沥青混合料的低温性能评价指标敏感性研究

张智裕

(南阳通途公路勘察设计有限公司,河南 南阳 473000)

沥青路面暴露在大气环境中，长期经受自然环境和车辆荷载的反复作用，使用性能逐渐衰减，致使沥青路面出现各种早期破坏，其中低温开裂是世界上寒冷地区最普遍存在的问题，裂缝一旦产生会诱发次生病害，造成巨大的经济损失。如何表征沥青混合料的开裂是一直存在的问题，有研究表明：沥青的低温性能最终通过沥青混合料的低温使用性能体现，沥青混合料的低温性能主要体现在低温松弛能力。沥青用量和级配是影响沥青混合料低温性能的重要因素，然而采用不同的评价方法可能存在差异。本文通过室内试验，选择AC-13、SMA-13两种级配和不同沥青用量下的沥青混合料，采用低温弯曲试验、低温劈裂试验和冻断试验三种方法和多个指标评价其低温抗裂性能，通过皮尔逊法对两两的评价直接进行相关性分析，得出沥青用量和级配对低温性能指标的敏感程度，这对预防和控制沥青路面开裂具有重要作用。

1 试验材料及方法

1.1 基质沥青

为了评价沥青混合料的低温性能指标的敏感性，选取国内常用的SBS改性沥青进行沥青混合料的制备，基质沥青为SK90，SBS选用YH791，其嵌段比为30/70。单掺制备SBS改性沥青的掺量为5%，其基本技术指标见表1。

表1 SK90和SBS基本物理性能

1.2 集料

集料为当地生产的石灰岩，其技术指标满足相应规范要求。

1.3 级配

考虑研究地域为寒冷地区，而且整个路面上面层受温度影响最为严重，所以将面层的级配公称粒径选择为13.2 mm 和16 mm，根据级配类型选择了悬浮密实型AC-13 和骨架密实型(SMA-13)，各级配通过率采用规范中的中值。

1.4 试验方法与指标

评价沥青混合料的低温性能是采用劈裂试验、低温小梁弯曲试验和冻断试验三种常用试验方法，分析各个指标对沥青用量和级配的敏感性，从而确定能否指导沥青混合料的设计。试验中得到的评价指标分别为破坏拉伸应变、破坏拉伸强度、冻断温度和转化点温度，假设这些指标相联系对沥青用量和级配均敏感，这些评价方法不仅可用于评价沥青混合料的低温性能，还可以作为沥青混合料设计的重要参数，以便推广使用。

2 试验结果分析

2.1 劈裂试验

不同油石比和级配下低温劈裂试验结果见表2所示，采用间接拉伸应变和间接拉伸强度对试验结果进行评价，AC-13和SMA-13两种沥青混合料的间接拉伸强度分别在沥青用量为4.8%和6.3%时达到了峰值，间接拉伸应变在沥青用量分别为5.1%和6.3%。有文献表明：两个指标均出现了峰值，主要是随着沥青用量的增加结合沥青达到饱和后，导致自由沥青增加。对两种混合料进行了统计分析发现，AC-13的F分布在0.05水平下的显著性为2.86，SMA-13为3.24，均大于相应的F分布临界值，则认为该因素影响显著且敏感。而且破坏应变的影响水平高于破坏强度的水平，破坏应变从受力角度也表征了沥青混合料的抗变形能力，可以作为评价沥青混合料低温性能的评价指标。

表2 AC-13和SMA-13低温劈裂试验的测试结果

2.2 小梁弯曲试验

小梁弯曲试验采用的平行试件为5个，试验结果将最大值和最小值剔除后取三个试件的平均值，试验结果见表3所示。对于AC-13沥青混合料，当沥青含量≥4.8%时，满足规范要求；对于SMA-13，当沥青含量≥6.3%时满足规范要求。通过对两种级配不同沥青含量的沥青含量进行单因素方差分析发现，在0.05水平下的F值分别为3.06和3.49，均大于临界值，说明沥青用量对破坏应变这一指标的影响是显著的。

表3 小梁弯曲试验结果

2.3 冻断试验结果分析

冻断试验模拟的是路面降温过程中温度荷载下的力学影响，试验时采用的平行试件数量为3个，有文献显示：不同沥青和不同级配的冻断试验结果与低温小梁弯曲破坏试验相关性较好，通过权重系数法进行分析时，得出同样的结果，而且冻断温度和转化点温度对低温性能的贡献程度不权重系数大小一致。冻断试验结果见表4所示，对于AC悬浮密实型结构沥青混合料，随着沥青用量的增加，冻断温度和转化点温度不同幅度的降低；对于SMA密实骨架型结构，随着沥青含量的增加，冻断温度和转化点温度均降低，但是降低幅度均小于悬浮密实型结构。归结原因可能是，SMA的骨架密实结构、纤维稳定剂的作用，沥青用量增加时沥青胶浆对其造成干涉，减弱骨架效应，但骨架结构可以显著降低材料收缩而提高了冻断温度和转化点温度，仅靠沥青含量增加来提高低温性能效果有限，所以SMA-13型沥青混合料的冻断温度和转化点温度先增高后降低。

再对冻断试验结果进行方差分析发现，AC-13和SMA-13在0.05水平下的F值分别为3.48和4.07，均大于F-分布的临界值，沥青用量对冻断温度和转化点温度都有显著的影响。

表4 冻断试验结果

2.4 低温性能评价指标的关系

评价沥青混合料低温性能的试验方法较多，为了评价各评价指标的关系，采用皮尔逊相关系数法进行相关性分析，计算结果见表5所。皮尔逊系数的评价分为五个水平，系数越小，相关性越弱或不相关，其中0.8～1.0为极强相关，0.6～0.8为强相关，0.4～0.6为中等程度相关，表中出现的负值是由于冻断温度和转化点温度是负值所致， 总体表4中的数据均大于0.5，统计学上的显著性检验中表明，各指标均显著，显著水平最低的是劈裂破坏应变与冻断试验指标，接近强相关水平。因此，通过两两相关的分析统计学上确定了，沥青用量对低温性能的影响具有一致性，而且冻断试验得到的两个指标对每个指标也都具有明显的相关性。对于常用的级配，SMA-13的低温性能与各指标的相关性都属于强相关。

表5 皮尔逊相关系数

3 结 论

通过三种试验四个指标评价沥青混合料的低温性能，采用皮尔逊法对两两指标的相关性分析得出，沥青用量对沥青混合料低温性能的影响非常显著，而且，冻断温度和转化点温度指标不仅能够用来评价沥青混合料的低温性能，还可用于指导沥青混合料设计时最佳沥青用量的确定。