沥青混合料低温性能影响因素研究

王善兴

(中国铁建十八局集团，河北 涿州 072750)

目前，针对沥青路面低温开裂问题，部分学者针对沥青混合料低温路用性能进行了一定研究.崔亚楠[1]、刘沅[2]等研究发现胶粉改性沥青混合料低温抗裂性能良好，适合北方地区道路.王如先[3]研究发现天然沥青改性90#基质沥青及混合料低温性能满足设计要求.乐金朝[4]等研究发现Sasobit改性剂可明显改善沥青混合料低温性能，Sasobit改性剂最佳掺量为3.0%.张洋[5]等研究表明橡胶改性沥青混合料低温路用性能优于SBS改性混合料.杨国明[6]等研究了不同型号SBS改性剂的改性沥青低温性能，发现线型SBS提升沥青低温性能显著.龙新跃[7]等研究表明采用环氧树脂∶固化剂为3:1、环氧体系∶基质沥青为45∶55制备的环氧沥青混合料低温路用性能最佳.傅珍[8]等研究表明增塑剂明显提升沥青混合料低温柔韧性.以上研究主要对单一沥青混合料进行低温性能研究，而不同沥青之间组分存在部分差异，且矿料级配对沥青混合料低温性能产生较大影响.同时，沥青混合料多采用小梁弯曲试验和冻融试验评价其低温性能，对于约束试件温度应力试验研究较少.另外，5℃延度与脆点评价沥青低温性能具有一定局限性[9-10]，而弯曲梁流变试验能更好反应低温环境下沥青路面低温性能变化.对此，基于现有沥青及其混合料低温性能研究成果，笔者采用弯曲梁流变试验、约束试件温度应力试验和小梁弯曲试验系统研究了沥青和级配类型对沥青混合料低温性能影响规律，并对沥青和沥青混合料低温性能关联性进行了分析.

1 原材料与研究方案

1.1 原材料

基质沥青选用茂名70#、90#基质沥青，改性沥青选用SBS改性沥青和橡胶改性沥青，技术性质见表1和表2.粗集料选用玄武岩，细集料选用机制砂，集料技术性质见表3和表4.填料选用石灰岩矿粉，技术性质见表5.纤维选用玄武岩纤维，掺量为0.3%，技术性质见表6.

表1 基质沥青技术性质

表2 改性沥青技术性质

表3 粗集料技术性质

表4 细集料技术性质

表5 矿粉技术性质

表6 玄武岩纤维技术指标

1.2 混合料配合比设计

分别设计AC-13和SMA-13两种混合料级配，见表7.采用马歇尔试验方法确定混合料最佳沥青用量，见表8.

表7 沥青混合料试验级配

表8 沥青混合料最佳沥青用量

1.3 研究方案

结合当前沥青路面常用沥青和混合料级配，研究沥青和级配对沥青混合料低温抗裂性能影响规律.

(1)沥青低温性能

基于弯曲梁流变试验评价70#基质沥青、90#基质沥青、SBS改性沥青和橡胶改性沥青低温性能.试验仪器采用弯曲梁流变试验机，试验温度拟-5℃、-8℃、-10℃、-13℃、-15℃和-18℃.试件尺寸为127mm×6.35mm×12.7mm，试验前将试件放入已设置试验温度的恒温浴中，恒温保持60±5min.每组试验采用两个平行试件.

(2)沥青混合料低温性能

根据沥青路面在低温环境下受力状态及破坏情况，选用约束试件温度应力试验、小梁弯曲试验分析沥青和混合料级配对沥青混合料低温抗裂性能影响规律.约束试件温度应力试验采用APTTS材料试验机，拟试验初始温度为20℃，降温速率为10℃/h，试件尺寸为50mm×50mm×30mm；当试验过程中试件断裂，结束试验.小梁弯曲试验采用万能试验机UTM-100，拟试验温度为-10℃、-20℃，加载速率为50mm/min，试件尺寸为250mm×30mm×35mm.

图1 弯曲梁流变试验机

图2 APTTS材料试验机

2 试验结果与分析

2.1 沥青低温性能

四种沥青弯曲梁流变试验结果见图3和图4.图中劲度模量和蠕变速率均为60s时的试验结果.

图3 不同温度下的劲度模量

图4 不同温度下的蠕变速率

由图3和图4可知：

(1)随试验温度降低，四种沥青劲度模量变化趋势相近，劲度模量与试验温度呈反相关，试验温度越低，沥青劲度模量越大.且任一试验温度下，四种沥青劲度模量均能满足SHRP规范中劲度模量s≤300MPa的要求.同一试验温度下，橡胶改性沥青劲度模量最小，SBS改性沥青次之，而70#基质沥青劲度模量最大且已发生低温开裂，说明改性沥青低温性能良好.

(2)四种沥青蠕变速率与试验温度变化关系基本一致，蠕变速率与试验温度呈正相关，试验温度越低，沥青蠕变速率越小.且SBS改性沥青和橡胶改性沥青蠕变速率满足SHRP规范中蠕变速率m≥0.3的要求，而基质沥青在-18℃时的蠕变速率不满足要求.同一试验温度下，SBS改性沥青蠕变速率最小，橡胶改性沥青次之，而90#基质沥青蠕变速率最大，说明改性沥青具有良好的低温抗裂性能，抗松弛能力强.

(3)根据SHRP规范，可确定基质沥青与改性沥青低温等级分别为-22℃和-28℃.

2.2 沥青混合料低温性能

2.2.1 约束试件温度应力试验

不同沥青混合料约束试件温度应力试验结果见下表9.

由上表9可知：

(1)相同试验条件下，沥青混合料AC-13、SMA-13低温断裂温度范围分别为-31℃～-26℃、-34℃～-27℃，且沥青混合料SMA-13冻断温度均低于混合料AC-13冻断温度，混合料SMA-13冻断应力均大于AC-13冻断应力，说明级配SMA-13更有利于保证沥青混合料低温性能，而不同级配类型对沥青混合料冻断温度和应力影响存在差异，其中级配类型对SBS改性沥青混合料影响显著，相比于混合料AC-13，混合料SMA-13，冻断温度降低了9.1%、冻断应力提高了9.1%；级配类型分别为AC-13、SMA-13时，70#基质沥青混合料冻断温度与应力均最低，且两者冻断温度与应力基本无变化.

(2)与相同级配类型的沥青混合料相比，改性沥青混合料低温性能更优，SBS改性沥青混合料AC-13、SMA-13冻断温度分别比70#基质沥青混合料AC-13、SMA-13冻断温度降低了3.9℃、6.5℃，其冻断应力比70#基质沥青混合料AC-13、SMA-13冻断应力分别提高了11.1%和10.8%.

表9 沥青混合料约束试件温度应力试验结果

2.2.2 小梁弯曲试验

不同沥青混合料小梁弯曲试验见表10和表11.

表10 沥青混合料小梁弯曲试验结果(-10℃)

表11 沥青混合料小梁弯曲试验结果(-20℃)

由表10和表11可知：

(1)相同级配类型和试验温度下，改性沥青混合料弯拉强度与弯拉应变均大于基质沥青混合料，其中SBS改性沥青混合料弯拉应变最大，70#基质沥青混合料弯拉应变最小，说明改性沥青混合料低温抗裂性较优.另外，SBS改性沥青混合料AC-13、SMA-13弯拉强度和弯拉应变至少分别提高8.4%和9.6%.

(2)试验温度为-10℃时，基质(改性)沥青混合料满足高等级沥青路面低温性能要求，而试验温度变为-20℃后，70#基质沥青混合料AC-13不满足沥青路面低温性能要求，且同类型沥青混合料弯拉强度和弯拉应变至少分别降低7.9%、18.2%.这是因为温度降低，沥青抗变形能力降低，导致沥青混合料脆性增加、低温性能降低.

2.3 沥青关联度分析

灰色关联度分析法(Grey Relational Analysis)是灰色系统分析方法的一种.是根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，亦即“灰色关联度”，作为衡量因素间关联程度的一种方法，灰色系统理论提出了对各子系统进行灰色关联度分析的概念，意图透过一定的方法，去寻求系统中各子系统(或因素)之间的数值关系.因此，可基于灰色关联度理论，以沥青混合料冻断温度为参考数列，对不同试验温度下的沥青蠕变速率及沥青混合料小梁弯曲试验结果与沥青混合料冻断温度进行灰关联分析，关联度见表12和表13.

表12 沥青与沥青混合料AC-13试验结果

表13 沥青与沥青混合料SMA-13试验结果

由表12～表13可知，各类沥青混合料弯拉强度与冻断温度关联性最好，关联度均在0.85以上；其次为-10℃下的蠕变速率，关联度均在0.75以上，这说明采用-10℃下的蠕变速率可以很好地表征沥青混合料的低温性能，建议采用-10℃下的蠕变速率表征沥青混合料低温路用性能.另外，相同试验温度下的沥青蠕变速率与沥青混合料AC-13冻断温度的关联度均大于沥青蠕变速率与沥青混合料SMA-13冻断温度的关联度，说明沥青蠕变速率能更好地表征沥青混合料AC-13低温性能.

3 结论

通过对基质沥青和改性沥青及其混合料AC-13、SMA-13的低温性能进行室内试验，得到以下结论：

(1)基质沥青和改性沥青的劲度模量与温度呈负相关、蠕变速率与试验温度呈正相关，且任一试验温度下，SBS改性沥青和橡胶改性沥青的劲度模量、蠕变速率均满足SHRP规范要求.同一试验温度下，橡胶改性沥青劲度模量最小，SBS改性沥青蠕变速率最小.另外，根据SHRP规范确定基质沥青与改性沥青低温等级分别为-22℃和-28℃.

(2)同一试验条件下，沥青和级配类型对沥青混合料影响存在差异.相比于混合料AC-13，混合料SMA-13冻断温度降低了9.1%、冻断应力提高了9.1%，70#基质沥青混合料AC-13、SMA-13冻断温度与应力基本无变化；SBS改性沥青混合料AC-13、SMA-13冻断温度分别比70#基质沥青混合料AC-13、SMA-13冻断温度降低了3.9℃、6.5℃，且冻断应力分别提高了11.1%和10.8%；同类型沥青混合料SMA-13比AC-13弯拉强度和弯拉应变至少分别提高8.4%和9.6%；试验温度从-10℃降至-20℃，同类型沥青混合料弯拉强度和弯拉应变至少分别降低7.9%、18.2%.

(3)各类沥青混合料弯拉强度与冻断温度关联性最好，-10℃下的蠕变速率与沥青混合料冻断温度关联度均在0.75以上，且相同试验温度下的沥青蠕变速率与沥青混合料AC-13冻断温度的关联度均大于沥青蠕变速率与沥青混合料SMA-13冻断温度的关联度.建议采用-10℃下的蠕变速率表征沥青混合料低温路用性能.