高寒大溫差對(duì)瀝青及瀝青混合料性能的影響

曹海波，汪雙杰，朱洪洲

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

我國(guó)高寒大溫差地區(qū)(如青藏地區(qū))具有海拔高、年平均氣溫低、溫差大、凍融循環(huán)嚴(yán)重等特點(diǎn)。受氣候因素影響，該地區(qū)瀝青路面病害頻發(fā)，使用壽命短，已嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)毓肥聵I(yè)的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)溫度對(duì)瀝青和瀝青混合料性能影響開(kāi)展了研究。J.E.KLIEWER等[1]認(rèn)為瀝青和礦料作用及混合料類型對(duì)混合料性能均有影響；孫明志[2]分析了瀝青膜在凍融循環(huán)作用下性能的變化規(guī)律；唐佑綿等[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M極端溫度條件下瀝青結(jié)合料在老化前后的蠕變、流變特性，驗(yàn)證了瀝青結(jié)合料的線黏彈性力學(xué)行為；韋佑坡等[4]利用彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究了瀝青混合料受級(jí)配、瀝青用量、溫度等因素影響的變化規(guī)律；劉勇等[5]研究了高寒條件下熱壓式瀝青混合料設(shè)計(jì)及性能；郭博等[6]開(kāi)展了大溫差條件下瀝青混合料材料組成對(duì)其高低溫性能、水穩(wěn)定性等性能的影響研究；易軍艷等[7]利用拉拔和小梁彎曲試驗(yàn)對(duì)寒區(qū)樹(shù)脂瀝青的材料設(shè)計(jì)和性能進(jìn)行了研究；彭水根[8]提出了滿足西藏地區(qū)高等級(jí)瀝青路面使用要求的瀝青種類選擇及混合料礦料級(jí)配范圍；郭韋韋等[9]通過(guò)劈裂試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)、低溫收縮試驗(yàn)，研究了不同時(shí)照的光老化對(duì)瀝青混合料低溫性能影響程度；張毅[10]分析了不同老化狀態(tài)下瀝青混合料的低溫抗裂性能；馬骉等[11]分析了瀝青種類、級(jí)配類型等對(duì)青藏高寒地區(qū)瀝青混合料水穩(wěn)定性及高溫性能影響；毛雪松等[12]提出高海拔和低溫氣候是影響路面結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，并對(duì)高寒高海拔地區(qū)路面典型結(jié)構(gòu)適應(yīng)性開(kāi)展了研究。

總體而言，目前針對(duì)高寒、大溫差及降溫速率等因素綜合作用下瀝青和瀝青混合料性能的系統(tǒng)研究較少。筆者通過(guò)對(duì)高寒、大溫差條件進(jìn)行模擬，對(duì)瀝青及瀝青混合料在這種條件作用下的路用性能變化規(guī)律進(jìn)行研究，以期能為高寒高海拔地區(qū)瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

結(jié)合我國(guó)高寒高海拔地區(qū)瀝青使用狀況，研究中采用90#基質(zhì)瀝青、110#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和SBR改性瀝青進(jìn)行對(duì)比分析，瀝青具體技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)實(shí)測(cè)值

粗集料采用玄武巖碎石，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。細(xì)集料采用0～3 mm機(jī)制砂，填料采用石灰石礦粉，細(xì)集料及礦粉各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[13]要求。

表2 粗集料性能技術(shù)指標(biāo)

1.2 級(jí)配設(shè)計(jì)

筆者選用AC-13、AC-16和SMA-13這3種瀝青混合料類型進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，見(jiàn)表3。

表3 瀝青混合料設(shè)計(jì)級(jí)配

選用90#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青制備瀝青混合料試件，通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)方法確定不同瀝青混合料的最佳油石比，得到基質(zhì)瀝青AC-13、SBS改性AC-13最佳油石比分別為5.1%、5.2%；SBS改性AC-16最佳油石比分別為5.1%；SBS改性SMA-13最佳油石比為6.4%。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 瀝青指標(biāo)試驗(yàn)

將不同瀝青試樣置于環(huán)境試驗(yàn)箱中，選擇溫度范圍為-35～50 ℃，待箱內(nèi)溫度到達(dá)50 ℃時(shí)，保持箱內(nèi)溫度恒定1.5 h；設(shè)置降溫速率(0.5～1.5 ℃/min)降低環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)溫度，待其降至-35 ℃，保持1.5 h；設(shè)置升溫速率(0.5～1.5 ℃/min)升高環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)溫度，待其到達(dá)50 ℃時(shí)，保持箱內(nèi)溫度恒定1.5 h；分別重復(fù)上述試驗(yàn)步驟10、20、50次，進(jìn)行瀝青3大指標(biāo)、BBR和DSR試驗(yàn)。

1.3.2 瀝青混合料約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)

使用自增壓液氮罐進(jìn)行降溫，降溫速率分別為5、10、15 ℃/h。試驗(yàn)降溫最低達(dá)到-50 ℃，測(cè)試瀝青混合料的凍斷溫度、凍斷應(yīng)力及轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度。

1.3.3 小梁低溫彎曲試驗(yàn)

制備瀝青混合料小梁試件進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度分別為20、10、 0、-10、-20 ℃，試驗(yàn)加載速率為50 mm/min，測(cè)試抗彎拉強(qiáng)度及最大彎拉應(yīng)變。

1.3.4 凍融劈裂試驗(yàn)

在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)凍融劈裂試驗(yàn)基礎(chǔ)上，另選一組試件放置于-35 ℃的低溫條件下16 h，再放置于50 ℃恒溫環(huán)境24 h，往復(fù)不同次數(shù)循環(huán)，測(cè)試低溫劈裂抗拉強(qiáng)度和凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比。

2 瀝青性能影響

2.1 常規(guī)性能試驗(yàn)

瀝青試樣在不同凍融循環(huán)次數(shù)及降溫速率條件下，測(cè)試了25 ℃針入度、軟化點(diǎn)和10 ℃延度(分別用A、B、C表示)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。由表4、表5的試驗(yàn)結(jié)果可看出：與原樣瀝青3大指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，90#基質(zhì)瀝青、110#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和SBR改性瀝青的3大指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化幅度不大，變化率均小于3%，即在不同高低溫循環(huán)次數(shù)及不同降溫速率條件下，試驗(yàn)前后瀝青性能基本不發(fā)生變化。這主要是因?yàn)闉r青在高低溫循環(huán)條件下，只是物理上的相態(tài)變化，其內(nèi)部化學(xué)成分并不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移或改變。

表4 不同高低溫循環(huán)次數(shù)下瀝青3大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果(降溫速率1.5 ℃/min)

表5 不同降溫速率條件下瀝青3大指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果(凍融循環(huán)20次)

2.2 瀝青流變性能試驗(yàn)

筆者選擇110#瀝青制備試驗(yàn)試樣，采用彎曲梁流變儀(BBR)測(cè)定瀝青高低溫循環(huán)后的彎曲勁度模量S和m值，試驗(yàn)溫度為-15 ℃。

試驗(yàn)測(cè)定110#基質(zhì)瀝青經(jīng)20、50次凍融循環(huán)前后的S和m，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6。

表6 110#基質(zhì)瀝青BBR試驗(yàn)結(jié)果

由表6可知：分別經(jīng)過(guò)20、50次高低溫循環(huán)后瀝青的勁度模量和蠕變速率相差極低，在考慮試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，可認(rèn)為瀝青在經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)后其低溫流變性能未發(fā)生變化。

2.3 動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)

選擇110#瀝青制備試驗(yàn)試樣，采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)測(cè)定瀝青分別經(jīng)過(guò)10、 20、 50次高低溫循環(huán)后的復(fù)數(shù)模量G*和相位角δ，計(jì)算車轍因子G*/sinδ。試驗(yàn)中掃描溫度分別為46、 52、 58、 64 ℃，荷載作用頻率為ω=10 rad/s，采用應(yīng)變控制模式，γ=12%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制車轍因子與溫度的關(guān)系如圖1。

由圖1可看出：瀝青分別經(jīng)過(guò)10、 20、 50次高低溫循環(huán)后，其車轍因子與原樣瀝青數(shù)據(jù)相比變化幅度極小，可認(rèn)為經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)后瀝青自身高溫流變性能未發(fā)生變化。

圖1 瀝青高低溫循環(huán)條件下車轍因子與溫度關(guān)系

3 瀝青混合料性能影響

3.1 低溫應(yīng)力約束試驗(yàn)(TSRST)

對(duì)基質(zhì)瀝青AC-13、SBS改性AC-13、SBS改性AC-16、SBS改性SMA-13這4種瀝青混合料，分別按照5、10、15 ℃/h的降溫速率分3組進(jìn)行約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7。

由表7可知：不同條件下瀝青混合料凍斷溫度、凍斷應(yīng)力及轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度這3項(xiàng)指標(biāo)總體趨勢(shì)相似?；旌狭项愋蛯?duì)試驗(yàn)結(jié)果存在顯著影響，SMA類瀝青混合料凍斷溫度低于AC類瀝青混合料，這是由于SMA瀝青混合料屬于骨架密實(shí)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，瀝青用量高，因此較AC類瀝青混合料具有更優(yōu)的低溫性能。瀝青類型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有一定影響，基質(zhì)瀝青的凍斷溫度要高于改性瀝青，這是因?yàn)楦男詾r青相對(duì)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。降溫速率對(duì)凍斷溫度存在一定影響，但影響幅度較小。

表7 瀝青混合料約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

3.2 小梁低溫彎曲試驗(yàn)

SBS改性AC-13、SBS改性AC-16及SBS改性SMA-13這3種瀝青混合料的低溫彎曲彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4。

由圖2～圖4可看出：這3種瀝青混合料荷載位移曲線形態(tài)相似。隨試驗(yàn)溫度降低，抗彎拉強(qiáng)度先增大后減小，最大彎拉應(yīng)力逐漸減小，破壞時(shí)最大拉應(yīng)變SMA-13最大、AC-13其次、AC-16最小，表明瀝青混合料低溫性能SMA-13>AC-13>AC-16。

圖2 瀝青混合料荷載撓度曲線

圖3 不同溫度下瀝青混合料的抗彎拉強(qiáng)度

圖4 不同溫度下瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變

3.3 凍融劈裂試驗(yàn)

選用SBS改性AC-13瀝青混合料制備試樣，分5組進(jìn)行試驗(yàn)。第1組按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[14]中的方法及要求進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)；第2組參照第1組試驗(yàn)條件，并將冷凍溫度調(diào)整為-35 ℃；第3～5組按照文中1.3節(jié)設(shè)定的方案進(jìn)行試驗(yàn)，凍融循環(huán)次數(shù)分別為10、15、20次，試驗(yàn)結(jié)果如表8。

表8 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知：與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件相比，高寒試驗(yàn)條件下瀝青混合料劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比存在明顯降低；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，劈裂強(qiáng)度及凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比逐步降低；試驗(yàn)結(jié)果表明高寒大溫差條件對(duì)瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度及水穩(wěn)定性能存在較為顯著影響。

4 結(jié) 論

筆者通過(guò)模擬高寒、大溫差條件，選取90#基質(zhì)瀝青、110#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青和SBR改性瀝青共4種瀝青類型及AC-13、AC-16及SMA-13共3種瀝青混合料級(jí)配類型，對(duì)瀝青及瀝青混合料在高寒、大溫差、降溫速率等條件下的性能變化規(guī)律進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

1)4種瀝青在進(jìn)行高低溫循環(huán)后其針入度、軟化點(diǎn)、延度、3大指標(biāo)、高溫車轍因子、低溫勁度模量和蠕變速率等指標(biāo)變化幅度很小，高寒大溫差條件對(duì)瀝青性能影響較??；

2)在高寒大溫差作用條件下，瀝青混合料類型對(duì)其路用性能存在顯著影響，SMA類瀝青混合料路用性能優(yōu)于AC類瀝青混合料；

3)瀝青類型對(duì)瀝青混合料低溫性能存在顯著影響，改性瀝青混合料路用性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料；

4)高寒大溫差條件降低了瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度及水穩(wěn)定性。