道路工程-沥青混合料-低温性能-低温弯曲-温度应力-冻融劈裂试验

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高寒大温差条件下沥青混合料低温性能研究

摘要

为研究高寒、大温差以及降温速率等因素综合作用下的沥青混合料低温性能，在室内模拟高寒大温差条件，通过变化沥青类型、用量、级配等因素制备多种沥青混合料，利用约束试件温度应力试验(TSRST)、低温弯曲试验、冻融劈裂试验等研究沥青混合料在高寒大温差条件作用下低温性能的变化规律。研究结果表明：在高寒、大温差作用条件下，沥青混合料类型对其低温性能存在显著影响，SMA类沥青混合料冻断温度低于AC类沥青混合料，3种混合料的低温性能由高到低依次为SMA-13＞AC-13＞AC-16；沥青类型对沥青混合料低温性能存在显著性影响，其中SBS改性沥青＞SBR改性沥青＞基质沥青；此外，高寒大温差条件对沥青混合料强度及水稳定性有显著的影响。研究成果可以为青藏高原等高寒大温差地区沥青路面面层混合料的优化设计提供依据。

我国高寒大温差地区具有气候寒冷、低温持续时间长、温差大等气候特点，这些自然条件造成该区域的沥青混凝土路面普遍存在严重开裂等病害现象，再加上自然因素中强紫外线的作用，使得路面沥青面层常出现过早老化，大大影响了路面的使用寿命。

韦佑坡[1]针对青藏地区的高寒、大温差等特殊气候特点，进行沥青混合料室内弯拉强度试验，研究了沥青混合料弯拉强度受级配、油石比、温度等因素影响的变化规律；郭博、李东庆等[2-3]针对大温差地区沥青混合料材料组成因素的变化对其高低温性能、水稳定性等的影响，提出了影响混合料高低温性能因素敏感性的顺序；詹永祥等[4]应用热-力耦合求解技术，对沥青路面在低温大温差作用下的温度应力表面裂缝问题进行了数值分析，表明大温差是高寒地区沥青路面损伤的重要原因；LuoX等[5]分析了路面随温度疲劳作用次数变大而损伤程度加大的疲劳机理，建立了相应的温度疲劳寿命方程；Xiap F等[6]将温度疲劳视为热疲劳和低温开裂的共同作用结果；彭水根[7]以拉萨至贡嘎机场高速公路为依托，以抗低温开裂、抗老化、抗冻融等要求为主，提出了满足西藏地区高等级沥青路面使用要求的沥青种类选择以及混合料矿料级配范围；张毅[8]对短期老化和长期老化后的沥青混合料进行了0℃弯曲试验和-10℃弯曲试验研究，分析了不同老化状态下沥青混合料的低温抗裂性能；郝培文等[9]利用低温抗裂系数来评价沥青混合料的抗裂性能，抗裂系数值越大，低温抗裂性能越好；马骉等[10]通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及车辙试验等，分析了沥青种类、级配类型等对青藏高寒地区沥青混合料水稳定性及高温性能的影响。上述研究表明，高寒大温差条件对沥青混合料性能有着显著的影响。目前高寒大温差地区沥青混合料低温性能的研究多采用低温弯曲试验，与区域气候特征关联度低且评价指标较为单一，而针对高寒、大温差以及降温速率等因素综合作用下沥青混合料低温性能的系统研究较少。

基于此，通过模拟高寒大温差条件，变化沥青类型、用量、级配等因素制备多种沥青混合料，利用约束试件温度应力试验(TSRST)、低温弯曲试验、冻融劈裂试验等研究沥青混合料在高寒大温差条件作用下低温性能的变化规律，分析混合料类型、沥青用量及降温速率对高寒大温差条件下混合料低温性能的影响，为高寒大温差地区沥青路面面层混合料的优化设计提供依据。

原材料及试验方案

原材料

研究采用的基质沥青为SK110号A级道路石油沥青，改性沥青为I-C类SBS改性沥青及SBR改性沥青。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)对沥青性能进行检测，主要技术指标见表1。

粗集料采用玄武岩碎石，细集料采用0~3mm机制砂，填料采用石灰石矿粉。粗、细集料及矿粉各项技术指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)要求。

级配设计

研究选用AC-13、AC-16及SMA-13等3种沥青混合料类型，设计级配见表2。

AC-13采用基质沥青、SBS改性沥青及SBR改性沥青制备沥青混合料；AC-16采用基质沥青、SBS改性沥青制备沥青混合料；SMA-13采用SBS改性沥青制备沥青混合料。通过马歇尔试验确定不同沥青混合料的油石比，得到基质沥青AC-13、SBS改性AC-13及SBR改性AC-13沥青混合料油石比分别为5.1%、5.2%、5.3%；基质沥青AC-16、SBS改性AC-16沥青混合料油石比分别为4.7%、5.1%；SBS改性SMA-13沥青混合料油石比分别为6.4%。

试验方案

研究采用约束试件温度应力试验(TSRST)、低温弯曲试验及冻融劈裂试验评价沥青混合料低温性能。

(1)沥青混合料约束试件温度应力试验

试验分为3组，每组均包含6种沥青混合料。3组试验初始温度均设定为10℃，等温度稳定后进行试验，使用自增压液氮罐进行降温，降温速率分别为5℃/h、10℃/h和、15℃/h。试验降温低达到-50℃，在降温过程中，试件断裂则试验停止，测试沥青混合料的冻断温度、冻断应力及转化点温度。

设备名称：多测试位沥青混合料温度约束试样测试系统TSRST-Multi
型号：B282-10
制造商：意大利Matest-澳大利亚PAVETEST公司

满足规范：AASHTO TP10-1993 约束试样温度应力拉伸强度标准测试方法，EN 12697-46：2012- 热拌沥青测试方法， 46 部分：单轴拉伸测试低温断裂特性。

约束试样温度应力试验机 (TSRST) 用于确定沥青混凝土低温断裂的敏感性。早在1990年TSRST由OEM与俄勒冈州立大学 (OSU) 研发，作为美国战略高速研究计划SHRP的一部分。测试方法演变为 AASHTO TP10 规范。TSRST测试也被纳入EN12697-46 欧洲规范。规范选择单位拉伸测试表征沥青混合料抵抗低温断裂能力。

单轴拉伸测试的结果可用于下列测试评估：
▍指定温度的拉伸强度，采用单轴拉伸应力试验 (UTST)
▍在断裂破坏前，沥青可以承受的低温度，采用约束试样温度应力试验 (TSRST)
▍指定温度下的拉伸强度储备，采用TSRST和UTS测试组合
▍松弛时间，使用松弛试验 (RT）
▍蠕变曲线反算流变参数 , 采用拉伸蠕变实验 (TCT)
▍通过低温和机械加载测定低温疲劳试验能力 , 采用单轴循环拉伸应力实验 (UCTST)

产品特点
▍三个测试工位 ( 伺服电机或伺服液压 )
▍伺服液压作动器：30kN 静态，25kN 动态，使用长寿命迷宫轴承、耐疲劳、等面积型双向作动器
▍液压动力：变频驱动 (VFD)2.2kW 油泵电机，转速按需调整
▍可以克隆、修改或产生用户自己的适应特定需求的测试方法文件
▍可编程测试“向导”，指导用户一步一步完成试验
▍可做以下测试 :
● 单轴拉伸应力实验 (UTST)
● 约束试样温度应力实验 (TSRST)
● 松弛时间，采用松弛试验 (RT)
● 拉伸蠕变试验 (TCT)
● 单轴循环拉伸并验 (UCTST)

(2)切口小梁低温弯曲试验

对于SBS改性AC-13、SBS改性AC-16及SBS改性SMA-13等3种沥青混合料制备的小梁试件进行预切缝处理，切缝深度分别为0mm、4mm、8mm、12mm及16mm共5种，试验温度分别为20℃、10℃、0℃、-10℃和-20℃，试验加载速率为50mm/min，测试抗弯拉强度及大弯拉应变。

(3)冻融劈裂试验

以SBS改性AC-13为研究对象，将试件分为3组：一组和二组按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)进行标准冻融劈裂试验，三组是将试件放置于-35℃的低温条件下16h，取出放置于50℃恒温环境中24h，往复10个循环，测试劈裂抗拉强度和冻融劈裂试验强度比。

试验结果及分析

低温应力约束试验(TSRST)

对基质沥青AC-13、SBS改性AC-13、SBR改性AC-13、基质沥青AC-16、SBS改性AC-16、SBS改性SMA-13等6种沥青混合料，按照5℃/h、10℃/h和、15℃/h的降温速率分3组进行约束试件温度应力试验，试验结果如表3所示。

由表3可以看出，不同条件下沥青混合料的冻断温度、冻断应力及转化点温度3项指标总体具有相似的趋势，选取冻断温度指标对沥青混合料的低温性能进行详细论述。

(1)混合料类型对冻断温度存在显著影响。SMA类沥青混合料冻断温度低于AC类沥青混合料，AC-13混合料冻断温度低于AC-16沥青混合料。这是由于SMA沥青混合料属于骨架密实结构，既有一定数量的粗集料形成骨架结构，又有足够的细集料填充到粗集料中间，粗集料多、矿粉多、沥青用量高，因此其较AC类沥青混合料具有更优的低温性能。对于AC-16和AC-13而言，矿料级配越细，低温抗裂性能越佳，因此AC-13沥青混合料冻断温度低于AC-16沥青混合料。

(2)沥青类型对混合料低温性能有显著性影响。其中基质沥青的冻断温度要高于改性沥青，3种沥青的冻断温度由高到低依次为：基质沥青＞SBR＞SBS。这是因为改性沥青相对基质沥青黏度较大，在低温条件下的韧性优于基质沥青，此外改性沥青赋予沥青混合料的黏滞阻力也相对较大，可使沥青与集料的黏结力提高，因此改性沥青的低温性能要优于基质沥青混合料。

(3)降温速率对冻断温度存在一定影响，但影响幅度较小。随着降温速率的增加，混合料的冻断温度呈现上升的趋势，这是由于随着降温速率越大，应力在混合料中进行聚集的速率越快，混合料来不及通过变形而释放产生的温度应力，则其断裂发生的就越快。

切口小梁低温弯曲试验

(1)荷载挠度曲线分析

在试验温度为-10℃条件下不同切口深度的小梁荷载挠度曲线如图1~图3所示。

由图1~图3可以看出，随着切口深度变化，3种沥青混合料的荷载位移曲线变化速率未出现明显变化，说明混合料抗变形能力及低温抗裂性能与切口深度无明显相关性。从试件破坏时位移看，3种沥青混合料在未切口或切口深度较浅时，试件破坏时位移呈现离散状态，而随着切口深度加深，位移则趋于集中。从试件破坏时荷载看，3种沥青混合料破坏荷载排序在不同切口深度下呈现较高的一致性，即SMA-13＞AC-13＞AC-16。

小梁切口深度为4mm的3种沥青混合料在不同试验温度条件下的荷载挠度曲线如图4~图6所示。

由图4~图6可看出，随着温度降低，荷载位移曲线变化速率增快，混合料由黏弹性向弹性过渡，在-20℃时，AC-13及AC-16均发生了脆断。3种沥青混合料在低温时，荷载位移曲线形态差异大，随温度增高，在试件破坏前曲线趋于重合，说明3种沥青混合料低温时变形能力及低温抗裂性能差异较大，而高温时其变形能力差距缩小。从不同温度时荷载位移曲线变化趋势、破坏时荷载及位移分析，混合料低温性能SMA-13＞AC-13＞AC-16。

(2)抗弯拉强度分析

小梁切口深度为4mm时，不同试验温度下3种沥青混合料的抗弯拉强度如图7所示。

由图7可以看出：AC-13、AC-16、SMA-13等3种沥青混合料抗弯拉强度具有相似的温度相关性，即当加载速度一定时，随试验温度降低呈现出先变大后减小的趋势。在-20℃～-10℃区间内，随温度升高弯拉强度变大；在-10℃～10℃区间内，随温度升高抗弯拉强度减小；在10℃～20℃区间内，随温度升高抗弯拉强度减小，且减小速率较快。-20℃~10℃时，抗弯拉强度AC-16＜AC-13＜SMA-13。

试验温度为-10℃时，不同切口深度条件下3种沥青混合料的抗弯拉强度如图8所示。

由图8可看出，沥青混合料抗弯拉强度随着切口深度的变大呈现减小的趋势，且3种沥青混合料的差距也在逐步缩小。

(3)弯拉应变分析

小梁切口深度为4mm时，不同试验温度下3种沥青混合料的弯拉应变如图9所示。

由图9可以看出，随着温度降低，AC-13、AC-16、SMA-13等3种沥青混合料破坏时弯拉应变均逐渐减小，其中10℃~20℃区间下降速率更快，可认为10℃～20℃为弯拉应变的温度敏感区间。这是由于随着温度降低，混合料劲度模量变大，刚度变大，其受力后形变量减小。破坏时拉应变SMA-13更大、AC-13其次、AC-16小，进一步验证了沥青混合料低温性能SMA-13＞AC-13＞AC-16。