丁子豪

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摘要 选取某种硬质沥青、高粘高弹改性沥青作为沥青胶结料，通过半圆弯曲试验对不同改性沥青混合料的中温抗裂性能进行了研究。结果表明：在中温条件下，硬质沥青混合料的破坏强度较大;在裂缝扩展阶段，高粘高弹改性沥青混合料的变形能力要强于硬质沥青混合料，且SMA-13混合料的变形性能要优于AC-13混合料;从断裂能角度分析，硬质沥青混合料抵抗裂缝产生的能力强于高粘高弹改性沥青混合料，而高粘高弹改性沥青混合料带裂缝工作的能力较强。

关键词 半圆弯曲试验;改性沥青混合料;中温抗裂性能;断裂能

中图分类号 U414 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0144-03

0 引言

随着交通荷载的累积及气候恶劣的加剧，越来越多的改性沥青被用作沥青路面的胶结料，以确保沥青路面的高温抗车辙性能、低温抗开裂性能及耐疲劳性能得到提升。现阶段困扰江苏省高速公路沥青路面技术状况的头号难题依然是路面开裂[1]，与低温季节沥青路面易发生脆裂相比，长路龄路面近年来开始呈现常温季节开裂的趋势。针对沥青混合料的抗裂性能，小梁弯曲试验、间接拉伸试验及半圆弯曲试验（以下简称“SCB试验”）均有其适用的场景。与前两种试验方法相比，SCB试验具有诸多优势。首先，SCB试验操作方法简单，便于重复性试验。其次，SCB试验是基于断裂力学的研究方法，能够更为科学地解释沥青混合料的抗裂性能[2]。断裂力学理论指出沥青混合料的开裂主要包括两個阶段：裂缝的产生与裂缝的扩展。

选取SCB试验深入研究沥青胶结料种类、级配类型对改性沥青混合料中温抗裂性能的影响，从而为不同气候特征地区减少沥青路面开裂提供一定参考。

1 试验方案

1.1 原材料

选取两种成品改性沥青作为沥青胶结料。其一为某种硬质沥青，多用于易发生车辙的地区，以下简记为“Ⅰ沥青”;另一种为某高粘高弹改性沥青，其动力黏度较大且变形能力较强，在高寒地区具有广阔的应用场景，以下简记为“Ⅱ沥青”。两种改性沥青的基本技术指标见表1。

使用的粗集料、细集料均为玄武岩，填料为石灰岩矿粉。其中SMA混合料还需掺入一定量的纤维，其用量为混合料质量的0.3%。

1.2 试件制备

选取两种沥青路面面层常用级配AC-13与SMA-13，其不同筛孔的通过率均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）要求。首先，使用马歇尔法确定AC-13、SMA-13混合料的最佳沥青用量。其次，高温拌和后使用Superpave旋转压实仪成型直径150 mm，高度180 mm的圆柱体沥青混合料，脱模后放在室温条件下至少养生2天。再次，使用切割机沿高度方向切除圆柱体上、下表面各15 mm，然后在高度方向对其进行三等分切割，从而得到3个直径150 mm，高度50 mm的小圆柱体试件，再沿直径方向对半切割后得到6个用于SCB试验的半圆形试件。最后，使用小型切割机对半圆试件进行预切缝处理，预切缝在矩形截面中部位置，其深度为15 mm。

1.3 试验方法

如图1所示，借助万能试验机进行SCB试验，试验的加载速率为50 mm/min。为评价改性沥青混合料的中温抗裂性能，试验温度确定为25 ℃，试验开始之前SCB试件须在25 ℃恒温环境箱中至少保温4 h[3]。为保证试验结果的可靠性，每种改性沥青混合料至少进行4组平行试验，根据标准偏差剔除离散程度较大的数据并补充平行试验，最终取有效数据的平均值作为试验结果。

从强度、变形、能量三个角度评价不同改性沥青混合料的中温抗裂性能[4]。如图2所示，强度评价指标为峰值力Fmax，其定义为竖向加载力—位移曲线的峰值点对应的加载力;变形能力评价指标为峰值位移DP及破坏位移Dcf，DP为峰值力Fmax对应的位移，Dcf为竖向加载力—位移曲线峰后部分竖向力为Fmax/2时对应的位移;能量指标综合考虑试件的受荷与变形能力，该次使用峰前断裂能Gbf与峰后断裂能Gaf分别评价改性沥青混合料在裂缝产生前后的抗裂性能，Gbf与Gaf的计算方法见公式（1）～（5）。

式中：A为试件的中部连接面积，mm2;r为试件半径，mm;a为预切缝深度，mm;t为试件厚度，mm;Fb为试件峰前阶段的竖向力，kN;Fa为试件峰后阶段的竖向力，kN;u为试件的竖向位移，mm。

2 试验结果与分析

不同改性沥青混合料SCB断裂试验的结果如表2所示，以下分别从强度、变形能力及能量角度进行具体分析。

2.1 强度

图3展现了不同改性沥青混合料SCB断裂试验峰值力的差异情况。由图3可知，无论级配类型是AC-13还是SMA-13，Ⅰ沥青混合料的峰值力Fmax均要明显大于Ⅱ沥青混合料，这表明沥青胶结料性质对混合料的强度影响较为显著。25 ℃下Ⅰ沥青的针入度远小于Ⅱ沥青，在一定程度上保证了中温条件下Ⅰ沥青混合料的强度更大，即硬质沥青混合料中温条件下的强度要明显大于高粘高弹改性沥青混合料。此外，当沥青胶结料为Ⅰ沥青时，AC-13混合料的峰值力要大于SMA-13混合料;当沥青胶结料为Ⅱ沥青时，AC-13混合料的峰值力要略小于SMA-13混合料，这表明级配对改性沥青混合料强度的影响相对较弱。

2.2 变形能力

图4（a）～（b）表征不同改性沥青混合料在SCB断裂试验中的变形能力。由图4（a）可知，在改性沥青混合料开裂的瞬间，SMA-13级配的Ⅱ沥青混合料的位移要明显大于其余三种改性沥青混合料，而AC-13级配的Ⅱ沥青混合料峰值位移最小。根据图4（b），进一步跟踪不同改性沥青混合料产生裂缝之后的变形情况，可以发现同一级配的Ⅱ沥青混合料破坏位移均要大于Ⅰ沥青混合料，这表明在裂缝扩展阶段，高粘高弹改性沥青混合料拥有更好的变形能力。在沥青胶结料相同的情况下，SMA-13级配的改性沥青混合料的破坏位移更大，即SMA-13改性沥青混合料在裂缝扩展阶段的变形能力要略优于AC-13。

2.3 断裂能

图5（a）～（b）分别为不同改性沥青混合料在裂缝产生之前及裂缝扩展阶段的断裂能情况。由图5（a）可知，同一级配Ⅰ沥青混合料的峰前断裂能均要大于Ⅱ沥青混合料，主要原因是裂缝产生之前Ⅰ沥青混合料承受的加载力要明显大于后者，这表明相同级配条件下，硬质沥青改性沥青混合料抵抗裂缝产生的性能要优于高粘高弹改性沥青混合料。从图5（b）可以看出，从裂缝产生到裂缝稳定扩展阶段，相同级配条件下，虽然Ⅰ沥青混合料峰值力相对较大，但Ⅱ沥青混合料带裂缝的变形量更大，综合两个因素之后Ⅱ沥青混合料的峰后断裂能反而大于Ⅰ沥青混合料，表明高粘高弹改性沥青混合料带裂缝的工作能力要强于硬质沥青混合料，即高粘高弹改性沥青混合料在中温条件下能够保持更为稳定的延性破坏状态。

3 结论

该研究选取硬质沥青、高粘高弹改性沥青作为沥青胶结料，并探究了级配对混合料性能的影响，通过半圆弯曲试验研究了不同改性沥青混合料在中温条件下的抗裂性能，根据试验结果及数据分析可以得出以下结论：

（1）与级配类型相比，沥青胶结料的种类对改性沥青混合料的强度影响更为显著，且中温条件下硬质沥青混合料的强度要明显大于高粘高弹改性沥青混合料。（2）相同级配条件下，高粘高弹改性沥青混合料在裂缝扩展阶段的变形能力要优于硬质沥青混合料;同一瀝青胶结料条件下，SMA-13沥青混合料在裂缝扩展阶段的变形能力要优于AC-13沥青混合料。（3）相同级配条件下，硬质沥青混合料抵抗裂缝产生的性能要优于高粘高弹改性沥青混合料;高粘高弹改性沥青混合料在中温条件下能够保持更为稳定的延性破坏状态。

参考文献

[1]蒋振雄.江苏省廿年沥青路面技术框架与发展路径[J].公路交通科技，2020（2）：15-21.

[2]G.Saha，K.P.Biligiri.Fracture properties of asphalt mixtures using semi-circular bending test：a state-of-art review and future research [J].Construction and Building Materials，2016（105）：103-112.

[3]郑得标.沥青混合料中低温半圆弯曲断裂试验关键参数研究及粘弹性分析[D].南京：东南大学，2020.

[4]Jiang J，Dong Q，Ni F，et al.Effects of loading rate and temperature on cracking resistance characteristics of asphalt mixtures using nonnotched semicircular bending tests [J].Journal of Testing and Evaluation，2018（4）：2649-2663.