高寒地区沥青混合料的弯拉特性试验研究

2017-01-10薛琳

湖南交通科技 2016年4期

关键词：劲度油石模量

薛琳

(河北省高速公路京衡管理处，河北石家庄 052260)

高寒地区沥青混合料的弯拉特性试验研究

薛琳

(河北省高速公路京衡管理处，河北石家庄 052260)

研究了高寒地区沥青混合料的弯拉特性。基于AC-13、AC-16、SMA-16这3种级配，通过弯曲试验研究了不同温度下，不同油石比对沥青混合料弯曲特性的影响。研究表明：沥青混合料弯拉特性与试验温度、油石比和级配直接相关，随着试验温度的增加，沥青混合料的弯拉强度先增大后降低，弯拉应变增大，劲度模量降低，在高寒地区沥青混合料路面面层设计时应充分考虑常年低温的气候条件对沥青混合料实际弯拉特性的影响；在马歇尔试验确定最佳油石比条件下适当提高沥青的用量，采用粒径较大的级配有利于提高沥青混合料的低温抗裂能力。

沥青混合料；高寒地区；弯拉特性；温度；油石比

0 引言

随着西部大开发战略的逐步深化，高原地区高速公路发展迅速。由于高原地区的气候条件比较特殊，公路常年处于强紫外线辐射、低温冻融的恶劣环境中，因此许多路段在远没有达到设计年限时就出现大量裂缝[1-3]。积雪融水通过裂缝渗进路基产生冻融破坏，致使路面出现翻浆、掉粒、坑槽等破坏现象，影响道路的正常使用。为了防止高原地区公路出现早期破坏，研究适用于高寒地区公路工程的沥青混合料是非常有必要的。

目前，沥青混合料路面常用的设计参数是15 ℃下混合料的劈裂抗拉强度或者是15 ℃到20 ℃之间的抗压模量，这些参数主要适用于普通环境条件下的路面设计，对于高原地区则具有较大的局限性[4-6]。在高寒地区，沥青混合料路面主要破坏原因是路面的弯拉强度不足导致的，因此混合料的弯拉特性是高寒地区沥青路面设计首要考虑的设计参数。文章通过弯曲试验，研究了混合料级配、试验温度、油石比这3个因素对沥青混合料弯拉特性的影响，为此类地区沥青路面设计参数的选取提供参考。

1 试验材料与设计

1.1 原材料及性能指标

本试验沥青采用的是在高寒地区常用的SBS改性沥青，主要技术指标如表1所示。

表1 沥青技术指标类别针入度(25℃，100g，5s)/(01mm)软化点/℃延度(5cm/min，5℃)/cm闪点/℃RTFOT后质量损失/%实测值669590>100297038技术标准600～800≥460>100≥2600±08

集料为粒径10～15 mm、5～10 mm及3～5 mm的花岗岩碎石和机制砂，矿料坚硬、清洁、无风化，填料为矿粉。按照《公路工程集料试验规程》测定，集料的各项指标均符合其技术要求。

1.2 矿料级配

试验沥青混合料设计级配包括3种，分别是AC-13 、AC-16 、SMA-16，其级配组成见表2。

1.3 试验方法

通过LHCX-1液压车辙试件成型机制作尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙试件，用水切法切割成30 mm ×35 mm×250 mm的小梁试件，

表2 合成级配级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%19161329547523611806030150075AC-1310010095076553237026519016510260AC-161009528867256084053152101359452SMA-161009568146023061861721051127593

在目标温度下采用万能压力试验机进行加载，试验加载速率为50 mm/min 。数据的采集通过计算机所获得，根据最大压力值计算最大弯拉强度、最大弯拉应变与劲度模量。加载装置及破坏的试件如图1所示。

a) 加载装置 b) 试件破坏后的状态

2 温度影响分析

基于AC-16连续密级配，通过马歇尔试验，确定最佳油石比为5.0%，在此情况下进行弯曲试验，试验温度分别为-25 ℃、-15 ℃、0 ℃、15 ℃、25 ℃共5种，试验结果如图2所示。

图2 温度对沥青混合料弯拉特性的影响

由图2可知，随着温度的升高，沥青混合料的弯拉强度先增大，温度在-15 ℃时取得最大值，而当温度大于-15 ℃时弯拉强度逐渐降低，且降低幅度远大于-15 ℃之前的增加幅度；沥青混合料的弯拉应变与温度正相关，变化趋势大致呈“S”型，-15 ℃是一个拐点，低于此温度时，弯拉应变的变化幅度较小，高于此温度时，弯拉应变迅速增大，到15～25 ℃逐步达到稳定状态；沥青混合料的劲度模量与试验温度负相关，随着温度的升高，劲度模量呈下降趋势，其中在0～-15 ℃区间时变化的速率较大。

沥青混合料中集料受到温度的影响有限，不同温度下集料的力学性质比较稳定，而沥青作为一种粘弹性材料，温度的变化将直接影响着沥青的黏性，而沥青混合料的弯拉特性微观上又主要是受到沥青与集料之间的粘聚力影响。温度升高时，沥青的黏性逐渐减小，沥青的劲度模量逐渐减小，随之沥青混合料的弯拉强度逐渐降低，弯拉应变逐步增大，劲度模量降低。由此可知，在高寒地区沥青混合料路面面层设计时应充分考虑常年低温的气候条件对沥青混合料实际弯拉特性的影响。

3 油石比影响分析

基于AC-16连续密级配，在最佳油石比5.0%上下分别调整0.5%的幅度，形成4.5%、5.0%、5.5%这3种油石比进行低温弯曲对比试验，试验温度按照相关规程要求，选用-10 ℃，沥青采用SBS改性沥青，试验结果如图3所示。

图3 油石比对沥青混合料弯拉特性的影响

由图3可知，沥青混合料弯拉强度随着油石比的变化而变化，当油石比为5.0%时弯拉强度达到最大值12.4 MPa；油石比的增大导致沥青混合料的弯拉应变增大，劲度模量降低，且油石比在4.5%到5.0%之间时，两者变化的趋势比较明显，油石比在5.0%到5.5%之间时沥青混合料的弯拉应变与劲度模量趋于稳定。

沥青混合料的弯拉强度主要与沥青与级配集料之间的粘结力、集料之间的嵌挤作用直接相关，且当混合料内部有自由沥青时，自由沥青的粘聚力也是重要支撑。在-10 ℃的低温条件下，级配固定时，集料的嵌挤作用是不变的，此时沥青的粘结作用是影响沥青混合料弯拉特性的可变因素。当油石比较小时，沥青混合料中沥青比较少，不能对集料进行有效的粘聚，此时其弯拉特性比较差；随着油石比的增大，沥青在集料之间逐渐形成沥青薄膜并对集料进行包裹，混合料内部的粘聚力也逐渐达到最佳状态，宏观上，沥青混合料的弯拉强度与弯拉应变逐渐增大，在超过最佳油石比后，沥青混合料内部沥青含量已经足够与集料进行结合，此时内部出现自由沥青，这些沥青在包裹有沥青的集料之间产生了“推挤”作用，间接上具有一定程度上的润滑作用，导致集料在外部荷载作用下位移增大，粘聚力降低，宏观上沥青混合料的弯拉强度降低，而弯拉应变进一步增大，此时沥青混合料的刚性降低，柔性升高。由上可知，沥青混合料油石比增大至最佳值5.0%时，混合料的弯拉强度增大，弯拉应变也增大，劲度模量降低，此时沥青混合料具有较大的抗裂抗弯能力；但是油石比继续增大时，混合料的弯拉强度降低，弯拉应变增大，此时沥青混合料的抗变形能力继续增加，但是力学特性较差，其抗车辙能力、抗水损害能力可能出现下降，在进行沥青路面设计时应综合考虑。

高寒地区气温常年较低，在进行沥青混合料路面设计时首要考虑的设计参数应是低温抗裂能力，高温条件下的抗车辙能力等为次要考虑因素，所以应在马歇尔试验确定最佳油石比条件下适当提高沥青的用量，有利于进一步改善沥青混合料的低温抗裂能力。

4 级配影响分析

除了温度与沥青用量的因素，沥青混合料的级配也对混合料的弯拉特性具有较大的影响。为了选取合适的级配，考虑最大公称粒径及级配类型对混合料弯拉特性的影响，本试验设计了AC-13、AC-16连续密级配与SMA-16改性沥青玛蹄脂级配3种级配进行对比试验，其中试验温度为-10 ℃，油石比为5.0%，低温弯曲试验的试验结果如表3所示。

由表3可知，公称最大粒径为16 mm的AC-16、SMA-16级配与公称最大粒径为13 mm的AC-13级配相比，其弯拉强度、弯拉应变均明显较大，劲度模量较低，说明前者具有较好的低温弯曲性能；而SMA-16级配与AC-16级配相比，最大弯拉强度与弯拉应变分别提高了约1.6%、5.3%，劲度模量降低了约3.5%。