沥青混合料低温性能及其改良

沥青混合料低温性能及其改良摘要：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，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。

本文简单介绍了沥青低温抗裂性的评价指标及改良措施。

关键词：破坏机理评价指标影响因素改良措施裂缝作为我国高等级沥青路面的主要病害之一，不仅会影响行车的舒适性，而且水会沿着裂缝进入沥青路面体内，引起路面结构性的破坏。

沥青混合料低温抗裂性能与沥青路面裂缝病害直接相关，为了提高路面的抗裂能力，必须提高沥青混合料的低温抗裂性能。

自20世纪60年代以来,加拿大、美国、日本等国家重点对沥青混合料低温开裂与材料低温性能指标进行了系统调查和研究,并铺筑了许多试路,提出了沥青及沥青混合料低温抗裂的不同评价指标,但是这些指标都是针对本国具体实验进行的研究尚缺乏验证,尤其是沥青及沥青混合料性能指标与路用性能的相关关系。

因此，提高沥青路面的抗裂性能仍是沥青路面的重要研究内容。

一、破坏机理沥青路面的低温开裂是路面破坏的主要形式之一。

一般认为沥青路面的低温开裂有3种形式：一是面层低温开裂，是由气温骤降造成面层温度收缩，在有约束的沥青层内产生温度应力超过沥青混凝土的抗拉强度时造成的开裂；二是温度疲劳裂缝，是由于沥青混凝土经过长时间的温度循环，使沥青混凝土的极限拉伸应变变小，应力松弛性能降低，将在温度应力小于其抗拉强度时开裂；三是反射裂缝，是指低温状态下基层产生横向开裂，在荷载和温度共同作用下，裂缝逐渐向沥青面层的横向开裂。

沥青路面裂缝会导致路面承载力下降，影响行车舒适性，并缩短路面使用寿命。

因此，提高路面抗裂性是道路领域研究的重要课题。

二、评价方法1、间接拉伸试验(劈裂试验)该试验方法是通过加载Φ101.6mm×63.5mm的沥青混凝土试件进行加载, 从而通过传感器和LVDT来获得沥青混合料的劈裂强度及垂直和水平变形。

该法主要目的是为了提供路面设计的力学参数以及用于预测沥青路面的开裂情况，但水平变形量测要求精度较高。

其评价指标有劈裂强度、破坏变形及劲度模量等。

【1】沥青混合料的劈裂试验,按下式计算破坏劲度模量:S T = p T (0. 27 + 1. 0μ) / hX Tμ = (0. 135 A - 1. 794) / ( - 0. 5 A - 0. 031 4)X T = Y T (0. 135 + 0. 5μ) / (1. 794 - 0. 031 4μ)式中，S T 为破坏劲度模量；μ为泊松比；Y T 为试件相应于最大破坏荷载时的垂直方向总变形，mm；A 为试件垂直变形与水平变形的比值( A = Y T/ X T) ；H 为试件高度，mm。

【3】从上述S T 的计算公式可以看出，其值大小实际反映的是应力与应变的比值，是反映材料刚度大小的指标。

而沥青混合料在抵御开裂时，应力水平和应变水平是同时反应抗开裂性能的指标，用其比值衡量抗开裂性能显然是不恰当的，目前这种方法已不常采用。

【3】2、弯曲试验低温弯曲试验也是评价沥青混合料低温变形能力的常用方法之一。

在试验温度达到-100C左右的条件下，以50mm/min的加载速率，对沥青混合料小梁试件（35mm×30mm×250mm，跨径200mm）跨中施加集中荷载至断裂破坏，由破坏时的跨中挠度计算破坏弯拉应力、弯拉应变及劲度模量，即式中，为试件破坏时的抗弯拉强度，Mpa；为试件破坏时的最大弯拉应变；为试件破坏时的弯曲劲度模量，Mpa；b为跨中断面试件的宽度，mm；h为跨中断面试件的高度，mm；L为试件的跨径，mm；为试件破坏时的最大荷载，N；d 为试件破坏时跨中挠度，mm。

沥青混合料在低温下的极限变形能力，反映了粘弹性材料的低温粘性和塑性性质，极限应变越大，低温柔韧性越好，抗裂性越好。

因此，可以用低温的极限弯拉应变作为评价沥青混合料低温性能的指标。

3、直接拉伸试验直接拉伸试验的试件可以根据试验设备及试验要求不同做成小梁试件等。

试验温度和加载速率根据有关规定和要求选用。

直接拉伸试验评价指标主要有: 拉伸强度、应变及模量。

直接拉伸试验因能较好地反映沥青路面的受力状况而被国内外用于沥青路面的低温抗裂研究。

通过该试验可以得到沥青混合料的强度温度关系曲线供预估开裂温度用。

【1】4、断裂温度试验通过间接拉伸试验或直接拉伸试验，建立沥青混合料低温抗拉强度与温度的关系，再根据理论方法，由沥青混合料的劲度模量、温度收缩系数及降温幅度计算沥青面层可能出现的温度应力与温度的关系。

根据温度应力与抗拉强度的关系预估沥青面层出现低温缩裂的温度Tp。

Tp越低，沥青混合料的开裂温度越低，低温抗裂性越好。

5、弯曲蠕变试验低温弯曲蠕变试验用于评价沥青混合料低温下的变形能力和松弛能力。

弯曲蠕变试验试件尺寸为30 mm × 35 mm × 250 mm，试验温度为0 ℃。

蠕变变形曲线分为三个阶段，第一阶段为蠕变迁移阶段，第二阶段为蠕变稳定阶段，第三阶段为蠕变破坏阶段。

在蠕变稳定阶段，按照下式计算弯曲蠕变速率:式中:εs 为试件的弯曲蠕变速率，MPa·s-1；σ0 为试件的弯曲蠕变应力，MPa ； t1 , t2 分别为蠕变稳定期直线段起始点及终点的时间, s；ε1 ,ε2 分别为对应于时间t1 , t2 时的蠕变应变.从弯曲蠕变速率εs 的关系式中,可以发现其值实际反映的是由蠕变应力σ0 在t2 时刻到t1 时刻区间内,弯曲应变之差与σ0 的乘积亦即弯曲应变能在整个稳定期内的变化均值,虽然其含义已经综合表达了沥青混合料在低温状态下应力应变的复合变化情况,能够反映沥青混合料的低温抗开裂性能,但其定义与实质内容是有差异的,且试验工作量较复杂,在国内推广应用具有一定难度。

沥青混合料的弯曲蠕变试验是一种简单而非常有意义的试验。

在SHAP 沥青混合料标准指标中,采用了梁的弯曲蠕变试验评价沥青混合料的低温性能。

用弯曲蠕变试验的应变速率去评价混合料的低温开裂性是可行的,所提出的试验方法、设备,施工单位易接受。

劈裂蠕变试验的结果虽然与弯曲蠕变结果大体相同,但变形量测数据波动较大,作为评价沥青混合料的低温抗裂性能指标,不如弯曲蠕变试验好。

【4】6、弯曲应力松弛试验沥青路面在温度骤降时产生的温度收缩应力来不及松弛掉而被积累，乃至超过抗拉强度时将发生开裂，因此，应力松弛性能是评价沥青材料抵抗温度开裂的重要指标。

在此应力条件下，材料的变形系数用应力松弛模量Er表示Er=σ(t)/ε0式中，ε0是保持不变的初始应变，应力σ随时间t不断减小。

应力松弛性能可由多种方法测定，如直接应力松弛试验，弯曲应力松弛试验以及由等速加载试验或蠕动试验经间接计算得到等。

应力松弛模量越小，沥青混合料应力松弛性能越好，低温抗裂性越好。

7、收缩试验沥青混合料的温度收缩系数是一个复杂的物理参数，它不仅随材料的组成比例及沥青性质的不同而不同，还与降温速率及所处的温度条件、约束条件有关。

我国常用的沥青混合料低温收缩系数的测定方法是对棱柱体在温度区间（10-200C）,以50C/h的降温速率降温，测定不同温度区间的试件长度，从而根据公式计算线收缩系数式中，εe为平均收缩应变；Le为-200C时时间收缩后的长度，mm；L0为100C 时时间的原始长度，mm；C为沥青混合料的平均线收缩系数。

8、约束试件的温度应力试验约束试件温度应力试验( The therm al stress restra inedspec im en test)又称冻断试验, 是SHRP计划从众多的试验方法中筛选出来的作为评价沥青混料低温抗裂性的方法。

它能够模拟实际温度变化及混合料实际受力状况, 较真实地反映出混凝土的低温抗裂性能。

温度应力试验是一个非常有前途的试验, 模拟现场条件好, 表达直观。

【2】9、切口小梁弯曲试验路面产生开裂是从内部潜在微裂缝扩展开始的, 这些微裂缝可来自于材料内由于材料、施工等原因而产生。

在裂缝尖端可产生高达数倍的应力集中, 从而使裂缝发展。

今年来, 断裂力学在道路工程中的应用越来越广泛, 美国SHRP研究计划首次将弹塑性断裂力学的断裂依据J积分作为沥青混合料低温抗裂性能的评价指标之一。

【2】三、影响因素沥青混合料的低温抗裂性能与其抗拉强度、松弛能力以及收缩性质等密切相关，而影响这些特性的因素，既包含沥青及沥青混合料本身因素，也有外界环境的各种因素。

1、沥青性质（1）沥青针入度对沥青路面性能的影响不仅表现在高温性能上，而且也表现在低温性能上。

使用较稀的沥青即针入度大的沥青，路面的温缩裂缝就少得多。

据美国SHRP的研究成果，150C针入度与反映沥青混合料低温开裂性能的约束试件温度应力试验（TSRST）的破断温度之间有良好的相关关系，150C针入度越大，抗裂性能越好。

但我国现阶段，还是采用的250C针入度指标。

为了与路用性能相一致，建议逐渐过渡增加150C针入度指标。

【5】（2）道路专家大都认为沥青的延度与路面的使用性能有一定的相关性，尤其是低温延度与低温开裂性能关系密切，因此不少国家开始增加低温延度的指标。

我国新颁布的《公路沥青路面施工技术规范》中也增加了100C延度的指标。

通常采用的150C的延度，对于我国的B级沥青（相当于原来的重交通道路沥青）来说，延度值都能大于100cm，已经没有了实际意义。

“七五”和“八五”科技攻关课题对不同温度和不同拉伸速率条件下的沥青延度进行了试验，结果表明，在150C下延度大于100cm的多种沥青，在100C下的延度差别很大，而且与沥青的实际路用性能是一致的，证明100C延度评价沥青的低温性能更符合实际。

【5】（3）沥青的老化性能老化后的针入度和延度值与路面的抗裂性能关系是很密切的，薄膜加热试验后的延度更能反映路面的抗裂性能，因此同时应该测定薄膜烘箱试验后的针入度值与延度值。

（4）沥青的含蜡量增加会使拉伸应变减小，脆性增加，温度敏感性变大，横向裂缝增加。

2、沥青混合料的组成（1）沥青含量。

沥青含量在最佳范围的变化不会对混合料的低温开裂性能有很大影响，增大沥青用量就增大了温缩系数，但同时降低了劲度。

（2）集料类型和级配。

耐磨、低冻融损失和低吸水性的集料具有好的横向开裂性。

粗级配沥青混合料的温度应力比较小，混合料形成骨架嵌挤作用，产生的温度应力小，不易开裂。

（3）空隙率。

空隙越小，破坏温度越低，但差别不很大。

而破坏时的温度应力有相当大的差别，空隙率越小，温度应力越高。

（4）剥落率。

沥青混合料的剥落率越大，意味着沥青和集料间的结合力小，沥青混合料的抗拉强度低，容易产生开裂。