基于逐级加载的弯曲蠕变试验分析沥青混合料低温开裂性能

李超，潘科，王岚

(1.内蒙古工业大学土木工程学院，内蒙古呼和浩特，010051；2.内蒙古自治区土木工程结构与力学重点实验室，内蒙古呼和浩特，010051)

在沥青中加入改性剂制备成改性沥青已经广泛运用到道路建设中，常见的改性剂有苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS)、胶粉(CR)、丁苯橡胶(SBR)、乙烯醋酸乙烯脂(EVA)以及通过纳米技术进行嫁接的矿物质[1-6]。裂缝是沥青路面常见的病害，通常采取小梁弯曲、小梁弯曲蠕变以及半圆弯曲等试验方法进行测试，通过最大弯拉应变、蠕变速率、断裂能等指标评价沥青混合料低温抗裂性能，通过数值模拟分析力学性能的变化[7-8]。复合多聚磷酸改性沥青是一种通过掺入多聚磷酸(PPA)和苯乙烯丁二烯嵌段共聚物(SBS)改性剂，改善沥青结合料的综合性能，从而提高沥青路面使用性能的复合材料。复合多聚磷酸改性沥青混合料的高温性能优良[9-15]，学者们研究了复合多聚磷酸改性沥青混合料低温性能[16-20]。曹晓娟等[9]通过半圆弯拉试验(SCB试验)，采用断裂能密度评价复合多聚磷酸改性沥青混合料和SBS 改性沥青混合料低温抗裂性能，发现复合多聚磷酸改性沥青混合料低温抗裂性能较好，并随温度降低，低温抗裂性能提高；曹卫东等[10]利用低温弯曲试验方法，采用破坏劲度模量和破坏应变能评价复合多聚磷酸改性沥青混合料和SBS 改性沥青混合料低温抗裂性能，发现复合多聚磷酸改性沥青混合料低温抗裂性能稍差或两者性能差异不显著；ZEGEYE等[20]采用间接拉伸试验及新开发的断裂测试方法，分析了温度和空隙率对复合多聚磷酸改性沥青混合料低温断裂特性的影响，发现PPA部分替代SBS改性剂制得的复合多聚磷酸改性沥青混合料低温断裂性能与仅采用SBS 改性剂的混合料低温抗裂性能相近。目前，国内外对复合多聚磷酸改性沥青混合料低温性能研究主要集中在路用性能方面，对于复合多聚磷酸改性沥青混合料流变性能的研究相对较少。

本文研究复合多聚磷酸改性沥青混合料低温流变性能，并与SBS 改性沥青混合料进行对比。相对于SCB 试验中试件顶部会产生拱形受压区，小梁弯曲试验中试件的弯曲拉伸受力状态与应力分布状态与路面结构的实际应力状态一致，其试验结果具有更高的可靠性。因此，本文作者通过小梁弯曲试验，采用破坏时弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量等指标评价不同试验温度下2种沥青混合料低温抗裂性能；传统小梁蠕变试验由于施加恒定荷载，单一的加载水平与路面实际不断变化的受力状态不符，为了研究不同荷载水平下沥青混合料的蠕变特性，采用逐级加载的方式进行小梁弯曲蠕变试验。依据蠕变速率、蠕变时间和蠕变破坏应变等流变指标，研究在-20，-10，0 和10 ℃试验温度下，2 种沥青混合料低温流变性。

1 试验部分

1.1 原材料

采用的花岗岩矿料来自宁夏石嘴山，集料规格：12～20，6～12，3～6和0～3 mm。矿物材料还有粒径为0～0.6 mm 的矿粉及消石灰。基质沥青采用盘锦90号沥青，工业级质量分数为116%的多聚磷酸(H6P4O13)，热塑性丁苯橡胶SBS(4303 星型)。复合多聚磷酸改性沥青中，SBS 质量分数为3.0%、PPA 质量分数为1.0%；为比较复合多聚磷酸改性沥青与SBS 改性沥青性能，还制备了质量分数为4%的SBS改性沥青。集料及改性沥青技术性能指标结果分别见表1和表2。

表1 集料密度试验结果Table 1 Test results of aggregate density

表2 复合多聚磷酸改性沥青和SBS改性沥青试验结果Table 2 Test results of composite polyphosphoric acid modified asphalt and SBS modified asphalt

1.2 混合料级配

内蒙古地区冬季气温较低，为了增加路面的低温抗裂性，多采用AC-13 作为面层以保证道路的使用性能，因此，本文采用AC-13 作为混合料试验级配，级配设计的组成结果见表3。

表3 级配的设计组成结果Table 3 Gradation design results

1.3 试验方案

沥青混合料小梁弯曲试验在-20，-10，0 和10 ℃的试验温度下进行单点加载直至破坏试验，加载速率为50 mm/min。沥青混合料小梁弯曲蠕变试验由4个试验温度条件下的弯曲试验，测定得到破坏荷载P并求取平均值，为了研究实际使用沥青路面的蠕变破坏机理以及缩短出现蠕变损伤3阶段的时间，以破坏荷载的10%，30%，50%，70%和90%作为弯曲蠕变试验的荷载逐级施加，每级荷载维持1 h，若本级荷载维持1 h 未出现蠕变破坏，则继续施加第二级荷载，以此类推，直至出现蠕变破坏。沥青混合料毛体积密度为2.359 g/cm3，空隙率为4.25%，试件采用剪切压实仪将混合料制成长×宽×高为45 cm×15 cm×18 cm的大板，再切制成规定尺寸的小梁试件(长×宽×高为25 cm×3 cm×3.5 cm)。实验设备采用UTM-100。

2 小梁弯曲试验结果

对2种沥青混合料进行了不同温度下的小梁弯曲试验，得到沥青混合料破坏时弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量和应变能密度，如图1所示。

由图1可知：在整个温度区域内，复合多聚磷酸改性沥青混合料的抗弯拉强度总体上比SBS 改性沥青混合料的强度高，其中在10 ℃和-20 ℃时更明显。说明在整个温度区域内，复合多聚磷酸改性沥青混合料低温下抵抗破坏的能力比SBS 改性沥青混合料的强。随温度降低，两者最大弯拉应变呈单调下降趋势。在整个温度区域内，复合多聚磷酸改性沥青混合料的最大弯拉应变比SBS改性沥青混合料的大。这说明复合多聚磷酸改性沥青混合料在低温破坏时，产生应变比SBS 改性沥青混合料产生的应变大。随温度降低，弯曲劲度模量呈单调上升趋势，应变能密度整体呈单调下降趋势。在整个温度区域内，复合多聚磷酸改性沥青混合料的弯曲劲度模量比SBS 改性沥青混合料的小，而应变能密度比SBS 改性沥青混合料的高。这说明复合多聚磷酸改性沥青混合料的低温抗裂性能比SBS改性沥青混合料的好。

图1 2种沥青混合料破坏时抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量和应变能密度随温度的变化曲线Fig.1 Curves of anti-bending strength,maximum bending strain,bending stiffness modulus and strain energy density with temperature during failure

沥青混合料弯曲破坏按照能量损耗与能量平衡的机理如下：沥青混合料黏弹性材料在破坏过程中，应力所做的功一部分被作为弹性应变能贮存，一部分伴随流动变形作为热能被消耗，弹性应变能累积到一定程度并超过材料的容许极限时材料将发生断裂，当黏性流动变形具有较高比例时，应力功主要转化成热能。复合多聚磷酸改性沥青混合料低温抗裂性能比SBS 改性沥青混合料的好，这是由于复合多聚磷酸改性沥青混合料低温破坏时，发生弹性应变累积的能量和黏性流动变形作为热能消耗的能量，都比SBS 改性沥青混合料造成的大。

3 小梁弯曲蠕变试验

对2种沥青混合料在不同温度下，采用不同蠕变荷载进行逐级加载方式进行试验，得到蠕变速率。

3.1 10 ℃下逐级加载蠕变试验分析

图2所示为10 ℃时2种沥青混合料小梁以各自破坏荷载的10%作为蠕变荷载的蠕变曲线图，10 ℃复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁破坏荷载的10%为1.132 MPa，SBS 改性沥青混合料小梁破坏荷载的10%为0.991 MPa。由图2可知：在1 h内2种沥青混合料小梁都出现了蠕变损伤3阶段(迁移蠕变、稳定蠕变和加速蠕变)，虽然SBS 改性沥青混合料蠕变破坏时的变形较复合多聚磷酸改性沥青混合料的稍大，但复合多聚磷酸改性沥青混合料从迁移蠕变进入稳定蠕变所需的时间较SBS 改性沥青混合料短，并且蠕变时间也短，在稳定蠕变阶段蠕变速率较SBS 改性沥青混合料的大(复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁蠕变速率为1.3×10-5(s·MPa)-1，SBS 改性沥青混合料小梁的蠕变速率为9.0×10-6(s·MPa)-1，说明复合多聚磷酸混合料的应力松弛能力强，抵抗温度开裂的性能好。

图2 10 ℃时2种沥青混合料小梁蠕变曲线Fig.2 Creep curves of two kinds of asphalt mixture girder at 10 ℃

3.2 0 ℃下逐级加载蠕变试验分析

图3所示为0 ℃时2 种沥青混合料小梁分别以各自破坏荷载10%，30%和50%作为蠕变荷载逐级施加，各级荷载维持时间1 h 的蠕变曲线图，0 ℃复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁破坏荷载的10%，30%和50%分别为0.956，2.868和4.780 MPa，SBS改性沥青混合料小梁破坏荷载的10%，30%和50%分别为0.867，2.601和4.335 MPa。

图3 0 ℃时2种沥青混合料小梁蠕变曲线图Fig.3 Creep curves of two kinds of asphalt mixture girder at 0 ℃

由图3可知：2 种沥青混合料小梁分别以各自破坏荷载10%和30%作为蠕变荷载维持1 h都出现迁移蠕变和稳定蠕变阶段，没有出现加速蠕变阶段，说明蠕变荷载维持时间还不够长。复合多聚磷酸改性沥青混合料从迁移蠕变进入稳定蠕变所需的时间较SBS 改性沥青混合料短，稳定蠕变速率较SBS 改性沥青混合料的都大(复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁蠕变速率分别为4.4×10-7(s·MPa)-1和6.2×10-7(s·MPa)-1，SBS改性沥青混合料小梁的蠕变速率分别为3.4×10-7(s·MPa)-1和4.1×10-7(s·MPa)-1)，说明复合多聚磷酸混合料的应力松弛能力强，抵抗温度开裂的性能好。2种沥青混合料小梁以各自破坏荷载的50%作为蠕变荷载维持1 h内出现了蠕变损伤3阶段，虽然SBS改性沥青混合料蠕变破坏时的变形较复合多聚磷酸改性沥青混合料的稍大，但复合多聚磷酸改性沥青混合料从迁移蠕变进入稳定蠕变所需的时间较SBS 改性沥青混合料短，并且蠕变时间也短，在稳定蠕变阶段蠕变速率较SBS 改性沥青混合料的大(复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁蠕变速率为2.5×10-6(s·MPa)-1，SBS 改性沥青混合料小梁的蠕变速率为1.2×10-6(s·MPa)-1，说明复合多聚磷酸混合料的应力松弛能力强，抵抗温度开裂的性能好。

3.3 -10 ℃下逐级加载蠕变试验分析

图4所示为-10 ℃时2 种沥青混合料小梁分别以各自破坏荷载10%，30%，50%和70%作为蠕变荷载，各级蠕变荷载维持时间为1 h 的蠕变曲线图，-10 ℃时复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁破坏荷载的10%，30%，50%和70%分别为0.959，2.877，4.795 和6.713 MPa，SBS 改性沥青混合料小梁破坏荷载的10%，30%，50%和70%分别为0.929，2.788，4.647 和6.506 MPa。图4(a)～4(c)表现出的特征与图3(a)和图3(b)相同，说明复合多聚磷酸混合料的应力松弛能力强，抵抗温度开裂的性能好。由图4(d)可知：2 种沥青混合料小梁以各自破坏荷载的70%作为蠕变荷载，复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁在1 h 内出现了蠕变损伤3 阶段，而SBS 改性沥青混合料小梁1.5 h 内才出现蠕变损伤3阶段，并且SBS改性沥青混合料蠕变破坏时的变形较复合多聚磷酸改性沥青混合料的大，但复合多聚磷酸改性沥青混合料从迁移蠕变进入稳定蠕变所需的时间较SBS改性沥青混合料的短，并且蠕变时间也短，在稳定蠕变阶段蠕变速率较SBS 改性沥青混合料的大(复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁蠕变速率为8.0×10-8(s·MPa)-1，SBS 改性沥青混合料小梁的蠕变速率为4.7×10-8(s·MPa)-1，说明复合多聚磷酸混合料低温环境下应力能够得到及时释放，避免了应力聚集导致的低温开裂，应力松弛能力强，抵抗温度开裂的性能好。

图4 -10 ℃时2种沥青混合料蠕变曲线图Fig.4 Creep curves of two kinds of asphalt mixture girder at-10 ℃

3.4 -20 ℃下逐级加载蠕变试验分析

图5所示为-20 ℃下2 种沥青混合料小梁分别以各自破坏荷载的10%，30%，50%，70%和90%作为蠕变荷载，各级蠕变荷载维持时间为1 h的蠕变曲线图，-20 ℃时复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁破坏荷载的10%，30%，50%，70%和90%分别 为0.966，2.898，4.830，6.762 和8.694 MPa，SBS 改性沥青混合料小梁破坏荷载的10%，30%，50%，70% 和90% 分别为0.961，2.883，4.805，6.727 和8.649 MPa。由图5可知：2 种沥青混合料小梁分别以各自破坏荷载的10%，30%，50%和70%作为蠕变荷载各维持1 h都能够出现迁移蠕变和稳定蠕变2阶段，没有出现加速蠕变阶段，说明蠕变荷载维持时间还不够长。在每级蠕变荷载下，稳定蠕变阶段2条曲线的斜率几乎平行，从蠕变速率数值上看(复合多聚磷酸改性沥青混合料小梁蠕变速率为1.1×10-8，6.1×10-9，4.5×10-9和4.9×10-9(s·MPa)-1，SBS 改性沥青混合料小梁的蠕变速率为1.0×10-8，5.1×10-9，4.3×10-9和4.6×10-9(s·MPa)-1)，复合多聚磷酸改性沥青混合料稳定蠕变速率较SBS改性沥青混合料的稍大，但复合多聚磷酸改性沥青混合料从迁移蠕变进入稳定蠕变所需的时间较SBS改性沥青混合料的都短，这说明复合多聚磷酸混合料的应力松弛能力强，抵抗温度开裂的性能好。图5(e)表现出的特征与图4(d)相同，说明复合多聚磷酸混合料的应力松弛能力强，低温环境下应力能够得到及时释放，避免了应力聚集导致的低温开裂。

图5 -20 ℃时2种沥青混合料蠕变曲线图Fig.5 Creep curves of two kinds of asphalt mixture girder at-20 ℃

表4所示为2种沥青混合料小梁不同温度和不同蠕变荷载下，蠕变速率的对照表。由表4可知：两者在相同的蠕变荷载下，随温度降低，蠕变速率都在减小，说明在-20～10 ℃随温度降低，两者应力松弛能力都在下降，低温抗裂性能都在变差。两者在相同的温度下，随蠕变荷载增大，蠕变速率并未都出现单调递增或递减的变化规律，在0 ℃时，随蠕变荷载增大，蠕变速率在单调增大；在-10 ℃和-20 ℃时，随蠕变荷载增大，蠕变速率先减小后增大，-10 ℃时拐点出现在破坏荷载的30%P，-20 ℃时拐点出现在破坏荷载的50%P。说明在0 ℃时，蠕变荷载越大，应力松弛得越快；而在-10 ℃和-20 ℃时，随蠕变荷载增大，应力松弛先慢后快。这是由于沥青混合料在不同温度下，虽然荷载增加的比例一样，但黏性成分引起应变增大的比例不一致造成的。

表4 不同温度和不同蠕变荷载下2种沥青混合料蠕变速率对照表Table 4 Comparisons of creep rate of two asphalt mixtures at different temperatures and different creep loads (s·MPa)-1

4 结论

1)采用逐级加载的小梁弯曲蠕变试验结合小梁弯曲试验研究不同荷载水平下复合多聚磷酸改性沥青混合料的低温开裂性能。

2)复合多聚磷酸改性沥青混合料应力松弛性能优良，在低温环境下应力能够得到及时释放，避免了应力聚集导致的低温开裂。

3)复合多聚磷酸改性沥青混合料在不同温度下，随蠕变荷载增加，蠕变速率表现出不同的变化规律：在0 ℃时蠕变速率随蠕变荷载增大而增大，当温度下降时蠕变速率随蠕变荷载增大出现先减小后增大的趋势。