SMA沥青混合料的冻断温度及其影响因素研究★

丁 灿，沈菊男

(苏州科技大学土木工程学院 省生态道路技术产业化中心，浙江 苏州 215009)

1 概述

沥青混合料的低温开裂一直是国内外道路工程领域关心和研究的热点问题。在我国北方地区由于温度的降低导致路面内部温度应力产生的裂缝病害也十分普遍。如果不加以修复，随着积水侵入，面层基层软化，路面承载力和使用寿命会降低，还会增加维护费用，造成经济损失，所以研究其低温抗裂性能具有重要工程意义。国内外学者对低温性能进行了大量研究。陈世广等[1]通过冻断试验计算环氧沥青混合料的断裂温度与强度，发现其油石比为6.5%时低温性能最优。谭忆秋等[2]发现成品SBS改性沥青的冻断温度比一般沥青低4 ℃，SMA类沥青混合料的冻断温度比AC类沥青混合料低6 ℃～10 ℃。冯卡等[3]发现破断温度评价沥青的低温抗裂性能更直观，破断强度是重要的参考指标。王善兴[4]发现同类型沥青混合料 SMA-13比AC-13冻断温度降低9.5%，冻断应力提高8.3%。顾明达[5]研究发现冻断温度与转折点温度的相关性最大，弯拉应变、弯曲劲度模量、破坏应变和破坏劲度模量与冻断温度的相关系数都在0.8以上；弯拉强度，劈裂抗拉强度与冻断温度的相关系数小于0.8。王海朋等[6]通过四点弯曲试验和Overlay test试验，分析了不同空隙率的应力吸收层AC-10和CAM-10沥青混合料的抗反射裂缝性能，发现采用目标空隙率为2%的CAM-10沥青混合料低温抗裂性能最优。闫科伟等[7]应用圆盘拉伸试验进行温度为-12 ℃下的沥青混合料断裂试验，选取断裂应变容限值为评价指标。王磊等[8]利用有限元计算出路面结构温度场，发现面层线膨胀系数减小，温度应力也会减小。耿立涛等[9]利用Hankel积分变换等数学手段推导出解析式并研究温度对沥青混合料材料特性的影响关系。才洪美等[10]发现圆盘拉伸试验测定的破坏应变与冻断试验得到的断裂温度之间存在较好的相关性。Aflaki S等[11]选用Burgers模型拟合出对应的模型参数发现橡胶粉改性沥青的低温抗裂性要优于其他三种改性沥青。Huang B.S等[12]建立了热拌沥青混合料细观力学模型来预测抗拉强度，与低温数据进行对比发现一致性较好。Das P K等[13]建立的热断裂模型考虑了断裂能阈值和非线性热膨胀系数，结果表明非线性热膨胀系数对低温抗裂性能的预测结果准确性更好。

本研究目的是提高SMA沥青混合料低温抗裂性能。为此，主要探讨了SMA沥青混合料冻断温度及其影响因素。设计三种不同改性沥青和九种SMA混合料，进行约束试件冻断试验、小梁弯曲试验、沥青弯曲梁流变试验和沥青混合料的体积参数，分析研究各参数对冻断温度的影响规律。

2 试验设计与方法

2.1 原材料

本研究采用的基质沥青为韩国双龙70号石油沥青。SBS改性沥青为试验室高速剪切机以7 500 r/min在160 ℃ 搅拌炉中剪切40 min制备而成，SBS掺量为4.5%，主要性能指标见表1。三大指标和动力黏度均符合JTG F40—2004公路沥青路面施工技术规范，测试参数见表2。

表1 SBS改性剂的性能指标

表2 4.5%改性沥青性能指标

另一改性剂选用60目的橡胶粉，技术指标见表3，在SBS改性沥青的基础上采用湿拌法制备，掺量分别为10%和20%。结合上文提到的SBS改性沥青共制备成三种改性沥青，以下简记为A，B，C。

表3 橡胶粉的技术指标

粗细集料选用海南产玄武岩碎石，共4档：10 mm～15 mm，5 mm～10 mm，3 mm～5 mm，0 mm～3 mm，技术指标见表4。

表4 集料技术指标

2.2 SMA混合料配合比设计和试验组合

SMA作为沥青混合料中抗车辙性较好的级配类型，同时，试验证明它的低温抗裂性能也较好。所以本研究选用SMA为混合料的级配。图1是SMA-13，SMA-10和SMA-5三种最大公称粒径的集料筛孔通过率以及合成级配曲线。

采用马歇尔试验方法测定并计算体积参数，试验结果见表5。其中SMA-13的最佳配比：10 mm～15 mm，5 mm～10 mm，0 mm～3 mm和矿粉的用量为44%，35%，15%和8%；SMA-10的最佳配比：5 mm～10 mm，3 mm～5 mm，0 mm～3 mm和矿粉的用量为55%，15.5%，20.5%和9%；SMA-5的最佳配比：3 mm～5 mm，0 mm～3 mm和矿粉的用量为63.9%，22.9%和13.2%。

表5 沥青混合料的体积参数

试验组合：将九种不同沥青混合料按照沥青种类分成三组，其中4.5%SBS改性沥青为A，4.5%SBS+10%CRM双改性沥青为B，4.5%SBS+20%CRM双改性沥青为C。

2.3 试验方法

1)约束试件温度应力试验。

约束试件温度应力试验采用UTM万能试验机进行，如图2所示。试件为轮碾法压实成型的沥青混合料切割成50 mm×50 mm×250 mm的棱柱体，拟试验初始温度为10 ℃，降温速率为15 ℃/h，采用三个平行试件取均值得到试验结果。

2)沥青混合料小梁弯曲蠕变试验。

小梁弯曲试验采用低温小梁弯曲蠕变仪，如图3所示，加载速率为50 mm/min，小梁试件为车辙板轮碾法压实成型的沥青混合料切割成200 mm×30 mm×35 mm的棱柱体，试验得到-10 ℃下小梁破坏时的跨中挠度d和最大荷载PB，采用三个平行试件取均值得到试验结果。

3)沥青弯曲梁低温流变试验。

沥青弯曲梁低温流变试验仪器为弯曲梁流变仪试验仪器为弯曲梁流变仪，如图4所示。按照JTGE 20—2011规程制备试件，在-5 ℃的水浴中冷却10 min再脱模。试验前将试件放入试验温度±0.5 ℃的恒温水浴中保持(60±5)min。三种改性沥青试验温度拟-12 ℃，-18 ℃和-24 ℃，每组试验采用三个平行试件，得到劲度模量S和蠕变速率m。

3 试验结果和分析

3.1 冻断应力与冻断温度的影响关系

将SMA混合料按照最大公称粒径分别为5 mm，10 mm和13 mm分编为1，2，3，则A1～A3，B1～B3，C1～C3的 约束试件温度应力试验结果以及冻断温度与应力之间的关系分别如表6，图5所示。

表6 不同沥青混合料约束试件温度应力试验结果

由表6可知，A，B，C三组的冻断温度均随冻断应力的减小而升高。对于A组沥青混合料，冻断应力从A1的4.83 MPa到A2的2.05 MPa再到A3的1.48 MPa，对应的冻断温度却逐级升高，从-22.4 ℃到-18.9 ℃再到-16.7 ℃，冻断温度增幅为15.6%和11.6%，整体增幅25.4%，说明冻断应力越小，沥青混合料的冻断温度也会越高，低温抗裂性能也就越差。对于B组沥青混合料，当冻断应力从B3的1.60 MPa到B2的2.87 MPa再到B1的5.40 MPa逐级提高，对应的冻断温度从-20.4 ℃到-23.8 ℃再到-29.2 ℃逐级降低，冻断温度减幅为16.7%和22.7%，整体减幅43.1%，说明冻断应力越大，沥青混合料的冻断温度越低，表现出越来越优异的低温抗裂性能，从反面验证了冻断应力对冻断温度的影响明显。这一影响规律在C组试验中则更为显著，当C1的冻断应力达到6.15 MPa时，其冻断温度降为九种沥青混合料中最低值-31.5 ℃。

通过分析上文的试验结果可以发现，冻断应力与冻断温度之间联系紧密相互影响，冻断温度越低其冻断应力越高，低温抗裂性能越好，反之，提高混合料的冻断应力有利于降低其冻断温度，解决温缩开裂问题。

3.2 沥青低温流变性能与沥青混合料冻断温度的关系

利用弯曲梁流变仪测试A，B，C三类改性沥青的劲度模量和蠕变速率，研究不同温度环境下沥青的低温流变情况，试验数据以及关系变化如表7，图6所示，图7横轴命名为ABC+试验温度。

表7 三种沥青低温流变的试验结果

从图7可知，A，B，C三类改性沥青的劲度模量和蠕变速率受试验温度的影响之大。A沥青在-12 ℃的劲度模量为85.5 MPa，当试验温度降低到-18 ℃和-24 ℃时，劲度模量升高到237.6 MPa和344.2 MPa，同样地，蠕变速率随着温度降低从0.365先降低到0.309再降到0.254，说明沥青的流动性和韧性随着温度降低越来越差，且劲度模量和蠕变速率呈负相关。相比之下，B沥青也存在同样的变化趋势，但其劲度模量整体优于A沥青和C沥青，在-12 ℃的劲度模量最小，为81.3 MPa，但-24 ℃的劲度模量307.5 MPa>300 MPa，不满足一般路用安全要求，沥青在-24 ℃容易脆断。B沥青的蠕变速率在-24 ℃时较其他两类沥青好，但仅为0.297<0.3，同样说明-24 ℃的沥青流动性较差。

由于沥青是沥青混合料中主要的原材料，所以分析沥青的低温流变性能对研究沥青混合料的冻断温度具有重要意义。综合三组沥青的测试结果可知，劲度模量与蠕变速率呈反相关关系。试验温度越低，沥青的劲度模量越大，蠕变速率越小，韧性变差，脆性增大越易断裂，冻断温度也会越高。

3.3 混合料体积参数与冻断温度的影响关系

根据2.2节SMA沥青混合料配比设计及体积参数可知，不同最大公称粒径沥青混合料的最佳沥青用量有所不同，所以本小节通过研究混合料体积参数分析对冻断温度的影响，图7，图8横轴为ABC+最佳沥青用量。

图7是最大公称粒径下，A，B，C沥青混合料的毛体积密度和空隙率随最佳沥青用量变化的情况。从各组A,B,C沥青混合料来看，A的毛体积密度略高于B，C沥青混合料，在A，C最佳沥青用量相差0.6%时，SMA-5的最大值为2.503 g/cm3，最小值2.493 g/cm3，差值0.01 g/cm3。SMA-10和SMA-13的最大最小毛体积密度之差也只有0.017 g/cm3和0.021 g/cm3。说明各类型沥青混合料的毛体积密度差异较小，即毛体积密度并非影响最佳沥青用量的关键因素。从空隙率方面看，由于沥青用量增多，混合料之间的空隙率会急剧下降，而且SMA-5和SMA-10的最大最小空隙率相差0.11和0.12，但SMA-13的最大最小空隙率差值最小为0.03，这主要是因为其沥青用量增加较少造成的。综合两项体积参数可知增加沥青用量会减小SMA混合料的空隙率而对毛体积密度的影响较小。

图8是最大公称粒径下，A，B，C沥青混合料的矿料间隙率和饱和度随最佳沥青用量变化的情况。SMA-5和SMA-10两组变化趋势较为相似，当沥青用量从6.3%提高到6.9%，SMA-5的矿料间隙率从17.6%降为17.2%。当沥青用量从6.1%提高到6.6%，SMA-10的矿料间隙率从17.9%降为17.5%。说明对于SMA-5和SMA-10增加沥青用量会降低矿料间隙率，两者呈反相关。但对于大粒径SMA-13较为特殊，B沥青用量6.1%的矿料间隙率18.7%远高于A-5.8%和C-6.1%。从饱和度来看，SMA-5的B-6.7%和SMA-10的B-6.5%饱和度低于同组其他沥青用量试验的饱和度，分别为80.6和78.3，SMA-13三组饱和度同样与沥青用量和矿料间隙率无明显线性规律。

图9是不同最佳沥青用量与冻断温度的变化关系情况。当A混合料的最佳沥青用量从6.3%分别减少到6.1%和5.8%时，冻断温度从-22.4 ℃分别提高到-18.9 ℃和-16.7 ℃。B混合料的最佳沥青用量从6.7%分别减少到6.5%和6.1%时，冻断温度从-29.2 ℃分别提高到-23.8 ℃和-20.4 ℃。C混合料的变化规律也相似，且在最佳沥青用量为6.9%时测得最低冻断温度-31.5 ℃。以上均表明冻断温度会随最佳沥青用量的减少而升高，两者呈反相关的变化规律。

综合体积参数分析可得空隙率的大小对最佳沥青用量的确定影响最大，毛体及密度，矿料间隙率和饱和度的影响相对较小。所以冻断温度的主要影响因素来自空隙率，空隙率越小，冻断温度越低，低温抗裂性能更好。

3.4 沥青混合料低温弯曲性能与冻断温度的关系

沥青混合料的低温弯曲性能可测定在规定温度和加载速率时弯曲破坏的力学性质，通过跨中挠度d和最大荷载PB计算弯拉应变和弯曲劲度模量，如表8所示。

表8 小梁的低温弯曲试验结果

图10是弯拉应变与冻断温度之间的变化关系，两者的变化方向一致。当A混合料的弯拉应变为2 855 με，其冻断温度为-22.4 ℃，当弯拉应变提高到3 028 με和3 203 με时，冻断温度上升到-18.9 ℃和-16.7 ℃。说明A混合料的弯拉应变与冻断温度呈正相关，弯拉应变越小，冻断温度越低。B混合料的弯拉应变最大2 654 με最小2 918 με，整体小于A混合料，相应的冻断温度分别为-29.2 ℃和-20.4 ℃，低于A混合料的冻断温度区间，同样表明越小的弯拉应变其冻断温度越低。C混合料的弯拉应变变化幅度小于A，B混合料，尤其SMA-10和SMA-13的弯拉应变接近，分别为2 660 με和2 664 με，但由于整体弯拉应变计算结果小于A，B混合料，其冻断温度波动区间更大，SMA-5的冻断温度达到-31.5 ℃，表现出良好的低温性能。

图11是弯曲劲度模量与冻断温度之间的变化关系，两者的变化趋势一致。当A混合料的弯曲劲度模量从3 082 MPa提高到3 632 MPa，其冻断温度从-22.4 ℃增加到-16.7 ℃，两者呈正相关。B混合料的冻断温度也随着弯曲劲度模量的降低而降低，升高而升高。由于弯曲劲度模量与弯拉应变相关，所以尽管C混合料的弯曲劲度模量变化不大，冻断温度整体仍然呈正相关影响。

综上所述，小梁的弯拉应变与弯曲劲度模量也直接影响混合料的冻断温度，弯拉应变和弯曲劲度模量越大，其冻断温度会越高。

4 结论

本文以约束试件温度应力试验中的冻断温度为研究对象，准确模拟SMA沥青路面在降温过程中受力和破坏情况，通过冻断应力，沥青的劲度模量和蠕变速率，混合料的体积参数，低温抗荷载破坏应变和弯曲劲度模量分析对冻断温度的影响规律。得到以下结论：

1)冻断应力作为约束试件温度应力试验的另一个主要指标，与冻断温度联系紧密，当冻断应力提高70.9%，冻断温度降低33.7%，反之亦然，说明两者相互影响，呈负相关且冻断应力高的沥青混合料具有更好的低温抗裂性能。

2)SMA混合料的低温性质与沥青低温流变性能相联系，所以研究劲度模量和蠕变速率对冻断温度的影响。当沥青的劲度模量为81.3 MPa，蠕变速率为0.383，此时试验温度为-12 ℃。当沥青的劲度模量为344.2 MPa，蠕变速率为0.254，此时的试验温度为-24 ℃。说明降低试验温度，劲度模量会增大，蠕变速率会减小，流变性降低导致冻断温度提高。

3)体积指标中的空隙率是影响冻断温度的最关键因素。当空隙率升高0.23时，最佳沥青用量会降低0.5%，冻断温度升高5.7 ℃。当空隙率升高0.32时，最佳沥青用量会降低0.8%，冻断温度升高10.6 ℃。

4)冻断温度与小梁低温弯曲试验中的弯拉应变和弯曲劲度模量呈正向影响关系，当其弯拉应变和弯曲劲度模量分别降低5.3%和5.8%，冻断温度也会降低33.7%。说明降低沥青混合料的弯拉应变和弯曲劲度模量，有助于降低冻断温度，提高其低温抗裂性能。