刘卫斌

(新疆华天工程建设股份有限公司,新疆乌鲁木齐 830011)



不同类型沥青混合料的低温性能评价分析

刘卫斌

(新疆华天工程建设股份有限公司,新疆乌鲁木齐 830011)

摘要:低温下的沥青混合料强度较高,但抗变形能力较差,因而其流变特性十分重要。文中基于国内外研究成果,通过沥青混合料低温弯曲破坏试验,以低温弯曲应变能密度作为混合料低温性能定量分析指标,对不同类型沥青混合料的抗低温性能进行分析。研究表明,相同基质沥青含量下,随着PR、AC-16掺量的增加,弯曲应变能密度逐渐增加;LSAM-25的低温动态模量大于Superpave25和ATB-25;LSAM-25的弯曲应变能密度最大,抗低温性能最好。

关键词:公路;沥青混合料;低温性能;弯曲应变能密度

沥青混合料作为一种粘弹性材料,具有较好的蠕变特性和松弛特性。在现场直接测量沥青路面的松弛模量很难实现,而蠕变模量虽可通过试验测得,但测量时间较长,试验中很难只加载矩形载荷,因而误差较大。动态模量评价可准确反映混合料在交通载荷交替作用和温度作用下的力学性能,得出非线性材料的破坏特性。混合料在低温时的变形情况类似弹性体,利用动态模量曲线即可得出一定温度范围内的沥青混合料力学性质。

大粒径密级配的沥青混合料(LSAM)可承载较重的交通负荷和环境温度变化,具有较好的耐久性和抗变形能力,对LSAM的路用性能进行研究具有重要意义。该文以沥青混合料低温弯曲破坏试验为研究基础,对不同类型沥青混合料的抗低温性能及动态模量、低温弯曲应变能密度对沥青混合料低温性能的影响进行分析,为沥青混合料低温性能评价研究提供参考。

1 低温弯曲试验研究

低温状态下的沥青混合料强度较高,其流变特性十分重要。为了避免温缩裂缝的出现,应选择流变特性较好的混合料。低温性能评价一般基于小梁弯曲试验,采用MTS810试验台,基质沥青选择克拉玛依90#,沥青混合料选择AC-16型。试验步骤为:采用马歇尔击实法确定混合料密度,并利用轮碾法制备成型试件;以混合料实际密度为依据,设置合理的压实次数;将碾压成型的板状试件进行切割,制备成200 mm×30 mm×35 mm试件;试验温度取-10℃,试验记载速率为50 mm/min。试件出现弯曲破坏时的弯拉强度为:

式中:L为试件跨径;PB为试件临界载荷;b为试件宽度;h为试件高度。

试件梁底最大拉应变为:

式中:d为跨中挠度。

为提高沥青混合料的耐久性和使用寿命,除对破坏强度、劲度模量进行计算外,还应对应力-应变曲线进行评价。当沥青混合料处于脆性破坏时,应力-应变曲线应为直线;当沥青混合料处于柔性破坏时,应力-应变曲线应为曲线。但应力-应变曲线只能对沥青混合料的低温性能作定性分析。

低温下的沥青混合料可以看作弹性材料,其破坏过程为能量耗散过程,若沥青混合料储存的弹性应变能量越多,则低温抗裂性能越好。根据材料损伤准则,损伤过程主要有裂缝的引发、裂缝的生长及终止生长3个阶段。假设材料破坏形式与材料的能量状态有关,则材料损伤能用应变能量密度衡量,其函数关系为:

式中:d W/d V为应变能量密度函数;σij为应力分量;εij为应变分量;εo为最大应力下的应变值。

通过对低温弯曲试验得出的应力-应变曲线进行分析,可求解应变能密度,并得到沥青混合料脆化温度。沥青混合料脆化温度可作为评价沥青混合料低温抗裂性能的主要指标。应变能量密度函数可通过低温弯曲试验测定,因此以低温弯曲应变能密度作为混合料低温性能定量分析指标。低温弯曲试验结果见表1。

从试验结果来看,相同基质沥青含量下,随着PR、AC-16掺量的增加,弯曲应变能密度逐渐增加。对于不同的改性剂,其弯曲应变能密度并无明显规律,但不同试验对象的值差距很大。不同材料弯曲破坏应变对比见图1。

表1 低温弯曲试验结果

图1 弯曲破坏应变试验结果

2 低温弯曲应变能密度评价

采用低温弯曲试验,对LSAM-25沥青混合料的低温性能进行研究。以Superpave25、ATB-25作为对比材料。3种混合料的级配曲线见图2。

图2 3种沥青混合料的级配曲线

按照设计手册确定沥青最佳用量,并根据级配情况制备成型试件,每种材料制备2个试件。3种沥青混合料的配合比设计结果见表2。

ATB-25和Superpave25相比,其矿料间隙率、有效沥青饱和度均高些。因此,ATB-25常作为柔性基层使用。低温弯曲试验得到的弯曲应变能密度、动态模量见表3。

由表3可知:LSAM-25的低温动态模量大于Superpave25和ATB-25,Superpave25的低温各频率动态模量最小;LSAM-25的弯曲应变能密度最大,说明其性能最好。

表2 3种沥青混合料的配合比设计结果

表3 3种沥青混合料的弯曲应变能密度和动态模量

由于LSAM的配合比设计采用主骨料空隙填充法,LSAM-25在-10℃的低温性能最好。这种配合比设计法可充分利用粗骨料的嵌挤能力,将细集料、矿粉、沥青等填充到主骨料空隙中。ATB -25中的压实能量指数较大,材料虽然不易产生离析,但可压性较差,嵌挤密实度不够,其低温性能低于LSAM-25。Superpave25混合料中集料主要为5～10 mm碎石,其挤密实度最差,低温性能最差。

使用改性沥青SBS后,沥青混合料的抗低温性能增加。从试验结果来看,使用改性沥青SBS的Superpave25混合料的低温性能最好,LSAM-25混合料居中,ATB-25混合料最差。这是由于改性沥青增加了胶结能力,Superpave25混合料沥青含量最高,表现出较好的低温性能。LSAM-25和ATB-25的沥青含量相同,由于LSAM-25的嵌挤密实度高于ATB-25,使用改性沥青SBS后的低温性能也优于ATB-25。

但只提高沥青含量并不能完全改善沥青混合料的低温性能,在PG58-22工况中,Superpave25的沥青含量虽然是4.1%,但其低温性能最差。沥青含量增加,混合料的松弛性增加,同时收缩性也增强,如果两者相互抵消,则提高沥青含量并不能改善沥青混合料的低温性能。使用改性沥青SBS后,Superpave25的收缩性增加,低温性能得到改善。

3 结语

动态模量评价可准确反映混合料在交通载荷交替作用和温度作用下的力学性能,得出非线性材料的破坏特性。该文以沥青混合料低温弯曲破坏试验为研究基础,对不同类型沥青混合料的抗低温性能进行分析,结果表明LSAM-25的低温动态模量大于Superpave25和ATB-25,其弯曲应变能密度最大,说明其性能最好;只提高沥青含量并不能完全改善沥青混合料的低温性能。

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收稿日期:2015-09-25

中图分类号:U 416.217

文献标志码:A

文章编号:1671-2668(2016)02-0098-03