沥青混合料低温性能及其改良

沥青混合料低温性能及其改良

摘要：沥青路面使用期开裂是世界各国普遍存在的问题, 沥青路面在温度骤降或温差较大地区, 会由于温度应力的作用而产生裂缝, 低温缩裂在我国北方地区是十分普遍的, 它的产生严重危害道路的使用寿命和质量, 是沥青路面主要破坏形式之一，为此研究沥青混合料低温抗裂性能的评价方法是很有必要的。本文简单介绍了沥青低温抗裂性的评价指标及改良措施。

关键词：破坏机理评价指标影响因素改良措施

裂缝作为我国高等级沥青路面的主要病害之一，不仅会影响行车的舒适性，而且水会沿着裂缝进入沥青路面体内，引起路面结构性的破坏。沥青混合料低温抗裂性能与沥青路面裂缝病害直接相关，为了提高路面的抗裂能力，必须提高沥青混合料的低温抗裂性能。自20世纪60年代以来,加拿大、美国、日本等国家重点对沥青混合料低温开裂与材料低温性能指标进行了系统调查和研究,并铺筑了许多试路,提出了沥青及沥青混合料低温抗裂的不同评价指标,但是这些指标都是针对本国具体实验进行的研究尚缺乏验证,尤其是沥青及沥青混合料性能指标与路用性能的相关关系。因此，提高沥青路面的抗裂性能仍是沥青路面的重要研究内容。

一、破坏机理

沥青路面的低温开裂是路面破坏的主要形式之一。一般认为沥青路面的低温开裂有3种形式：一是面层低温开裂，是由气温骤降造成面层温度收缩，在有约束的沥青层内产生温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度时造成的开裂；二是温度疲劳裂缝，是由于沥青混凝土经过长时间的温度循环，使沥青混凝土的极限拉伸应变变小，应力松弛性能降低，将在温度应力小于其抗拉强度时开裂；三是反射裂缝，是指低温状态下基层产生横向开裂，在荷载和温度共同作用下，裂缝逐渐向沥青面层的横向开裂。沥青路面裂缝会导致路面承载力下降，影响行车舒适性，并缩短路面使用寿命。因此，提高路面抗裂性是道路领域研究的重要课题。

二、评价方法

1、间接拉伸试验(劈裂试验)

该试验方法是通过加载Φ101.6mm×63.5mm的沥青混凝土试件进行加载, 从而通过传感器和LVDT来获得沥青混合料的劈裂强度及垂直和水平变形。该法主要目的是为了提供路面设计的力学参数以及用于预测沥青路面的开裂情况，但水平变形量测要求精度较高。其评价指标有劈裂强度、破坏变形及劲度模量等。【1】沥青混合料的劈裂试验,按下式计算破坏劲度模量:

S T = p T (0. 27 + 1. 0μ) / hX T

μ = (0. 135 A - 1. 794) / ( - 0. 5 A - 0. 031 4)

X T = Y T (0. 135 + 0. 5μ) / (1. 794 - 0. 031 4μ)

式中，S T 为破坏劲度模量；μ为泊松比；Y T 为试件相应于最大破坏荷载时的垂直方向总变形，mm；A 为试件垂直变形与水平变形的比值( A = Y T/ X T) ；

H 为试件高度，mm。【3】

从上述S T 的计算公式可以看出，其值大小实际反映的是应力与应变的比值，是反映材料刚度大小的指标。而沥青混合料在抵御开裂时，应力水平和应变水平是同时反应抗开裂性能的指标，用其比值衡量抗开裂性能显然是不恰当的，目前这种方法已不常采用。【3】

2、弯曲试验

低温弯曲试验也是评价沥青混合料低温变形能力的常用方法之一。在试验温度达到-100C左右的条件下，以50mm/min的加载速率，对沥青混合料小梁试件（35mm×30mm×250mm，跨径200mm）跨中施加集中荷载至断裂破坏，由破坏时的跨中挠度计算破坏弯拉应力、弯拉应变及劲度模量，

即

式中，为试件破坏时的抗弯拉强度，Mpa；为试件破坏时的最大弯拉应变；为试件破坏时的弯曲劲度模量，Mpa；b为跨中断面试件的宽度，mm；h为跨中断面试件的高度，mm；L为试件的跨径，mm；为试件破坏时的最大荷载，N；d 为试件破坏时跨中挠度，mm。

沥青混合料在低温下的极限变形能力，反映了粘弹性材料的低温粘性和塑性

性质，极限应变越大，低温柔韧性越好，抗裂性越好。因此，可以用低温的极限弯拉应变作为评价沥青混合料低温性能的指标。

3、直接拉伸试验

直接拉伸试验的试件可以根据试验设备及试验要求不同做成小梁试件等。试验温度和加载速率根据有关规定和要求选用。直接拉伸试验评价指标主要有: 拉伸强度、应变及模量。直接拉伸试验因能较好地反映沥青路面的受力状况而被国内外用于沥青路面的低温抗裂研究。通过该试验可以得到沥青混合料的强度温度关系曲线供预估开裂温度用。【1】

4、断裂温度试验

通过间接拉伸试验或直接拉伸试验，建立沥青混合料低温抗拉强度与温度的关系，再根据理论方法，由沥青混合料的劲度模量、温度收缩系数及降温幅度计算沥青面层可能出现的温度应力与温度的关系。根据温度应力与抗拉强度的关系预估沥青面层出现低温缩裂的温度Tp。Tp越低，沥青混合料的开裂温度越低，低温抗裂性越好。

5、弯曲蠕变试验

低温弯曲蠕变试验用于评价沥青混合料低温下的变形能力和松弛能力。弯曲蠕变试验试件尺寸为30 mm × 35 mm × 250 mm，试验温度为0 ℃。蠕变变形曲线分为三个阶段，第一阶段为蠕变迁移阶段，第二阶段为蠕变稳定阶段，第三阶段为蠕变破坏阶段。在蠕变稳定阶段，按照下式计算弯曲蠕变速率:

式中:εs 为试件的弯曲蠕变速率，MPa·s-1；σ0 为试件的弯曲蠕变应力，MPa ； t1 , t2 分别为蠕变稳定期直线段起始点及终点的时间, s；ε1 ,ε2 分别为对应于时间t1 , t2 时的蠕变应变.

从弯曲蠕变速率εs 的关系式中,可以发现其值实际反映的是由蠕变应力σ0 在t2 时刻到t1 时刻区间内,弯曲应变之差与σ0 的乘积亦即弯曲应变能在整个稳定期内的变化均值,虽然其含义已经综合表达了沥青混合料在低温状态下应力应变的复合变化情况,能够反映沥青混合料的低温抗开裂性能,但其定义与实质内容是有差异的,且试验工作量较复杂,在国内推广应用具有一定难度。