關(guān)鍵詞：道路工程 | 瀝青混合料 | 高寒大溫差 | 低溫性能 | TSRST | 低溫彎曲

我國高寒大溫差地區(qū)具有氣候寒冷、低溫持續(xù)時間長、溫差大等氣候特點，這些自然條件造成該區(qū)域的瀝青混凝土路面普遍存在嚴(yán)重開裂等病害現(xiàn)象，再加上自然因素中強紫外線的作用，使得路面瀝青面層常出現(xiàn)過早老化，大大影響了路面的使用壽命。

韋佑坡[1]針對青藏地區(qū)的高寒、大溫差等特殊氣候特點，進行瀝青混合料室內(nèi)彎拉強度試驗，研究了瀝青混合料彎拉強度受級配、油石比、溫度等因素影響的變化規(guī)律；郭博、李東慶等[2-3]針對大溫差地區(qū)瀝青混合料材料組成因素的變化對其高低溫性能、水穩(wěn)定性等的影響，提出了影響混合料高低溫性能因素敏感性的順序；詹永祥等[4]應(yīng)用熱-力耦合求解技術(shù)，對瀝青路面在低溫大溫差作用下的溫度應(yīng)力表面裂縫問題進行了數(shù)值分析，表明大溫差是高寒地區(qū)瀝青路面損傷的重要原因；LuoX等[5]分析了路面隨溫度疲勞作用次數(shù)增da而損傷程度加大的疲勞機理，建立了相應(yīng)的溫度疲勞壽命方程；Xiap F等[6]將溫度疲勞視為熱疲勞和低溫開裂的共同作用結(jié)果；彭水根[7]以拉薩至貢嘎機場高速公路為依托，以抗低溫開裂、抗老化、抗凍融等要求為主，提出了滿足西藏地區(qū)高等級瀝青路面使用要求的瀝青種類選擇以及混合料礦料級配范圍；張毅[8]對短期老化和長期老化后的瀝青混合料進行了0℃彎曲試驗和-10℃彎曲試驗研究，分析了不同老化狀態(tài)下瀝青混合料的低溫抗裂性能；郝培文等[9]利用低溫抗裂系數(shù)來評價瀝青混合料的抗裂性能，抗裂系數(shù)值越大，低溫抗裂性能越好；馬骉等[10]通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗及車轍試驗等，分析了瀝青種類、級配類型等對青藏高寒地區(qū)瀝青混合料水穩(wěn)定性及高溫性能的影響。上述研究表明，高寒大溫差條件對瀝青混合料性能有著顯著的影響。目前高寒大溫差地區(qū)瀝青混合料低溫性能的研究多采用低溫彎曲試驗，與區(qū)域氣候特征關(guān)聯(lián)度低且評價指標(biāo)較為單一，而針對高寒、大溫差以及降溫速率等因素綜合作用下瀝青混合料低溫性能的系統(tǒng)研究較少。

基于此，通過模擬高寒大溫差條件，變化瀝青類型、用量、級配等因素制備多種瀝青混合料，利用約束試件溫度應(yīng)力試驗(TSRST)、低溫彎曲試驗、凍融劈裂試驗等研究瀝青混合料在高寒大溫差條件作用下低溫性能的變化規(guī)律，分析混合料類型、瀝青用量及降溫速率對高寒大溫差條件下混合料低溫性能的影響，為高寒大溫差地區(qū)瀝青路面面層混合料的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

原材料及試驗方案

原材料

研究采用的基質(zhì)瀝青為SK110號A級道路石油瀝青，改性瀝青為I-C類SBS改性瀝青及SBR改性瀝青。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)對瀝青性能進行檢測，主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

粗集料采用玄武巖碎石，細(xì)集料采用03mm機制砂，填料采用石灰石礦粉。粗、細(xì)集料及礦粉各項技術(shù)指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)要求。

級配設(shè)計

研究選用AC-13、AC-16及SMA-13等3種瀝青混合料類型，設(shè)計級配見表2。

AC-13采用基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青及SBR改性瀝青制備瀝青混合料；AC-16采用基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青制備瀝青混合料；SMA-13采用SBS改性瀝青制備瀝青混合料。通過馬歇爾試驗確定不同瀝青混合料的zui佳油石比，得到基質(zhì)瀝青AC-13、SBS改性AC-13及SBR改性AC-13瀝青混合料zui佳油石比分別為5.1%、5.2%、5.3%；基質(zhì)瀝青AC-16、SBS改性AC-16瀝青混合料zui佳油石比分別為4.7%、5.1%；SBS改性SMA-13瀝青混合料zui佳油石比分別為6.4%。

試驗方案

研究采用約束試件溫度應(yīng)力試驗(TSRST)、低溫彎曲試驗及凍融劈裂試驗評價瀝青混合料低溫性能。

(1)瀝青混合料約束試件溫度應(yīng)力試驗

試驗分為3組，每組均包含6種瀝青混合料。3組試驗初始溫度均設(shè)定為10℃，等溫度穩(wěn)定后進行試驗，使用自增壓液氮罐進行降溫，降溫速率分別為5℃/h、10℃/h和、15℃/h。試驗降溫zui低達到-50℃，在降溫過程中，試件斷裂則試驗停止，測試瀝青混合料的凍斷溫度、凍斷應(yīng)力及轉(zhuǎn)化點溫度。

(2)切口小梁低溫彎曲試驗

對于SBS改性AC-13、SBS改性AC-16及SBS改性SMA-13等3種瀝青混合料制備的小梁試件進行預(yù)切縫處理，切縫深度分別為0mm、4mm、8mm、12mm及16mm共5種，試驗溫度分別為20℃、10℃、0℃、-10℃和-20℃，試驗加載速率為50mm/min，測試抗彎拉強度及zui大彎拉應(yīng)變。

(3)凍融劈裂試驗

以SBS改性AC-13為研究對象，將試件分為3組：一組和二組按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行標(biāo)準(zhǔn)凍融劈裂試驗，三組是將試件放置于-35℃的低溫條件下16h，取出放置于50℃恒溫環(huán)境中24h，往復(fù)10個循環(huán)，測試劈裂抗拉強度和凍融劈裂試驗強度比。

試驗結(jié)果及分析

低溫應(yīng)力約束試驗(TSRST)

對基質(zhì)瀝青AC-13、SBS改性AC-13、SBR改性AC-13、基質(zhì)瀝青AC-16、SBS改性AC-16、SBS改性SMA-13等6種瀝青混合料，按照5℃/h、10℃/h和、15℃/h的降溫速率分3組進行約束試件溫度應(yīng)力試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

由表3可以看出，不同條件下瀝青混合料的凍斷溫度、凍斷應(yīng)力及轉(zhuǎn)化點溫度3項指標(biāo)總體具有相似的趨勢，選取凍斷溫度指標(biāo)對瀝青混合料的低溫性能進行詳細(xì)論述。

(1)混合料類型對凍斷溫度存在顯著影響。SMA類瀝青混合料凍斷溫度低于AC類瀝青混合料，AC-13混合料凍斷溫度低于AC-16瀝青混合料。這是由于SMA瀝青混合料屬于骨架密實結(jié)構(gòu)，既有一定數(shù)量的粗集料形成骨架結(jié)構(gòu)，又有足夠的細(xì)集料填充到粗集料中間，粗集料多、礦粉多、瀝青用量高，因此其較AC類瀝青混合料具有更優(yōu)的低溫性能。對于AC-16和AC-13而言，礦料級配越細(xì)，低溫抗裂性能越佳，因此AC-13瀝青混合料凍斷溫度低于AC-16瀝青混合料。

(2)瀝青類型對混合料低溫性能有顯著性影響。其中基質(zhì)瀝青的凍斷溫度要高于改性瀝青，3種瀝青的凍斷溫度由高到低依次為：基質(zhì)瀝青＞SBR＞SBS。這是因為改性瀝青相對基質(zhì)瀝青黏度較大，在低溫條件下的韌性優(yōu)于基質(zhì)瀝青，此外改性瀝青賦予瀝青混合料的黏滯阻力也相對較大，可使瀝青與集料的黏結(jié)力提高，因此改性瀝青的低溫性能要優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。

(3)降溫速率對凍斷溫度存在一定影響，但影響幅度較小。隨著降溫速率的增加，混合料的凍斷溫度呈現(xiàn)上升的趨勢，這是由于隨著降溫速率越大，應(yīng)力在混合料中進行聚集的速率越快，混合料來不及通過變形而釋放產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，則其斷裂發(fā)生的就越快。

切口小梁低溫彎曲試驗

(1)荷載撓度曲線分析

在試驗溫度為-10℃條件下不同切口深度的小梁荷載撓度曲線如圖1圖3所示。

由圖1圖3可以看出，隨著切口深度變化，3種瀝青混合料的荷載位移曲線變化速率未出現(xiàn)明顯變化，說明混合料抗變形能力及低溫抗裂性能與切口深度無明顯相關(guān)性。從試件破壞時位移看，3種瀝青混合料在未切口或切口深度較淺時，試件破壞時位移呈現(xiàn)離散狀態(tài)，而隨著切口深度加深，位移則趨于集中。從試件破壞時荷載看，3種瀝青混合料破壞荷載排序在不同切口深度下呈現(xiàn)較高的一致性，即SMA-13＞AC-13＞AC-16。

小梁切口深度為4mm的3種瀝青混合料在不同試驗溫度條件下的荷載撓度曲線如圖4圖6所示。

由圖4圖6可看出，隨著溫度降低，荷載位移曲線變化速率增快，混合料由黏彈性向彈性過渡，在-20℃時，AC-13及AC-16均發(fā)生了脆斷。3種瀝青混合料在低溫時，荷載位移曲線形態(tài)差異大，隨溫度增高，在試件破壞前曲線趨于重合，說明3種瀝青混合料低溫時變形能力及低溫抗裂性能差異較大，而高溫時其變形能力差距縮小。從不同溫度時荷載位移曲線變化趨勢、破壞時zui大荷載及位移分析，混合料低溫性能SMA-13＞AC-13＞AC-16。

(2)抗彎拉強度分析

小梁切口深度為4mm時，不同試驗溫度下3種瀝青混合料的抗彎拉強度如圖7所示。

由圖7可以看出：AC-13、AC-16、SMA-13等3種瀝青混合料抗彎拉強度具有相似的溫度相關(guān)性，即當(dāng)加載速度一定時，隨試驗溫度降低呈現(xiàn)出先增da后減小的趨勢。在-20℃～-10℃區(qū)間內(nèi)，隨溫度升高彎拉強度增da；在-10℃～10℃區(qū)間內(nèi)，隨溫度升高抗彎拉強度減??；在10℃～20℃區(qū)間內(nèi)，隨溫度升高抗彎拉強度減小，且減小速率較快。-20℃10℃時，抗彎拉強度AC-16＜AC-13＜SMA-13。

試驗溫度為-10℃時，不同切口深度條件下3種瀝青混合料的抗彎拉強度如圖8所示。

由圖8可看出，瀝青混合料抗彎拉強度隨著切口深度的增da呈現(xiàn)減小的趨勢，且3種瀝青混合料的差距也在逐步縮小。

(3)zui大彎拉應(yīng)變分析

小梁切口深度為4mm時，不同試驗溫度下3種瀝青混合料的zui大彎拉應(yīng)變?nèi)鐖D9所示。

由圖9可以看出，隨著溫度降低，AC-13、AC-16、SMA-13等3種瀝青混合料破壞時zui大彎拉應(yīng)變均逐漸減小，其中10℃20℃區(qū)間下降速率zui快，可認(rèn)為10℃～20℃為zui大彎拉應(yīng)變的溫度敏感區(qū)間。這是由于隨著溫度降低，混合料勁度模量增da，剛度變大，其受力后形變量減小。破壞時zui大拉應(yīng)變SMA-13zui大、AC-13其次、AC-16zui小，進一步驗證了瀝青混合料低溫性能SMA-13＞AC-13＞AC-16。

凍融劈裂試驗

SBS改性AC-13瀝青混合料凍融劈裂試驗結(jié)果如表4所示。

由表4知，第三組試件劈裂強度較第二組劈裂抗拉強度值明顯降低，說明高寒大溫差條件對瀝青混合料強度及水穩(wěn)定性有顯著的影響。

結(jié)語

通過低溫約束凍斷試驗、切口小梁低溫彎曲試驗及凍融劈裂試驗，研究了不同混合料類型、瀝青類型、降溫速率等因素對高寒大溫差條件下瀝青混合料低溫性能的影響，主要結(jié)論如下。

(1)綜合凍斷溫度、抗彎拉強度、zui大彎拉應(yīng)變及劈裂強度等指標(biāo)，瀝青混合料低溫性能試驗結(jié)果具有較好的一致性。

(2)在高寒大溫差作用條件下，瀝青混合料類型對其低溫性能具有顯著影響，SMA類瀝青混合料凍斷溫度低于AC類瀝青混合料，3種混合料的低溫性能由高到低依次為SMA-13＞AC-13＞AC-16。

(3)瀝青類型對瀝青混合料低溫性能存在顯著性影響；其中基質(zhì)瀝青的凍斷溫度要高于改性瀝青，3種瀝青制備的瀝青混合料低溫性能由高到低依次為SBS改性瀝青＞SBR改性瀝青＞基質(zhì)瀝青。

(4)隨著溫度降低，瀝青混合料破壞時zui大彎拉應(yīng)變逐漸減小，其中10℃20℃區(qū)間下降速率zui快，10℃20℃為zui大彎拉應(yīng)變的溫度敏感區(qū)間，破壞時zui大拉應(yīng)變SMA-13＞AC-13＞AC-16，進一步驗證了3種瀝青混合料低溫性能的優(yōu)劣。

(5)凍融劈裂試驗結(jié)果表明高寒大溫差條件對瀝青混合料強度及水穩(wěn)定性具有顯著的影響。

參考文獻：

[1]韋佑坡.高原寒冷地區(qū)瀝青混合料彎拉強度影響因素研究[J].西部交通科技,2009,23(5):5-7.

[2]郭博,高妮,等.大溫差地區(qū)瀝青混合料材料組成因素對路用性能的影響[J].筑路機械與施工機械化,2007(11):81-85.

[3]李東慶,孟慶洲,房建宏,等·瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能的試驗研究[J].公路,2007,(12):145-147.

[4]詹永祥,等.表面含裂縫瀝青路面低溫收縮斷裂分析交通科學(xué)與工程[J].交通科技與工程,2010,26(3)21-24.

[5] Luo X,Luo R,Lytton R L, Characterization of fatigue damage in asphalt mixtures using pseudostrain energy[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2012.

[6]Xiao F,Zhao W,Amirkhanian S N, Laboratory investigation of fatigue characteristics of rubberized asphalt mixtures containing warm asphalt additives at a low temperature[J].Journal of Testing and Evaluation,2011,39(2):1.

[7]彭水根.拉薩至貢嘎機場高速公路瀝青路面混合料路用性能研究[D].西安:長安大學(xué),2013.

[8]張毅.多年凍土地區(qū)瀝青混合料低溫抗裂性能及配合比設(shè)計方法研究[D].西安:長安大學(xué),2004.

[9]郝培文,張登良.瀝青混合料低溫抗裂性能評價指標(biāo)的研究[J].公路,2000，(5):63-67

[10]馬骉,周雪艷,等.青藏高寒地區(qū)瀝青混合料的水穩(wěn)定性與高溫性能研究[J].冰川凍土,2015,37(1):177-181.

全文完 發(fā)布于《公路》2021年7月

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設(shè)備名稱：多測試位瀝青混合料溫度約束試樣測試系統(tǒng)TSRST-Multi

型       號：B282-10

制  造  商：意大利Matest-澳大利亞PAVETEST公司

約束試樣溫度應(yīng)力試驗機 (TSRST) 用于確定瀝青混凝土低溫斷裂的敏感性，早在1990年TSRST由OEM與俄勒岡州立大學(xué) (OSU) 研發(fā)，作為美國戰(zhàn)略高速研究計劃SHRP的一部分。測試方法演變?yōu)?AASHTO TP10 規(guī)范，TSRST測試也被納入EN12697-46 歐洲規(guī)范，規(guī)范選擇單位拉伸測試表征瀝青混合料抵抗低溫斷裂能力。

單軸拉伸測試的結(jié)果可用于下列測試評估：

▍指定溫度的拉伸強度，采用單軸拉伸應(yīng)力試驗 (UTST) 

▍在斷裂破壞前，瀝青可以承受的低溫度，采用約束試樣溫度應(yīng)力試驗 (TSRST) 

▍指定溫度下的拉伸強度儲備，采用TSRST和UTS測試組合

▍松弛時間，使用松弛試驗 (RT）

▍蠕變曲線反算流變參數(shù) , 采用拉伸蠕變實驗 (TCT)

▍通過低溫和機械加載測定低溫疲勞試驗?zāi)芰?, 采用單軸循環(huán)拉伸應(yīng)力實驗 (UCTST)

產(chǎn)品特點

▍三個測試工位 (伺服電機或伺服液壓) 

▍伺服液壓作動器：30kN 靜態(tài)，25kN 動態(tài)，使用長壽命迷宮軸承、耐疲勞、等面積型雙向作動器 

▍液壓動力：變頻驅(qū)動 (VFD)2.2kW 油泵電機，轉(zhuǎn)速按需調(diào)整 

▍可以克隆、修改或產(chǎn)生用戶自己的適應(yīng)特定需求的測試方法文件 

▍可編程測試“向?qū)А?，指?dǎo)用戶一步一步完成試驗 

▍可做以下測試 : 

● 單軸拉伸應(yīng)力實驗 (UTST)

● 約束試樣溫度應(yīng)力實驗 (TSRST)

● 松弛時間，采用松弛試驗 (RT)  

● 拉伸蠕變試驗 (TCT)  

● 單軸循環(huán)拉伸并驗 (UCTST)

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