趋势线的走向几乎完全一致），且S—12.5＞A—13。

4 试验结果数据离散程度与变化范围分析

4.1 试验结果数据离散程度分析

通过沥青混合料的弯曲试验和劈裂试验得到三类指标——弯拉强度和劈裂强度、弯拉应变和破坏应变、弯拉模量和劲度模量，目前一般重点考察弯拉应变，因为它在很大程度上反映了混合料的真实变形能力。从以上的分析可以知道，随着沥青含量的变化，应变的变化并不明显，与理论上的“增大沥青含量，则沥青混合料的柔性增加、变形能力增强”的结论并不完全一致。为了深入地分析试验结果，从试验数据离散程度的角度对数据进行了比较。数据离散程度一般用变异系数来衡量，变异系数按下式计算：

式中：σ——样本均方差；

n——重复（平行）试验的次数；

xi——每次试验的结果。

变异系数的大小反映了试验数据的离散程度。变异系数越小表明平行试验的数据结果相差越小，数据越可靠；反之，则表示重复试验的数据相差比较大，数据的离散性大，数据的可靠性也差。为了集中反映两类试验数据的离散程度，计算其变异系数，将这些计算结果汇总为表4－1。

从表4－1中的数据可以看出，对于弯曲试验，变异系数都较大，最大的超过22%，一般也都在15%左右；而对于劈裂试验，最大的只为15.8%，一般都在10%左右。劈裂试验的数据离散程度较弯曲试验数据的离散程度小得多。依据数理统计知识，数据的离散性越小（变异系数越小），在二元方差分析中的误差就会越小，产生错误推断的可能性也就越小，结论也就越可靠；反之，产生错误推断的可能性就越大，结论也就越不可靠。因此，根据劈裂试验数据更容易总结出规律，实际上，它确实表现出了良好的规律性。

表4-1 两类试验数据变异系数汇总表

通过分析可知，部分弯曲数据的变化偏离整体数据的大趋势呈现突变状。分析产生这种现象的原因，一方面是试验操作和试验条件的控制上不够严格，另一方面是试件成型过程中沥青混合料的拌和不均匀，压实成板后再将其切割成试验所需的试件尺寸，这种二次成型的方式势必会影响试验的准确性和试验结果。弯曲破坏试验所用的小梁高度为30mm，本次试验用的集料最大粒径为13mm，在试验中采用中间点加载的过程中，小梁梁底承受拉力，如果正好有大粒径的集料颗粒位于中间位置，小梁的破坏面会沿着这些颗粒的破碎面展开，这样测得的试验数据就会存在极大的误差。由此看来，就评价沥青混合料的低温性能而言，小梁弯曲破坏试验没有劈裂试验的稳定性好。

4.2 试验结果变化范围分析

本文选用了5种油石比进行试验研究，取油石比为4.3%和5.0%时的数据（主要研究应变的数据变化），比较油石比为5.0%时的数据相对于油石比为4.3%时的数据的变化幅度范围，结果如表4－2所示。

表4-2 沥青混合料弯曲试验和劈裂试验结果比较表

从表4－2中可以明显地看出，在沥青含量做相同的变化时，两种试验的结果范围显著不同，劈裂试验的破坏应变指标对沥青和混合料级配的敏感程度高于弯曲试验的弯拉应变指标。因此，从这个角度上讲，劈裂试验对研究不同沥青结合料、不同沥青含量和不同的矿料级配对混合料低温抗裂性能的影响更加有利。

综合上面两个试验的结果可知，低温弯曲试验和劈裂试验得到的结果基本一致，即油石比对试验结果的影响是显著的，而级配对结果的影响较油石比而言稍弱，由应变和劲度模量的试验数据可以看出，A—13沥青混合料的低温抗裂性能要优于S—12.5沥青混合料。两个试验均得出这样的结论，由此可见，这两个试验具有一定的相关性。