硬质沥青混合料低温性能试验研究

霍珍生，叶其业

（民航建设（天津）科技有限公司，天津 300456）

0 引言

硬质沥青是一种低标号的重交沥青，最早出现于法国，并在过去的几十年里在欧美等国的沥青路面中进行了广泛应用。硬质沥青通常是指25℃针入度在20～40（1/10 mm）之间的沥青，与普通沥青相比具有针入度小、黏稠度大、劲度大等特点。在沥青的中下面层使用硬质沥青不仅可以提高沥青路面的抗车辙能力，还可以提高路面寿命和减薄路面厚度，具有很高的社会效益和经济效益。我国幅员辽阔，北方多为夏热冬寒的温带大陆性、温带季风性气候，硬质沥青混合料可以很好满足夏季高温时的高温稳定性要求。但是硬质沥青低温抗裂性能较差，已有研究成果表明，沥青的温度敏感性以及延度对沥青混合料的低温性能有很大影响[1]。

沥青材料的温度敏感性简称感温性，它是评价沥青使用时的工作性以及应用于路面中服务性的重要指标，也是表征沥青发生性质变化幅度的主要指标。在长期实践过程中，逐渐形成了以沥青针入度指数PI为基础的感温性评价体系，PI越大，沥青的温度敏感性越小。

为了进一步研究硬质沥青感温性与硬质沥青混合料之间的低温抗裂性能之间的关系，选取4种不同品牌和标号的硬质沥青，对其感温性指标进行试验分析。同时利用多温度小梁弯曲试验和Hills低温开裂预估温度方程建立沥青混合料低温抗裂性能评估模型，用以研究硬质沥青的感温性指标与沥青混合料的低温抗裂性能之间的关系。

1 原材料及试验方法

1.1 沥青样品选择

根据硬质沥青20～40的针入度划分区间，本次试验选择进口ERES20/30、ERES35/50、DHS35/40、TERMCOTANK35/50四种沥青。按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》沥青试验要求对所选沥青进行试验。

1.2 延度试验

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的沥青延度试验方法，试验温度与拉伸速率可根据试验沥青种类选用。为了能更好体现4种沥青延度差异，本次选择5种温度（5℃、10℃、15℃、20℃、25℃）作为试验温度。4种沥青延度试验结果见表1。

表1 4种沥青延度试验结果Table 1 Ductility test results of four kinds of asphalt cm

1.3 针入度及PI结果

计算沥青的针入度指数，通常需要不少于3个不同温度条件下测定的针入度。本次试验的针入度温度选择5℃、15℃、25℃，利用该3个温度针入度试验结果计算4种沥青的针入度指数PI。针入度试验结果见表2。

表2 4种沥青针入度试验结果Table 2 Penetration test results of four kinds of asphalt

试验温度为25℃时，4种沥青的延度值均大于100 cm，无法判别出4种沥青延展性强弱；试验温度为5℃时，4种沥青均为脆性断裂，无延度值；试验温度为10℃时，4种沥青延度值均小于10 cm，数值相差不大。相比之下，试验温度15℃时的延度可以很好地体现4种沥青的差异性。沥青针入度是反映沥青稠度的指标，但是针入度低的沥青延度并不一定小。同时单一温度下的沥青针入度结果与沥青针入度指数相关性不大，单一温度沥青针入度值并不能反映该沥青的感温性。相比之下，4种不同标号的沥青的针入度指数与沥青15℃延度有着很好的相关性。

2 沥青混合料低温弯曲试验

2.1 沥青混合料类型选择

AC型沥青混合料采用连续级配，通过逐级填隙形成的密实混合料，由于其技术成熟、性能稳定，被广泛应用于公路面层。本次使用AC型沥青混合料为研究对象，试验所用粗集料类型为玄武岩，细集料为玄武岩机制砂，填料为矿粉，油石比为4.7%，混合料级配满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中AC-13沥青混合料的要求。

2.2 沥青混合料低温弯曲试验

本次采用沥青混合料低温弯曲试验对4种沥青混合料的低温性能进行研究。沥青混合料低温弯曲试验可用来评价混合料的抗弯极限强度、抗弯拉应变以及弯曲劲度模量。抗弯拉极限强度越大，其抵抗变形的能力就越强，路面低温抗裂性越好[2]。

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》使用轮碾成型机成型车辙板，之后将车辙板用切割机切割制成250 mm×30 mm×35 mm棱柱体试件，作为沥青混合料的小梁试件。采用50 mm/min的加载速率进行单点加载，每组4根。为了更好地评估沥青混合料的抗折强度以及评估沥青混合料的低温抗裂性能，本次以-10℃、-5℃、0℃、5℃、10℃、13℃、15℃、20℃作为试验温度，保温设备为自动控温水浴箱与低温试验箱，控温精度0.1℃。

沥青小梁在低温条件下的开裂过程可以看做是一个能量耗散的过程。裂纹未发生时，外力对小梁所做的功作为弹性应变被储存，裂纹发生、产生新表面时则转化为新表面能被释放。一般情况下，沥青小梁内部储存弹性应变能的能力越大，则沥青小梁抵抗外力所做功的能力就越强，沥青小梁低温抗裂性能就越好[3-5]。图1～图3为4种沥青混合料试件低温抗折试验结果。

图1 试件抗弯拉应变变化Fig.1 Specimen flexural tensile strain variation

图2 试件极限强度变化Fig.2 Specimen ultimate strength variation

图3 试件劲度模量变化Fig.3 Specimen stiffness modulus variation

沥青是一种典型的黏弹性材料，构成沥青的烃类及其衍生物分子链长度大于常规小分子，分子链独特的松弛运动使沥青具有温度、时间敏感性特征。根据分子运动方式的不同，沥青的行为可以划分为不同的状态：黏流态、黏弹态和玻璃态。玻璃化转变温度是沥青由黏弹态向硬而脆的玻璃态发生可逆转变的特征温度。当沥青处于玻璃化转变温度上时，沥青混合料呈现塑性破坏，在塑性破坏的温度区间，温度越低，沥青混合料的劲度模量越大，沥青混合料的强度也越大。当温度在-5℃上时，试件随着温度的降低，其极限强度、极限应变、极限劲度模量呈现规律性的变化，极限强度以及极限劲度模量随着温度的降低而增大。当沥青混合料的温度处于玻璃化转变温度之下时，沥青为玻璃态，此时，沥青混合料破坏类型为脆性破坏，脆性破坏发生后，沥青混合料的强度不再增加。当温度降温至-5℃时，试件的极限强度达到最大，之后温度降低，强度不再变大。

3 硬质沥青混合料低温缩裂风险性评估

沥青路面的低温缩裂与材料因温度下降而引起的体积收缩有关。如果材料未受约束，那么它随温度降低而缩短；如果材料受到约束，缩短的趋势将引起温度应力[6-7]的产生，当该应力大于材料抗拉强度时就会产生裂缝。本次根据美国SHRP采用的约束试件温度应力试验（TSRST）[8]来测量不同温度下沥青混凝土试件的温度应力。同时根据Hills和Brien提出的温度应力计算公式对温度应力进行计算[9]。本次利用Hills和Brien的温度应力方程对4种混合料的抗裂性能进行评价。

根据小弯梁试验结果，计算得出不同温度下的沥青混合料的劲度模量，根据温度应力计算公式，计算降温条件下沥青混合料的温度应力。表3为不同试验温度劲度模量，温度应力结果见图4。

表3 不同试验温度劲度模量Table 3 Stiffness modulus at different test temperatures MPa

图4 试件温度应力随降温变化图Fig.4 Specimen temperature stress variation with FIG cooling

由图4可以看出，随着温度的降低，试件内部温度应力增大，且增幅逐渐变大。相同温度下，极限强度越大的沥青混合料产生的温度应力也越大。另外，通过温度-应力函数可知，混合料存在一个温度t0，当温度为t0时，试件的温度应力为0。温度大于t0时温度的变化并不会在试件内部产生温度应力。即当沥青混合料在该温度之上时，不论试件温度降温幅度如何，其内部均不会产生温度应力，也不会产生温缩裂缝。由试验结果可知，ERES20/30、ERES35/50、DHS35/40、TERMCOTANK35/50四种沥青混合料的t0温度分别为30℃、27℃、26℃、29℃。

试件的劲度模量和温度在大于-5℃时符合良好的线性关系。4种沥青混合料试件在-5℃时的抗折强度均达到最大值，此时的抗折强度为混合料的极限抗折强度。对比相同温度试件的温度应力σx（T）与极限强度[σT]可知，试件从50℃降温至-5℃的过程中，试件的温度应力均小于试件的极限强度。说明4种沥青混合料在该试验温度区间是安全的。温度应力与沥青混合料小座梁抗弯拉强度的比值P可以定量地反映该温度下试件的开裂风险度，P越小，试件开裂的风险越小，当P≥1时，路面就有可能出现温缩裂缝。

根据表4强度比P计算结果，对不同降温区间4种沥青混合料低温性能进行评估。从结果可以看出，4种沥青混合料试件在试验温度≤-10℃时P>1，试验温度≥-5℃时P<1。同时在-5～-10℃之间存在一个P=1的平衡温度，此时的试件的温度应力等于抗弯拉强度。

表4 负温时不同沥青类型混合料试件温度应力与抗弯拉强度比值Table 4 Ratio of temperature stress and flexural tensile ultimate strength of different asphalt mixture specimens at negative temperature

对比4种硬质沥青15℃延度和PI值与4种沥青混合料在-5℃时的强度比P排序结果，发现硬质沥青15℃延度越高、PI值越小其强度比P值越小，抗裂性越好。说明沥青混合料的低温抗裂性能与沥青15℃延度指标和PI值有着很好的相关性，感温性好的沥青低温抗裂性能要优于感温性差的沥青。另外，对比不同试验TERMCOTANK 35/50与ERES20/30针入度值与混合料的强度比P值，发现虽然后者针入度更低一些，但是其抗裂性能却要优于前者。研究结果表明，低标号沥青在有着很好的高温稳定性的同时也可以有很好的低温抗裂性能，在夏季高温和重载车辆较多的道路更适合使用硬质沥青。

4 结语

低温时沥青混合料小梁试件的抗弯折极限强度存在一个极值，超过该极值抗折强度降低。随着温度降低，小梁试件的抗弯拉应变逐渐减小，最后趋于恒定值。

沥青路面存在一个温度应力起始温度t0，沥青不同，路面t0不同。当路面温度高于t0时，路面内部不产生温度应力，随着温度的降低，温度应力出现且增幅变大。当温度应力大于路面的极限强度时，路面就会存在开裂的风险。

沥青感温性指标PI和15℃延度与沥青混合料的强度比P有很好的相关性，15℃延度越大、PI值越小相应的沥青混合料强度比P越小，感温性好的沥青低温抗裂性能更好。

使用硬质沥青进行沥青混合料配合比设计时，相同标号情况下宜选择延度值高的沥青，这样沥青混合料在有着出色高温稳定性同时兼顾良好的低温抗裂性能。