沥青混合料低温抗裂性能评价方法研究

权戈冰

重庆市交通规划勘察设计院

沥青混合料低温抗裂性能评价方法研究

权戈冰

重庆市交通规划勘察设计院

本文对各种沥青混合料低温抗裂性能试验和评价指标作了分析，并进行了比较，基于试验的可靠度和试验难度进行了综合评分。通过室内试验对比了间接拉伸试验和低温弯曲试验两种试验方法，并进行了数据分析，结果表明间接拉伸试验比低温弯曲试验的结果变异系数更小，敏感度更高。

沥青混合料；低温；评价方法

1 前言

近年来，我国公路在取得量的发展同时，质的问题也越来越突出，早期强度、耐久性、车辙和抗裂性等问题一直困扰着我们的工程设计人员。在众多的沥青路面损害形式当中，低温开裂是最为突出的路面破坏形式之一[1]。为了在路面设计时就做好对路面低温开裂的预防，需对材料的低温抗裂性能进行评定，低温抗裂性能试验是必不可少的一步。然而，沥青混合料的低温抗裂性能评价试验很多，各方法评价参数也不同，如何选择更能反应材料工程实际低温抗裂性能的试验及评价参数成为一个重要的问题。因此本文对得到广泛认可的几个试验方法和评价指标进行了总结分析，可为设计人员提供参考。

2 低温开裂因素

沥青混合料低温开裂是其自身因素和外界因素的综合作用结果。

2.1 材料因素

材料因素包括了沥青的低温性能、集料的品质、沥青混合料的均匀性以及沥青与矿料的粘结强度。沥青的针入度越大，延度越大，低温劲度越小，低温流变指数越小，沥青的低温性能往往越好。集料的吸水率对沥青和集料之间的粘附性有影响，吸水率越低，粘附性越强，抗裂性能更好[2]。

2.2 外界因素

除了材料本身，温度变化过大、气温下降过快、交通量过大、超载严重、路面设计考虑不全和施工方式不当等是引起路面低温开裂的外部因素[3]。

沥青面层在路面的最表面，直接受到气温变化的影响。当气温下降时，沥青面层的收缩变形将受到路面基层的限制，导致在沥青面层内部出现拉应力。在一般情况下，沥青混合料本身具有的应力松弛性能能够消解温度应力，但是当气温下降过快时，拉应力的产生速度过快，材料本身的应力松弛模量增大，导致混合料的内部应力累积。除了面层受温度应力以外，基层也会因为温度应力而开裂，从而使沥青面层底部开始出现拉应力，当应力超过抗拉强度后，面层会从下往上开裂来释放应力，形成反射裂缝。

3 试验方法及评价指标分析

3.1 间接拉伸试验

间接拉伸试验又称低温劈裂试验，采用马歇尔试件，在一定的变形速率下，对试件的轴向进行压缩加载，通过LVDT得到垂直和水平变形量，从而获得劈裂强度和变形数据。Anderson等人建议加载速率1.5mm/min比较合适，在我国的试验规程[4]当中采用1mm/min作为推荐加载速率，试验温度为-10℃。实际研究中可以根据需要调整试验温度和加载速率。

3.2 低温弯曲试验

我国试验规程中采用轮碾法成型的试件切割成尺寸为250mm×30mm×35mm的小梁以50mm/min中点加载，试验时小梁跨径为200mm，试验温度与间接拉伸试验一致。国外也有采用82.55mm×82.55mm×381mm的梁进行三点加载来试。该试验的评价指标为弯拉强度、最大弯拉应变及劲度模量。

但是在实际的试验中发现[5]，弯拉强度的变化规律往往会和弯拉应变产生冲突，因此有研究建议采用弯曲应变能作为评价指标，它兼顾了弯拉强度和弯拉应变，同时弯拉应变比弯拉强度更能表征低温性能。

3.3 蠕变试验

低温蠕变试验分为直接拉伸蠕变、劈裂拉伸蠕变和弯曲蠕变试验。我国试验规程中采用弯曲蠕变试验评定混合料的低温变形性能，其试件成型方法与弯曲破坏试验一致，试验温度为0℃，要求对小梁中间施加恒定荷载，测定蠕变变形变化情况，用蠕变速率来评价混合料的低温变形性能。

有研究表明[6]蠕变速率越大不代表其低温性能越好，而是应该注意选择合适的加载大小，一般选择0.1δf，但是这会使试验量很大。

3.4 冻断试验(约束试件温度应力试验)

冻断试验来自于SHRP计划。该试验通过模拟实际路面的温度改变和受力情况，获取混合料的低温性能。试验将轮碾法成型后切割的250mm×40mm×40mm小梁两端用粘结剂固定，以0.04kN为初始应力开始降温，降温速率60℃/h，获取应力曲线、冻断温度、冻断强度和转折点温度。

实践表明[7]，同一组冻断试验采用不同的评价指标会得到不同的评价结果，因此冻断试验评价指标的选择很关键。冻断应力和斜率与沥青混合料的实际低温抗裂性能差距过大，而冻断温度指标能较好表现实际性能。

3.5 收缩试验

采用经轮碾法成型后切割的250mm×20mm×20mm小梁，于水槽中以5℃/h速率降温，获取试件变形与试件长度的比值为收缩系数，用其考量路面的低温抗裂性能。

有研究指出[8]单凭收缩性难以评价沥青混合料的低温抗裂性能，还需考虑低温柔性。

3.6 应力松弛试验

应力松弛试验通过小梁下部受拉建立弯曲应力松弛模型，试件尺寸250mm×25mm×30mm，跨径200m，中点以50mm/min速率加载，至预定应变水平时保持恒定，以松弛时间和松弛模量为评价指标。

3.7 直接拉伸试验

直接拉伸试验采用小梁试件或“八字形”试件，根据需要选择试验温度和加载速率。直接拉伸试验评价指标主要有：拉伸强度、应变及模量。

3.8 三点弯曲J积分试验

该试验也是美国SHRP计划中提出的试验方法，对250mm×40mm×40mm试件进行切口来模拟路面当中的应力集中现象，加载速率0.5mm/min，最终通过J-积分的临界值评价沥青混合料低温抗裂性能，其刻槽深度和裂缝开裂率难以控制，试验难以实现。

4 方法比较

由以上分析可得出，对于沥青混合料的低温抗裂试验方法较多，试验原理和试验参数等各有不同。从反映实际沥青路面低温抗裂能力的角度而言，冻断试验直接模拟了实际路面的温度改变和受力情况，获得的温度—温度应力关系最能全面真实反映沥青混合料低温开裂性能。其他试验得到的应变、强度和模量等指标都是间接指标，无法直接用于预测温度收缩裂缝的力学模型，更无法直接表征沥青混合料的实际低温性能。

从试验的难易程度来说，三点弯曲J积分试验由于难以控制刻槽深度和开裂率不便操作，应力松弛试验虽然可用来评价混合料的低温松弛特性，但是试验仪器要求严格，试验量也较大，不便于推广。冻断试验弯曲蠕变试验的工作量也比较大，且采用常应力水平的适用性较低。而间接拉伸试验和低温弯曲试验作为我国试验规程当中选用的方法，试验仪器大众化，试验可操作性强。本文对各种方法进行的综合比较结果见表1。

表1 评价方法对比

80 80拉伸强度、应变及模量一般直接拉伸试验三点弯曲J积分试验一般J-积分临界值高难

5 具体试验对比分析

为了对我国最为常用的间接拉伸试验和低温弯曲试验进行方法比较，从而指导设计人员在进行沥青混合料低温性能评价方面作出合理的选择，本文对同等沥青混合料进行了低温劈裂试验和低温弯曲试验，试验统一温度-10℃，按照试验规程试验。采用中海AH-70#基质沥青，石灰岩集料，AC-13型级配，通过马歇尔试验确定最佳油石比4.8%。试验结果和变异系数分析分别见表2和表3。

试验结果表明，无论是强度还是应变，低温劈裂试验的变异系数皆小于低温弯曲试验，即在-10℃条件下，低温劈裂试验比低温弯曲实验的数据可靠度更高，这可能是因为梁式试件制作相对困难造成的。同时研究发现劈裂试验的数据敏感性更强，结果更有说服力。然而，试验结果可靠度高和敏感性强不代表低温劈裂试验就更能表征混合料的实际路面低温抗裂性能，其相关性还有待进一步讨论。

表2 低温试验结果

表3 低温试验变异系数对比分析

6 建议和展望

（1）冻断试验能模拟现场情况，其数据可靠性更高，试验过程也并不困难，因此建议在有条件的情况下尽量采用。

（2）我国规范[9]中对低温弯曲试验的弯拉应变作了要求，但是多项研究指出弯曲应变能更能描述低温性能，因此建议将弯曲应变能作为主要考量因素。

（3）沥青路面的开裂与气温的循环变化密切相关，而试验规程中对低温劈裂试验只要求在试验温度恒温水槽中放1.5h，使试件内外温度达到试验温度后即可试验，未考虑温度循环影响。因此建议：将试件置于试验温度水槽2h,然后取出置于室温2h，再放入试验温度水槽2h，之后进行试验。低温弯曲试验可同法处置。

7 结论

目前沥青混合料低温试验方法很多，但是各方法都有其优缺点，评价指标的可靠性也有待研究，特别的对于通过室内试验模拟实际路面情况的考虑仍欠缺。低温劈裂试验比低温弯曲试验的数据可靠度和敏感性更高，但试验与材料的实际路面低温性能相关性尚需讨论。因此对于混合料低温抗裂性的评价方法及指标需再作研究，建议在条件允许的情况下优先选用冻断试验。总之，在进行混合料低温性能评价时，尽量选用多种方法比较，进行综合评价。

[1]周和胜,郭静.沥青混合料低温性能影响因素分析[J].城市道桥与防洪,2010(6):109～112．

[2]齐琳.采用间接拉伸试验评价沥青混合料低温性能研究[D].西安：长安大学硕士学位论文,2006．

[3]李明.沥青混合料低温性能试验分析[D].黑龙江：东北林业大学,2006．

[4]JTG E20－2011.公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S]．

[5]葛折圣,黄晓明.用弯曲应变能方法评价沥青混合料的低温抗裂性能[J]．东南大学学报(自然科学版)，2002(4):653～655．

[6]郝培文等.沥青混合料低温抗裂性能评价指标[J].西安公路交通大学学报,2000(3):1～4．

[7]谭忆秋,张磊等.基于约束试件温度应力试验评价几种沥青混合料的低温性能[J].公路,2010(1):171～174．

[8]张争奇等.矿料级配对沥青混合料低温性能的影响[J].长安大学学报(自然科学版),2005(2):1～5．

[9]JTG D50－2006.公路沥青路面设计规范[S]．

Evaluation Method Research on Asphalt Mixture Anticracking Performance at Low Temperature

Quan Ge-bing
CHONG COMMUNICATIONS PLANNING SURVEY&DESIGN INSTITUTE，Chongqing 400074

In this paper,all kinds of asphalt mixture at low tem⁃perature crack resistance test and evaluation index were analyzed,and on the basis of the comparison,based on the difficulty of test re⁃liability and test scores synthetically.Through indoor experiment compared the indirect tensile test and low temperature bending test two test methods,and data analysis,the results show that the indi⁃rect tensile test the variation coefficient less than low temperature bending test result,higher sensitivity.

asphalt mixture；low temperature；evaluation method

权戈冰（出生年份：1976），性别：男，民族：汉，籍贯：湖南常德。职务/职称:高级工程师，学历：研究生，单位：重庆市交通规划勘察设计院，单位省市：重庆市，邮编：401121，研究方向：道桥。