基于BBR试验的无缝伸缩缝沥青胶结料低温性能分析

陈 刚

(四川成渝高速公路股份有限公司成仁分公司，四川 成都 610041)

0 前 言

无缝伸缩缝由于其良好的整体性和耐久性，近年来在中小型跨度的桥梁中得到越来越多的应用。实际使用中发现，相较于其他类型的伸缩缝，无缝伸缩缝寿命较低，低温开裂是造成问题的主要原因之一[1]。伸缩缝低温开裂是由于伸缩缝材料在温度骤降时，温度收缩应力来不及松弛而被累积，如果超过材料的抗拉强度就会出现开裂。无缝伸缩缝材料由于沥青含量较高，混合料低温性能与胶结料性能直接相关。改善无缝伸缩缝低温开裂问题，关键是要采用低温抗裂性能好的无缝伸缩缝沥青胶结料。

目前国内规范以及实际工程运用中评价沥青低温性能的主要指标是延度指标[2-3]，然而无缝伸缩缝沥青胶结料属于高粘弹沥青，沥青颗粒相对过大、流动性差、不易制模，在低温延度试验的拉伸过程中样品沥青易出现过早断裂，导致无法准确测得低温抗开裂性能指标。现有工程实践表明弹塑体胶结料在达到现有沥青低温评价指标的情况下，仍不能满足伸缩缝对弹塑体胶结料的路用需求[4]。为减少路用病害，改善无缝伸缩缝开裂状况，需要研究探讨更全面可靠的胶结料低温技术指标。

目前国内外评价改性沥青低温性能指标中，比较多的采用与沥青混合料的路用性能更接近的BBR试验评价方法[5-6]。BBR试验主要用于测试沥青的蠕变性能，而沥青低温开裂主要是由于材料应力松弛能力不足，温度应力超过了材料允许值[7]。

由于应力松弛试验需要瞬时给试件施加有限的应变，试验要求较高，而且无缝伸缩缝沥青胶结料是一种高粘弹沥青，在低温下较硬，应力松弛试验的变形小，松弛时间较长，导致应力松弛试验更困难[8]。考虑到蠕变与松弛是粘弹材料的两种基本力学现象，通过蠕变柔量与松弛弹性模量之间的关系转化，可获得试验材料的松弛性能。松弛弹性模量主曲线特性可以用于评价沥青的低温性能，为工程上选择合适的沥青提供参考。

1 试验介绍和原材料

1.1 试验介绍

BBR低温蠕变试验是通过低温弯曲流变仪自带软件进行加载试验，在一定的温度下以恒定的应力输入持续加载240 s，试验中一般给出沥青在第8.0、15.0、30、60、120 s及240 s等6个点的劲度模量S及蠕变速率m，通过这两个值来评价沥青的低温使用性能。采用计算机数据采集系统自动采集载荷与变形并计算60 s时的蠕变劲度模量S、蠕变速率m，其中蠕变速率m能反映沥青的松弛性能。

由材料力学性能可知，蠕变柔量和松弛弹性模量之间存在以下关系：

(1)

相较于松弛试验，蠕变实验非常容易实现，因此，采用弯曲蠕变试验得到无缝伸缩缝沥青胶结料的蠕变柔量，利用式(1)将蠕变柔量转换为弹性松弛模量。由于直接使用式(1)进行求解需要数据点是连续的，目前的试验手段难以完成。本文采用Hopkins和Hamming方法建立松弛模量E(t)和蠕变柔量D的迭代表达式求解该积分，表达式如式(2)，利用编制的程序即可以获得松弛弹性模量随时间的变化曲线。

(2)

式中，E为应力松弛模量；t为蠕变时间；D为蠕变柔量。

1.2 原材料

本研究选用两种无缝伸缩缝沥青胶结料，分别为国产HN型改性热塑高弹性体胶结料、DY型高弹性体胶结料。根据《桥梁无缝伸缩缝沥青胶结料》(JT/T 1129-2017)要求，沥青胶结料相关基本性能测试结果见表1。试验仪器采用美国CANNON生产的TE BBR弯曲流变仪，考虑沥青实际工作状态，试验采用测试-10℃时的低温应力蠕变状态。

表1 无缝伸缩缝沥青胶结料基础性能

1.3 试验方法

采用BBR测量沥青梁在蠕变载荷作用下的劲度模量，蠕变载荷可以用来模拟温度下降时路面中逐步积聚的应力。对两种样品沥青胶结料进行BBR小梁试验，试验温度为-10 ℃，平行试验2组，数据差异较大时补充试验次数，最终劲度模量S和蠕变速率m值取试验平均值。

2 试验结果

弯曲流变仪研究沥青梁在蠕变荷载下的劲度模量，通过BBR试验获取沥青的蠕变劲度模量S和劲度模量随时间的变化率m。沥青的劲度模量越大，则沥青表现为脆性，易产生开裂破坏；蠕变速率m值越大，则温度下降时材料产生的收缩降低了沥青的劲度模量，从而使得其拉应力减少，降低开裂的可能性。在实际应用，一般取第60 s的劲度模量S与蠕变速率m作为PG性能试验分级的依据。SHRP计划规范限制60 s时的劲度模量不大于300 MPa和m值不小于0.30。

表2为两种无缝伸缩缝沥青胶结料60s时的蠕变劲度模量和蠕变速率。试验结果显示两种材料均满足SHRP计划规范限制要求，其中HN型沥青胶结料60s蠕变劲度模量更低，材料脆性低，低温工作状态下更不易开裂。

表2 样品胶结料低温蠕变测试结果

松弛弹性模量使评价材料应力松弛能力的重要参数，材料足够的应力松弛能力能够使温度应力逐渐衰减，减少低温裂缝的产生。然而松弛试验需要瞬时给试件施加有限的应变并保持不变，试验条件比较困难。考虑到蠕变和松弛的基本力学关系，通过测试如蠕变柔量，根据式(2)将蠕变柔量转换为松弛弹性模量。

由试验结果可知，DY型的脆性程度更大，在低温状态下更易产生开裂破坏。图1是两种样品沥青在-10℃状态下的应力松弛模量的拟合曲线，反映了沥青的松弛性能。HN型的初始应力值为7.30 MPa，240 s后的应力值为4.74 MPa，240 s应力残留率为64.9%；DY型的初始应力值为19.80 MPa，240 s后的应力值为9.34 MPa，240 s应力残留率为47.1%。表明HN型无缝伸缩缝沥青胶结料具有更好的低温松弛性能。

图1 -10℃下样品沥青松弛模量拟合曲线

初始应力松弛模量与240 s应力松弛模量的比值可得到应力残留率，此值反映了沥青在状态下受力后松弛恢复能力，与在实际使用状态下抗开裂能力有直接关系。对比延度指标结合分析。

3 结 论

1)通过BBR试验对两种无缝伸缩缝沥青胶结料的低温性能进行了评价，蠕变结果显示，HN型沥青胶结料60 s蠕变劲度模量更低，材料脆性低，低温工作状态下更不易开裂，HN型沥青胶结料蠕变速率m值更大，低温抗开裂能力更高。低温松弛性能结果显示，HN型无缝伸缩缝沥青胶结料240 s应力残留率更高，表明材料松弛性能更好，低温抗开裂能力更强。试验结果显示，HN型沥青胶结料低温性能优于DY型沥青胶结料。

2)高粘弹沥青由于沥青自身特性不适合采用延度指标评价低温性能。通过采用BBR试验获得材料低温蠕变和应力松弛性能，可以更全面地反映材料在低温条件下的工作状态，且相对于延度指标，试验相对更简单、准确，可考虑用BBR试验获得的试验指标评价无缝伸缩缝沥青胶结料低温性能。

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