高模量沥青低温抗裂性能的评价指标

耿 韩， 李立寒， 张 磊， BAHIA Hussain U(1.上海海事大学 交通运输学院， 上海 0106；.同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室， 上海 0180；.哈尔滨工业大学 交通科学与工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150090；.威斯康星大学麦迪逊分校 土木与环境工程系， 威斯康星 麦迪逊 5706)

高模量沥青是高模量沥青混合料的重要组成材料，一般指使用性能分级达到PG76～PG16，60℃剪切复数模量不低于10kPa的道路沥青结合料[1].高模量沥青一般可分为3类：高分子聚烯烃改性沥青、岩沥青改性沥青、硬质沥青[2].低温抗裂性能是影响高模量沥青推广应用的核心问题之一.

国内诸多学者针对高模量沥青材料的低温抗裂性能进行了研究.杜少文[3]研究表明：布敦岩沥青的加入可以增加基质沥青混合料的低温弯曲破坏应变，提高其低温抗裂性能.刘云全等[1,4]研究表明：在路面低温设计温度为-23.5℃的条件下，高分子聚烯烃改性高模量沥青上面层与SBS改性沥青上面层的低温横向裂缝没有显著差异.程箭等[5]研究表明：硬质沥青延度与硬质沥青混合料低温性能无直接相关性，30号硬质沥青混合料用于年极端最低气温不低于-37.0℃的非冬严寒区沥青路面表面层是可行的.一般而言，高模量沥青延度较低、低温蠕变劲度较高，以这2项指标表征的低温抗裂性能不及SBS改性沥青和基质沥青，而这与高模量沥青铺面在中国冬寒区的实际应用效果不符[5-6].因此，采用延度指标、Superpave使用性能评价指标无法准确评价高模量沥青的低温抗裂性能.

为此，本文选取弯曲蠕变劲度试验、单边切口弯曲梁试验，对比研究了蠕变劲度、断裂韧度、断裂能等指标用于评价高模量沥青低温抗裂性能的适用性，以期得出合理、能够反映高模量沥青低温抗裂性能的评价指标.

1 试验

1.1 试验材料

除A-30硬质沥青外，本文选择1种基质沥青(A-70)、3种高模量改性剂(Baoli，PRM，Gilsonite)、1种线性SBS改性剂进行改性沥青配制.A-70基质沥青的使用性能分级为PG64～PG22；Baoli，PRM为产自中国、法国的聚烯烃类改性粒子；Gilsonite为北美岩沥青.进行Baoli，PRM高模量沥青配制时，采用高速剪切机使改性剂逐渐变细，而后采用拌和设备充分搅拌，直至改性剂充分溶于基质沥青.进行Gilsonite岩沥青改性沥青配制时，先使岩沥青通过0.075mm 孔径筛，而后直接采用搅拌机拌和，直至其充分溶于基质沥青.改性剂均为外掺，其掺量(改性剂质量与基质沥青质量的百分比，下同)按照工程实践中的推荐掺量选取，Baoli，PRM，Gilsonite的掺量分别为9.0%，9.0%，10.0%，对应的高温性能分级分别为PG94，PG94，PG76；SBS的掺量分别为4.0%(推荐掺量)，13.5%(PG 94对应的掺量).沥青的高温性能分级、60℃复数剪切模量G*见表1.

表1 沥青的技术指标Table 1 Technical requirements of asphalt binders

石料为石灰岩，填料为石灰岩矿粉.混合料采用Superpave-19.0型级配，级配组成见表2.制备混合料时，外掺剂采用湿法投放，设计沥青用量为5.5%(质量分数)，按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》用轮碾仪将沥青混合料制成30cm×30cm ×5cm的车辙板，再切制成规定尺寸的小梁试件.

表2 沥青混合料合成级配组成Table 2 Gradation of asphalt mixtures

1.2 沥青弯曲蠕变劲度试验

弯曲蠕变劲度试验(BBR)按照JTG E20—2011进行，试件尺寸(长×宽×高)为127.00mm×6.35mm×12.70mm，试验温度为0，-6，-12℃.试验时，对梁施加0.980N的荷载240s，用位移传感器测量其挠度；240s后卸去荷载.评价指标为加载时间60s的蠕变劲度和双对数坐标下的蠕变斜率.二者分别采用式(1)，(2)进行计算[7].在Superpave胶结料规范中，较小的蠕变劲度(S值)和较大的蠕变斜率(m值)表征较优的低温抗裂性能，以S≤300MPa，m≥0.300作为低温使用性能的分级标准[8].

S(t)=PL3/4bh3δ(t)

(1)

(2)

式中：S(t)为t时刻的蠕变劲度，Pa；m(t)为t时刻蠕变斜率的绝对值；P为施加的荷载，N；L为梁支撑间距，0.102m；b为梁宽度，m；h为梁高度，m；δ(t) 为t时刻梁的挠度，m.

1.3 沥青单边切口弯曲梁试验

1.3.1试件制作

单边切口弯曲梁(SENB)试验采用改造后的BBR模具成型沥青梁.首先，在模具中点沿高度方向切出3.0mm深、0.1mm宽的缝隙；然后，将2片厚度均为0.05mm的塑料板置于缝隙当中；最后，在模具中浇筑沥青材料，冷却脱模后，即可进行试验.脱模后2片塑料片不再取出，起到防止切缝两侧沥青粘连的作用.

1.3.2试验方法与评价指标

单边切口弯曲梁试验参照ASTM E399进行，试验温度为-12℃，加载速率为0.01mm/s.图1，2为试验及加载曲线示意图.评价指标为断裂荷载Pf，N；断裂挠度Df，mm；断裂韧度KIC，N/m3/2；断裂能Gf，J/m2.断裂韧度、断裂能分别采用式(3)，(4)进行计算[9-10].公式中的沥青梁尺寸、支撑间距与BBR试验相同.

(3)

(4)

式中：f(a/h)为与裂缝深度a、梁高度h相关的常数，文中取为1.292；Wf为试件断裂之前荷载所做的功，即图2中加载曲线下的阴影面积，J.

图1 单边切口弯曲梁试验示意图Fig.1 Schematic of single-edge notch bending test

图2 单边切口弯曲梁试验加载曲线Fig.2 Force-displacement curve of single-edge notch bending test

1.4 沥青混合料小梁低温弯曲试验

低温弯曲试验按照JTG E20—2011进行.利用材料试验机(MTS810)进行试验，小梁试件尺寸为50mm×50mm×250mm，跨径为200mm，试验温度为-10℃，加载速率为50mm/min.评价指标为弯拉强度、极限弯拉应变和临界弯曲应变能.其中，临界弯曲应变能为应力-应变曲线下方、低于峰值应力一侧的面积，数值越大，混合料抗裂性能越好[11].

2 试验结果与分析

2.1 弯曲蠕变劲度试验结果分析

2.1.1蠕变劲度与蠕变斜率

沥青的蠕变劲度和蠕变斜率试验结果见图3.如图3(a) 所示，高模量沥青的蠕变劲度显著高于SBS改性沥青和基质沥青，其蠕变劲度由高到低的排序为：Gilsonite岩沥青改性沥青、A-30硬质沥青、聚烯烃(Baoli，PRM)改性沥青.如图3(b)所示，高模量沥青的蠕变斜率(m值)显著低于SBS改性沥青和基质沥青，其m值由高到低的排序同样为：Gilsonite岩沥青改性沥青、A-30硬质沥青、聚烯烃改性沥青.试验结果说明：当路面温度降低导致相同的收缩应变时，高模量沥青所承受的温度应力较高、应力松弛能力较差.若以蠕变劲度和蠕变斜率进行评价，则高模量沥青的低温抗裂性能不及SBS改性沥青和基质沥青.

图3 沥青蠕变劲度和蠕变斜率Fig.3 Creep stiffness and m value of asphalt binders

2.1.2连续低温分级温度

图4为由蠕变劲度、蠕变斜率的低温分级标准(S=300MPa，m=0.300)计算得到的沥青连续低温分级温度.如图4所示，由蠕变斜率计算得到的分级温度较高，各类沥青的连续低温分级温度由高到低依次为：高模量沥青、SBS改性沥青、基质沥青.3类高模量沥青的低温分级温度差异不大，均在-17.0～-15.6℃ 之间.试验结果与高模量沥青在中国冬寒区(极端气温-37.0～-21.5℃)的工程实践效果不相符[1,4-5]，因此，蠕变劲度和蠕变斜率这2项指标无法准确评价高模量沥青的低温抗裂性能.

2.2 单边切口弯曲梁试验结果分析

单边切口弯曲梁试验结果见图5.

如图5(a)，(b)所示，断裂荷载Pf排序与断裂韧度KIC排序一致，Baoli及PRM改性沥青的断裂荷载、断裂韧度均高于SBS改性沥青和基质沥青，但Gilsonite岩沥青改性沥青、A-30硬质沥青的断裂荷载低于SBS改性沥青和基质沥青.Baoli，PRM改性沥青的断裂荷载为13.5%掺量的SBS改性沥青的1.4，1.8倍.

图4 沥青连续低温分级温度Fig.4 Continuous low-temperature grading temperatures of asphalt binders

如图5(c)所示，4种高模量沥青的断裂挠度Df均低于13.5%掺量的SBS改性沥青.

由试验结果可知，高模量沥青的断裂荷载和断裂韧度较高，但断裂挠度较低.单以断裂荷载或断裂韧度进行评价，将高估高模量沥青的低温抗裂性能.反之，单以断裂挠度评价，将低估高模量沥青的低温抗裂性能.断裂能Gf则综合考虑了断裂时的荷载大小和抗变形能力，可以比较全面地评价高模量沥青材料的低温抗裂性能.

图5 单边切口弯曲梁试验结果Fig.5 SENB test results

如图5(d)所示，以断裂能进行评价，Baoli，PRM改性沥青的低温抗裂性能优于4.0%掺量的SBS改性沥青；Gilsonite岩沥青改性沥青、A-30硬质沥青的低温抗裂性能不及4.0%掺量的SBS改性沥青和A-70基质沥青.因此，断裂能可较好地区分Baoli, PRM和Gilsonite岩沥青这3种高模量沥青低温抗裂性能的差异.

2.3 低温性能评价指标比较分析

图6给出了蠕变劲度与其他评价指标的相关性.如图6(a)，(b)所示，蠕变劲度S与断裂韧度KIC,断裂能Gf无显著的相关性.如图6(c)，(d)所示，蠕变劲度S与Pf/Df(断裂荷载与断裂挠度的比值)呈一定的正相关性，蠕变劲度S与断裂挠度Df呈一定的负相关性.试验结果说明：蠕变劲度与单边切口小梁弯曲试验中荷载-挠度曲线斜率的大小正相关，与断裂能不显著相关.在断裂韧度相近的情况下，蠕变劲度可作为沥青低温抗裂性能的间接评价指标.由于文中讨论的3种高模量沥青的断裂韧度存在较大差异，因此采用蠕变劲度这一指标无法准确评价高模量沥青的低温抗裂性能.

图6 低温抗裂性能评价指标相关性分析Fig.6 Correlation analysis between low temperature cracking resistance indicators

2.4 沥青混合料小梁低温弯曲试验验证

表3给出了5种Superpave -19.0型沥青混合料的小梁低温弯曲试验结果.由表3可知，各种沥青混合料的弯拉强度存在较大差异，对其低温抗裂性能的影响不可忽略.因此，文中采用临界弯曲应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性能，综合考虑了弯拉应变和弯拉强度对沥青混合料低温抗裂性能的影响，临界弯曲应变能较大的沥青混合料具有较优的低温抗裂性能[11].

表3 沥青混合料低温弯曲试验结果Table 3 Results of asphalt mixtures bending test

表3中，5种沥青混合料的临界弯曲应变能由大到小排序为：PRM改性沥青混合料、SBS改性沥青混合料、A-70基质沥青混合料、Gilsonite岩沥青改性沥青混合料、A-30硬质沥青混合料.此低温性能排序与以断裂能表征的沥青低温抗裂性能排序一致，在一定程度上验证了单边切口弯曲梁试验的断裂能指标用于评价高模量沥青低温抗裂性能的可行性.

3 结论

(1)在断裂韧度相近的情况下，蠕变劲度与断裂挠度呈一定的负相关性，可作为沥青低温抗裂性能的间接评价指标.高模量改性沥青的断裂韧度存在较大差异，因此采用蠕变劲度无法准确评价其低温抗裂性能.

(2)单边切口弯曲梁试验的断裂能对于高模量沥青的低温抗裂性能有较好的区分度，以其确定的沥青低温抗裂性能排序与以临界弯曲应变能确定的沥青混合料低温抗裂性能排序一致，建议以单边切口弯曲梁试验的断裂能作为高模量沥青的低温抗裂性能评价指标.

(3)在工程应用的推荐掺量下，以断裂能进行评价，外掺PRM(质量分数为9.0%)和Baoli(质量分数为9.0%)的高模量沥青低温抗裂性能优于SBS改性沥青(SBS外掺，质量分数为4.0%)；Gilsonite岩沥青改性沥青(Gilsonite岩沥青外掺，质量分数为10.0%)、A-30硬质沥青的低温抗裂性能不及A-70基质沥青.

(4)低温抗裂性能是高模量沥青在中国冬寒区(-37.0～ -21.5℃)应用的重要影响因素之一，鉴于不同种类高模量沥青的低温抗裂性能存在显著差异，建议通过沥青试验、沥青混合料试验对高模量沥青材料的低温抗裂性能进行综合评价，以保证其应用效果.

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