沥青混合料低温抗裂性能评价指标的研究

表观密度 / ( g / cm3) 矿粉密度 /( g /cm3 )
> 2. 36 m m < 2. 36 mm
2. 864 0 2. 860 9
2. 797 2
3. 2 矿料级配及油石比
为了达到沥青混合料具有大小不同的空隙率 , 本研究采用 5种级配型式 ,它们是 AC- 16- Ⅰ 的 上线和中线 , AC- 16- Ⅱ 的中线和下线 ,以及开级
6 3～ 9
4 2～ 5
100
90
65
50
30
18
12
7
4
3
2
O G FC开级配
100
/
90～ 100
/
11～ 35 8～ 25
/
5～ 17 4～ 14 3～ 10 2～ 7
实际值
E
100
95
23
17
11
9
7
5
经马歇尔试验确定最佳沥青用量 ,为了研究同 一级配下不同沥青用量对混合料低温抗裂性能的影
文献标识码: B
1 概述 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。而影响沥 青路面开裂的原因除了沥青本身的性质起主要作用 外 ,它还与沥青混合料的组成、沥青膜的厚度、交通 量、气候等因素有关。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。
[摘要 ] 为了确保沥青路面在低温下的抗裂稳定性 ,就必须用试验方法来评定它在低温条件下的性能。本文在分 析目前一些评价方法的基础 上 ,通过大 量的试验 ,提 出了利用低温压缩 应变能法来评价沥 青混合料低温性能 ,该法既 简便又合理 ,可供参考和使用。
关键词 沥青混合料 抗裂稳定性 评价指 标
积分作为沥青混合料低温抗裂性能的评 价指标之
一 ,因此通过此实验来验证低温蠕变速率指标 ,并对 不同级配沥青混合料低温性能作出评价。
试验采用预制切口的小梁试件进行 3点弯曲试
验 ,测定荷载位移曲线 ,通过计算曲线下面积得到破
坏时所吸收的能量 ,而后利用下式计算 J 积分:
J
1c=
Z( UT B(d-
注: 表中下标“ 2” ,表示马歇尔最佳沥青用量 ,下标“ 1”表示最佳沥青用量 - 0. 5% ,下标“ 3”表示最佳沥青用量+ 0. 5% 。
3. 3 试件的制备 根据已确定的矿料级配和沥青用量 ,按马歇尔
试验所得的单位容重作为控制标准 ,用轮碾仪制成 30 cm× 30 cm× 60 cm 板 ,而后切割成不同尺寸的 棱柱体试件。
4. 75
2. 36
1. 18
0. 6
0. 3
0. 15 0. 075
100 95～ 100 75～ 90 58～ 78 42～ 63 32～ 50 22～ 37 16～ 28 11～ 21 7～ 15 4～ 8
100
100
90
78
63
50
37
28
21
15
8
100 95～ 100 75～ 90 58～ 78 42～ 63 32～ 50 22～ 37 16～ 28 11～ 21 7～ 15 4～ 8
4 沥青混合料低温抗裂性能指标的评价 本研究采用“八五”攻关专题提出 低温蠕变试
验 ,美国 SHRP计划使用的 J 积分试验 ,以及低温 抗压缩试验 ,通过不同矿料级配 ,不同沥青用量以及 不同沥青品种来研究沥青混合料的低温抗裂性。 4. 1 低温弯曲蠕变试验结果及分析
4. 1. 1 试验结果 试验采用美国 M T S公司生产的土壤沥青闭环
3. 1. 2 矿料 矿料采用陕西省蓝田县生产的片麻岩 ,其技术
指标见表 2。
国家自然科学基金资助项目 (批准号 N o59678051)。
— 64 —
公 路 2000年 第 5期
表 2 石料试验结果
矿料品种 片麻岩
吸水率 % 0. 46
表 6 不同应力水平蠕变试验结果
沥青种类
0. 1ef
胜利 140号 6. 17× 10- 7
+ 2% SB S
应力水平 0. 3ef
0. 6ef
8. 18× 10- 7 8. 26× 10- 7
0. 8ef 8. 99× 10- 7
注: 胜利 140号+ 2% SBS破坏强度为 19. 40 M Pa。
公路 2000年 5月 第 5期 HIG HW A Y M ay . 2000 N o. 5 文章编号: 0451- 0712( 2000) 05- 0063- 04
沥青混合料低温抗裂性能评价指标的研究
郝培文 张登良
(西安公路交通大学 西安市 710064)
4. 1. 2 结果分析 由表 5可以看出 ,沥青混合料的蠕变速率均随
沥青用量的增加而增加 ,这说明增加沥青用量有利 于提高沥青混合料的抵抗开裂性能 ; 级配不相同沥 青混合料的蠕变速率也不相同 ,一般表现为级配越 密实 ,抗裂性相对较好。 4. 1. 3 关于应力水平大小的分析
关于应力水平的选择 ,本研究采用了“八五”攻 关提出的 1 M Pa恒定应力水平 ,上述结果表明它仅 仅适用于空隙率较小的沥青混合料 ,而对于空隙率 较大的混合料以及改性沥青混合料并不适用 ,原因 在于对于空隙率 较小的沥青混合料 , 0℃时强度在 10 M Pa 左右 ,按 10% 应力水平来加载 ,基本上就在 1 M Pa左右 , 这样加载就能出 现蠕变稳定阶段 ,而 对于空隙率较大的级配 , 0℃时试件的破坏应力仅有 2. 0～ 5. 0 M Pa ,如按 1 M Pa应力加载 ,试件很快出 现破坏 ,而得不到蠕变稳定阶段 ,对于改性沥青 ,由 于沥青经聚合物改性后 ,强度水平有较大提高 , 1 M Pa应力水平相对较小 ,因此得出蠕变速率相对 较小 , 为说明 这一点 , 对胜利 140号沥 青掺加 2% SBS沥青混合料进行了 0℃不同应力水平下的弯曲 蠕变实验 ,结果见表 6。
以往 ,对沥青混合料低温抗裂性能常用低温下 的抗拉强度或抗变形能力来评价 ,而实际上低温开
裂不仅与材料强度有关 ,而且与材料的变形能力有 关 ,如材料有很强的伸长能力 ,即使其强度不很高 , 它也不易发生开裂。 因此在评价沥青混合料低温抗 裂性能时 ,应以能量为基准。
每一种形式的沥青混合料均具有一定能量的储 存容量 ,即在破坏前具有储存一定能量的能力。这个 储存能量的大小 ,可直接用试验方法加以确定 ,沥青 混合料试件破坏时消耗的能量越大 ,这种沥青路面 的抗裂性能就越好。
本文通过对沥青混合料大量试验结果的总结 , 提出了评价沥青混合料低温抗裂性能的技术指标及 评价方法。
2 沥青路面低温开裂破坏机理 沥青混凝土路面形成裂缝的主要原因是寒冷季
节周期性变化时所产生的温度应力 ,这个力所做的 功导致一定的能量积累 ,如果该能量达到沥青混凝 土本身容许的极限程度时 ,沥青混凝土就会破坏 ,从 而形成裂缝。
结果见表 7所示。
表 7 不同应力水平蠕变试验结果
沥青种类
胜利 60号 胜利 60号 + 2% SBS
0. 1ef 5. 07× 10- 7
6. 33× 10- 7
应力水平
0. 5 M Pa
1 M Pa
3. 29× 10- 7 3. 77× 10- 7
3. 08× 10- 7 3. 69× 10- 7
则 ,将其换算为应力水平为 0. 1ef 蠕变速率。试验结 果见表 5所示。
2000年 第 5期 郝培文 张登良: 沥青混合料低温抗裂性能评价指标的研究
— 65 —
级配类型
单位应力蠕变速 率× 10- 6 / ( 1 / s /M Pa)
破坏应力 / M Pa 蠕变速率 / ( 1 / s)
Unec a)
)
( 1)
式中: Z为与裂缝尺寸有 关的常数 ; UT 为破坏
时的总应变能 , ( N· mm ) ; Unec 为韧性区储存的弹性
能 ; B 为梁宽 , m m; d 为梁 高 , mm; a 为切 口深度 ,
mm。
当试件的长高比 L /d= 4时 , Une c 可以忽略 , 梁
3 原材料性能及试件制作方法 3. 1 原材料性能 3. 1. 1 沥青
沥青的基本性质见表 1。
表 1 克拉玛依沥青的技术性质
针入度 , 25℃ 延度 , 15℃ 软化点
沥青品种
0. 1 mm
cm
℃
密 度 g /cm3
含蜡量 (蒸馏法 )
%
克拉玛依
92
> 100 49. 9 0. 981 1. 85
100
97
83
68
52
41
30
22
16
11
6
100 95～ 100 65～ 85 50～ 70 30～ 50 18～ 35 12～ 26 7～ 19 4～ 14 3～ 9 2～ 5
100
95
75
60
40
26
19
13
14
100 95～ 100 65～ 85 50～ 70 30～ 50 18～ 35 12～ 26 7～ 19 4～ 14
表 5 蠕变试验结 果 P A1 P A2 P A3 PB1 PB2 PB3 P C1 P C2 P C3 PD1 PD2 PD3 PE1 PE2 P E3
0. 23 0. 38 0. 38 0. 19 0. 36 0. 38 0. 23 0. 41 0. 52 9. 78 9. 84 10. 6 8. 87 9. 67 9. 79 6. 99 8. 21 7. 01 1. 92 5. 47 5. 96 4. 14 7. 40 8. 10 0. 22 0. 37 0. 40 0. 17 0. 35 0. 37 0. 16 0. 34 0. 36
上述结果证明了蠕变速率随应力水平的增加而 增加的很快 ,在应力水平很小的时候蠕变速率也很 小 ,因此建议对于不同级配不同沥青品种混合料 ,可 以将应力水平变为破坏荷载的 10% 即 0. 1ef 。
为了更进一步说明 0. 1ef 应力水平的合理性 , 对胜利 60号沥青及胜利 60号沥青添加 2% SBS的 改 性 沥 青 在 0℃条 件 分 别 做 了 应 力 水 平 为 0. 5 M Pa、 1 M Pa、 2 M Pa及 0. 1ef 的弯曲蠕变试验 ,
配沥青混合料的中线 ,沥青混合料级配组成见表 3 所示。
混合料类型
AC- 16- Ⅰ 密级配
实际值
A
AC- 16- Ⅰ 密级配
实际值
B
AC- 16- Ⅱ 半密级配
实际值
C
AC- 16- Ⅱ 半密级配
实际值
D
表 3 沥青混合料级配组成
通过下列筛孔 ( mm )的质量百分率 /%
19
16
13. 2
9. 5
液压伺服系统试验机 ,试验尺寸 30 mm× 35 mm× 250 m m,试验温度 0℃ ,应力水平 1 M Pa。在进行沥 青混合料低温蠕变试验时 ,发现不同级配类型对蠕 变试验应力水平非常敏感 ,也就是说当采用 1 M Pa 应力加载时 ,对于本研究的 D、 E两种级配均得不到 蠕变稳定阶段 ,因此对于级配 D、 E沥青混合料未进 行蠕变速率计算 ,对于级配 A、 B、 C是按 0℃、 1 M Pa 条件下得到单位应力下蠕变速率再根据 诺尔顿法
际情况 相符合 , 但当 应力水 平变为 0. 5、 1、 2 M Pa
时 ,结果出现相反趋势 ,由此可以说明采用 0. 1ef 应 力水平是合理的。
4. 2 沥青混合料低温性能 J 积分试验结果及分析 4. 2. 1 试验结果
近年来 ,断裂力学在道路工程中应用越来越广 泛 ,美国 SHRP 研究计划提交的“沥青低温性能研 究”报告中 ,首次将弹塑性断裂力学中的断裂判据 J
2 M Pa 9Hale Waihona Puke Baidu 98× 10- 7
6. 13× 10- 7
注: 胜利 60号破坏强度为 14. 32 M Pa,胜利 60号+ 2% SBS破坏
强度为 20. 8 M Pa。
从表 7可以看出 ,当应力水平为 0. 1ef 时 ,胜利 60号+ 2% SBS的蠕变速率大于胜利 60号 ,这与实
响 ,在最佳沥青用量基础上分别增加 0. 5% 和减少 0. 5% ,其油石比见表 4所示。
表 4 试验用沥青用量
级 配 沥青用量 /%
A
B
C
D
E
P A1 P A2 P A3
P B1
P B2
PB3
PC1
PC2
P C3
PD1
PD2
PD3
P E1
PE2
P E3
4. 0 4. 5 5. 0 3. 7 4. 2 4. 7 3. 5 4. 0 4. 5 2. 8 3. 3 3. 8 3. 5 4. 0 4. 5