半圆弯拉试验评价沥青混合料低温性能指标选取

2020-09-27

石油沥青 2020年4期

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）

在寒冷地区，低温开裂是沥青路面的重要破坏形式之一。经典低温开裂理论认为：当材料由低温收缩引起的应力大于其强度时将发生断裂。由于沥青路面由沥青和集料两部分组成，集料的温缩系数远小于沥青，因此普遍认为沥青混合料的低温性能80%是由沥青的低温性能决定的。低温弯曲流变仪试验（BBR）是用来评价沥青低温性能的主流方法[1-3]，董文龙[1]等采用低温小梁弯曲试验，同时结合Burgers 模型对不同老化状态下的SBS 改性沥青进行低温性能分析，验证了PG 低温分级和粘弹性指标间的相适应性；詹小丽[4]等运用灰色关联理论建立BBR试验得到的沥青低温性能指标与沥青混合料低温性能的关联性，对结果分析后发现SHRP 低温分级与沥青沥青混合料低温性能的关联度较好。至于沥青混合料的低温评价方法，SHRP 推荐采用间接拉伸试验（IDT）和冻断试验（TSRST），两种试验均采用无切缝试件。近年来，考虑到裂缝的扩展机理，使用有切缝试件的半圆弯拉试验（SCB）受到了广泛的关注。Hamid[5]认为通过SCB 试验结果计算得到的断裂韧性（Fracture Toughness）KIC指标是反映沥青路面裂缝扩展及最终破坏的最重要的参数；Mehdi[6]等人计算切缝试件断裂能Gf（Fracture Energy）,来探讨不同比例五种改性沥青的混合料低温性能。实际上SCB 试验除了用线弹性力学的断裂能Gf和临界应力强度因子KIC来描述混合料的低温性能外，还可以用粘弹性力学中的J积分的概念，Louay N Mohammad[7]利用Jc指标对路易斯安纳州九个再生项目的室内混合料进行SCB 试验，结果表明Jc值与现场的路面的开裂率有很好的相关性。

虽然通过SCB 试验结果计算得到的断裂韧性、断裂能、J积分三个指标均可用来评价沥青混合料的低温性能，但是目前对于这三个指标的优劣对比研究较少。因此本文以BBR 试验结果为基础，计算埃索70 号、SBS 改性、TB 改性、PPA 改性等多种沥青的低温连续分级，并以此来评价多种沥青的低温性能。再依据混合料试件低温SCB 试验结果，分别计算断裂韧性、断裂能Gf、J积分三个指标，最后分别将三个指标与对应沥青的连续低温分级进行皮尔逊相关性分析，选取出最适合评价沥青混合料低温性能的指标。

1 试验

1.1 沥青及制备工艺

基质沥青统一采用埃索70 号沥青；线形SBS 选用岳阳巴陵石化有限公司的SBS1301-1（YH-791H），星形SBS 选用独山子石化分公司SBST161-B。SBS 改性剂主要技术指标见表1。

线形SBS 改性沥青的加工工艺为在185 ℃下搅拌2 h 后加入硫磺稳定剂，总计搅拌3 h，星形SBS 改性沥青的加工工艺为在185 ℃下搅拌高速剪切0.5 h，再普通搅拌2 h 后加入稳定剂，总计搅拌3 h。TB（Teminal Blend）沥青，即溶解性胶粉改性沥青，是一种发源于美国的新型改性沥青，其中加入了高剂量较细废旧橡胶粉，在高温高压环境下，在沥青中经过充分的脱硫反应，形成一种全新的、存储稳定性优异的沥青胶结料。在国外称为 “Teminal Blend”胶粉改性沥青，鉴于该类胶粉沥青在三氯乙烯中的溶解度可以达到99%以上，故也称为“溶解性胶粉改性沥青”。TB 沥青制备相对复杂，本文直接采用厂拌TB 沥青。

表1 SBS 改性剂主要技术指标

选用质量分数为115%的多聚磷酸（PPA）参与改性，其技术指标如表2所示。

1.2 石料及级配

本文混合料粗石料选择玄武岩，细石料选择石灰岩，采用AC-13C 级配。

表2 PPA 技术指标

1.3 试验及分析方法

1.3.1 BBR 试验

本文通过低温弯曲流变仪试验（Bending Beam Rheometer，BBR）结果计算连续低温分级来评价多种沥青的低温性能，试验按照ASTMD 6648 进行。为了更加符合工程实际应用，在进行BBR 试验前，对所有沥青样品均按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T 0630—2011 方法进行了压力老化处理。连续低温分级根据规范[8]公式计算得到。

1.3.2 半圆弯曲试验（SCB）及三大指标计算

（1）SCB 试验

本文采用预先切缝的SCB 试件进行混合料试验，单一试件成型通过旋转压实（SGC）完成，试件直径为150 mm、高为110 mm。将成型后的试件切除上下顶面后（保证试件均匀），使用数控机床截取中部两个厚度为25 mm 的圆盘，并对中切开及在跨中进行切缝，具体成型过程见图1。

图1 SCB 试件成型过程

缝深分别设置为0.5 inch、1.0 inch、1.5 inch，试验温度为-18 ℃，平行试件3 组。加载速率为0.5 mm/min，跨径定位120 mm。加载前将试件放进-18 ℃的冰箱进行保温，试验开始时取出并放置于加载装置上进行加载，UTM 将同步记录力-位移的变化曲线。

（2）断裂韧性指标计算

许多学者都通过SCB 试验结果计算断裂韧性来衡量沥青混合料的低温抗裂性能[9-11]。对于第一类裂缝，ISRM 推荐采用（1）来计算断裂韧性：

式中：s—半跨径长度，m；

r—半圆试件的半径，m；

a—预开缝的深度，m；

t—半圆试件的厚度，m；

根据Lim[12]的计算结果，当时，可按下式计算：

通常KIC越大，说明沥青混合料的低温抗裂性能越好，越不容易发生低温开裂。（3）断裂能指标计算

根据RILEM TC 50-FMC 推荐[13]，取用断裂能指标Gf对沥青混合料性能进行评价:

断裂能指标表示从裂缝出现到裂缝贯穿整个事件过程中，压力需要做功的总和，因此，断裂能指标越大，沥青混合料抵抗低温开裂的能力越强。本文的断裂能指标直接由UTM试验结果得到。（4）积分计算

在弹塑性分析中，积分被广泛的用来评价粘弹性材料的抗裂性能。计算同一种材料在若干不同深度切缝下的SCB 试验的断裂能密度，并依据公式（4）计算临界J积分—Jc（Critical Strain Energy Release Rate）:

图2为ESSO70 号沥青的计算过程，单位厚度应变能密度与切缝深度线性拟合得到的斜率的绝对值即为所求的值，图2中计算得到ESSO70 号沥青的为0.9764。

图2 ESSO70 号基质沥青J 积分计算过程

2 试验结果分析

2.1 BBR 试验结果分析

通过连续低温分级来更为精准地反应不同沥青的低温性能。依据SHRP 公式计算不同种类沥青的低温分级如图3所示。

图3中BA 表示基质沥青，3 L、4.5 L、6 L表示线性SBS 掺量为3.0%、4.5%、6.0%的改性沥青，3R、4.5R、6R 表示星形SBS 掺量为3.0%、4.5%、6.0% 的改性沥青，5TB、10TB、15TB、20TB 表示TB 掺量为5%、10%、15%、20%的改性沥青，0.4P、0.8P、1.6P、2.0P 表示PPA 掺量为0.4%、0.8%、1.6%、2.0%的改性沥青。从图中可以看出，基质沥青改性后低温分级都低于原基质沥青。其中TB 改性对于基质沥青的低温性能提升最为明显。至于工程上最为常用的SBS 类改性，在SBS 含量为3%时，线形SBS 改性沥青的低温性能劣于星形SBS。而当SBS 含量上升到4.5 及6%时，线形SBS 改性沥青和星形SBS 改性沥青的低温性能基本一致。考虑到工程中常用SBS 改性沥青的SBS 含量一般为3%～5%，因此在对沥青低温性能有较高要求的情况下，推荐使用星形SBS 改性沥青。适量PPA 的加入有利于改善沥青的低温性能，但是当PPA 的掺量较高时，改性提升低温性能的效果变得不明显起来。这可能是因为过多的PPA 与与沥青中介电常数较大的官能团发生作用，导致沥青从“溶-凝胶型”变为“凝胶型”，从而变硬变脆，低温性能变差。

图3 不同种类沥青的低温分级

2.2 半圆弯拉试验结果

依据公式（1）、（3）、（4）计算断裂韧性KIC、断裂能Gf、J积分Jc结果如图4、5、6 所示。

从图4、图5的数据可以看出，断裂韧性的大小与切缝深度没有明显的相关性，而断裂能的大小与切缝深度有较强的相关性，一般来说，切缝深度越深，断裂能越小。这是因为切缝越深，拉裂试件所需要做的功越少。

设置0.5 inch、1.0 inch、1.5 inch 三个不同切缝深度主要是为了计算J积分值，至于通过断裂韧性和断裂能的大小比较来评价沥青混合料的低温性能，本文选取裂缝深度1.0 inch作为评价标准。如上文所述，断裂韧性KIC、断裂能Gf、Jc值越大，沥青混合料低温抗裂性能越好。因为三种指标的量级不一样，为方便比较三种指标的评价结果，把三种指标各自最大的指标值取为1，然后进行归一化处理，并以百分数的形式表示出来。结果如图7所示。

从图7可以看出：无论是采用KIC指标、Gf指标还是J积分指标，改性沥青混合料的低温性能普遍优于基质沥青，并且随着掺量的增加，低温性能有提高的趋势。但是通过三种指标对沥青混合料低温性能排序时，仍然存在不一致性，采用不同的评价指标对评价结果有较大的影响，因此选用合理的评价指标十分重要。

图4 断裂韧性计算结果

图5 断裂能计算结果

图6 J 积分计算结果

图7 归一化后不同沥青混合料三种SCB 指标结果

2.3 低温连续分级与三个指标的皮尔逊相关性分析

将通过BBR 试验测得的14 种沥青的连续低温分级与其对应的沥青混合料三大指标进行双尾皮尔逊相关性分析，来找出SCB 三大指标中最适合用来评价沥青混合料低温性能的指标，结果如表3所示。

表3 SCB 三大指标与低温连续分级相关性分析结果

一般来说，皮尔逊系数的绝对值在0.6 ～0.8之间、显著性值小于0.05，说明两变量之间是强相关。如表3中所示，断裂韧性KIC与低温连续分级相关性很小，显著性也远大于0.05，说明，通过SCB 试验结果计算得到的KIC指标并不适合用来直接评价沥青混合料的低温性能。断裂能Gf、Jc与低温连续分级的皮尔逊相关性系数均在0.6 ～0.8 之间并且显著性均小于0.05，说明断裂能、J积分均与与低温连续分级强相关，其中断裂能指标与低温连续分级的相关性最强，因此是三个指标中最适合用来评价沥青混合料低温性能的指标。