基于间接拉伸试验模式的不同沥青混合料低温回弹模量研究

2018-10-31熊子佳洪锦祥程金梁

大连交通大学学报 2018年5期

熊子佳,洪锦祥,程金梁

(江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京 211103)*

0 引言

沥青路面低温开裂是寒冷地区道路的主要病害形式，是温度降低和沥青混合料低温脆化产生的材料内部拉应力超过了材料的极限抗拉强度所致[1].裂缝往往是沥青其他病害的开端，沥青路面的早期病害，如松散、坑槽、冲刷和唧泥现象等，都是由于裂缝的存在，路表水或雪水随缝侵入沥青路面中造成的[2].为评价和表征沥青混合料低温力学性能，国内学者进行了多方面的研究.谭忆秋[3]建立了基于BP神经网络的沥青混合料低温性能预测模型，考虑了沥青性质和级配两个方面的影响，模型精度满足要求.冯中良[4]通过BBR试验评价沥青胶结料低温性能，提出蠕变速率限定温度指标与路用性能相关性强.张争奇[5]用低温收缩系数与低温小梁破坏应变综合表征级配对沥青混合料低温性能的影响.但低温条件下沥青混合料的间接拉伸回弹模量的影响因素及其与沥青混合料低温性能的相关性却鲜有报道.间接拉伸回弹模量是用以测量沥青混合料的弹性模量的非线性特征，探究沥青混合料力学性质随温度和应力水平的变化规律[6].间接拉伸试件中心点的应力状态可用来模拟同实际路面沥青层底部的应力状态，即在竖向应力加载条件下产生纵向和横向拉伸应力应变[7].从而推测现场结构层压缩方向和临界拉伸应力之间的关系，为路面结构设计提供分析模型和理论计算依据[8].

本文对高模量路面、透水性路面、半柔性路面这三种典型的路面结构形式对应的三种沥青混合料类型AC- 13、OGFC- 13、SFP，进行低温条件下间接拉伸回弹模量试验，探究应力水平和温度对回弹模量的影响，并与-10℃低温小梁弯曲试验进行对比分析.为道路工程设计与施工中用间接拉伸回弹模量试验评价沥青混合料低温性能时的参数选取提供一定的借鉴意义.

1 试验原料与方法

1.1 原料

所用的基质沥青为SK- 70#石油沥青，性能指标均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求.采用的玄武岩集料和石灰石矿粉，由南京天印市政工程材料有限公司提供.基本指标按JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》进行测试，集料的基本性能均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求.

1.2 混合料类型和试件成型

(1)沥青混合料类型.分别为AC- 13高模量沥青混合料、OGFC- 13高粘沥青混合料、SFP半柔性路面材料.具体参数见表1所示.

表1 沥青混合料相关参数

(2)马歇尔试件成型.按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求用马歇尔击实仪成型试件，试件直径(101.6±0.25)mm，高度(63.5±1.3)mm，双面击实50次.SFP半柔性路面材料先成型基体沥青混合料马歇尔试件，再封边灌浆.在标养室(20℃，湿度95%)中养生48 h后进行测试.

(3)间接拉伸试验.通过加载条对圆柱体试件的轴向施加一定频率的动态荷载，从而可以获得沥青混合料的应力和变形数据，如图1所示.实验用UTM- 30动态伺服液压沥青混合料试验机，

对试件施加Haversine波荷载，载荷脉冲峰值荷载取试件25℃劈裂试验荷载值的0.1～0.5倍.荷载脉冲重复时间(3±0.1)s，荷载脉冲上升时间为(124±4)ms，动态荷载波形示意如图2所示.泊松比均取为0.25，接触应力取20 N，预加载20次.加载条宽度为12.7 mm.水平方向变形由安装在两侧的两个位移传感器LVDT采集[9].双侧位移传感器测定试件垂直于荷载方向的变形，以两个数值的平均值作为最终的变形量.

图1间接拉伸加载示意图图2动态荷载波形示意图

2 试验结果与分析

为探究低温条件下AC- 13高模量沥青混合料、OGFC- 13高粘沥青混合料和SFP半柔性路面材料这三种不同沥青材料在低温条件下的回弹模量影响因素，取25℃劈裂试验荷载应力的0.1、0.2、0.3、0.4、0.5倍作为不同应力水平值，测试了不同温度(-10、0、10℃)条件下三种沥青材料的间接拉伸回弹模量及形变.实验结果见表2.

表2 间接拉伸回弹模量及形变

2.1 应力水平对间接拉伸回弹模量的影响

随着应力水平的增加，三种沥青混合料的回弹模量值均呈现减小的趋势.间接拉伸回弹模量是在预加载20次，待试件应力应变稳定后取最终的5次循环结果平均得到模量均值.按标准偏差s与回弹模量E平均值之比值算得不同应力水平下的回弹模量变异系数，如图3所示.

(a)10℃(b)0℃(c)-10℃

图3 不同应力水平下的回弹模量变异系数

由图3可知，用较大的应力水平作为测试的荷载峰值能更准确地反映间接拉伸回弹模量值.若以变异系数最小值时应力水平为最佳取值，则不同种级配对应不同的最佳应力水平见表3所示， AC- 13应取0.4、OGFC- 13应取0.5，SFP应取0.3.

2.2 温度对间接拉伸回弹模量的影响

沥青混合料具有粘弹性，在常温时接近弹性体，在高温时接近塑性体，而在低温时则偏脆性.因此，沥青混合料的力学性能与温度有较大的相关性.不同混合料在10～-10℃低温条件下的回弹模量值见图4所示.

(a)AC- 13(b)OGFC- 13(c)SFP

图4不同混合料在不同温度下回弹模量值

由图4可知，随着温度降低，沥青混合料的回弹模量值增大.由4(a)可知， AC- 13高模量沥青混合料在0.3～0.5应力水平下，0℃和10℃的回弹模量值相当.温度下降到-10℃，回弹模量增大了11%，说明温度对AC- 13高模量沥青混合料回弹模量的影响较小，其温度敏感性较低.由图4(b)可知，OGFC- 13在温度0℃和-10℃时其模量值相当，值是10℃时的3倍，说明OGFC- 13对温度敏感强，温度小于0℃时，模量值迅速增大.由图4(c)可知，SFP半柔性路面材料表现出与AC- 13类似的规律，其0℃和10℃的回弹模量值相差不大，在最佳应力水平0.3的加载条件下，-10℃时模量是0℃时的1.55倍，其模量值对温度的敏感性居于AC- 13和OGFC- 13之间.

2.3 混合料类型对回弹模量的影响

不同级配的沥青混合料具有不同的体积特性，加之沥青胶体种类、油石比等不同，对沥青混合料的力学特性有较大的影响.本实验中三种混合料变异系数最小时的回弹模量和变形值，如图5所示.

(a)回弹模量

(b)变形值

由图5(a)可知，三种沥青混合料中，回弹模量大小为SFP>AC- 13>OGFC- 13.SFP是由大空隙的沥青混合料基体与水泥基灌浆料组合的半柔性路面材料，由石料的骨架结构、沥青胶浆的凝胶结构、水泥浆料的晶体-胶凝体共同组合，形成三维空间的双重网络结构系，兼具刚性和柔性.因此在低温条件下SFP半柔性路面材料表现出极大的刚性，其回弹模量最大.AC- 13高模量沥青混合料属于连续式密级配，空隙率为4.3%，具有较好低温抗开裂能力，在低温条件下回弹模量低于SFP，由图5(b)可知AC- 13变形量比SFP大，表现出比SFP偏柔性特性.OGFC- 13沥青混合料主要是用于排水式沥青磨耗层，具有特殊的体积特性即较大的空隙率，其低温回弹模量不及其他两种沥青混合料类型，由图5(b)可知OGFC- 13的变形在0～10℃区间内随温度增加变形迅速增大，具有较大的温度敏感性.

2.4 低温弯曲小梁试验

沥青混合料低温弯曲小梁试验是破坏性试验，以测试试件最后的抗弯拉强度、极限弯拉应变和弯曲劲度模量来评价沥青混合料的低温抗裂性.通过在两点支撑的小梁中部加载，使得跨中加载点截面上部受压，下部受拉，应力作用方向垂直于截面.沥青混合料小梁的低温抗弯拉强度即小梁跨中截面下缘所能承受的最大拉应力，抗弯拉强度越大越不容易断裂.跨中截面下缘的最大拉应变对应极限弯拉应变值，表征承受最大拉应力时的抗变形能力.试验条件为-10℃，小梁尺寸为250 mm×35 mm×30 mm，低温小梁试验实验结果见表4.

表4 低温小梁试验结果

由表4低温小梁弯曲试验结果可知，SFP的抗弯拉强度和弯曲劲度模量较大，表明SFP结构能承受较大的拉应力，抵抗拉应力破坏的能力较强，但由于SFP中水泥浆体的作用表现出刚性性质，变形性不佳，易脆断.AC- 13高模量沥青混合料则具有较大弯拉应变，OGFC- 13次之，这两者均表现出足够的低温柔性，具有良好的低温抗弯拉应变能力.弯曲劲度模量与回弹模量大小顺序一致，但数值大小不具有较强的相关性.因此表明低温弯曲与低温间接拉伸回弹模量在表征沥青混合料抗拉能力方面具有一致性.