橡胶沥青混合料面层抗裂性能的研究

桑伟宁，谢　康，周　辉

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥　230009；2.安徽土木结构与材料省级实验室，安徽 合肥　230009)



橡胶沥青混合料面层抗裂性能的研究

桑伟宁1,2，谢康1，周辉1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥230009；2.安徽土木结构与材料省级实验室，安徽 合肥230009)

摘要：文章主要采用小梁低温三点弯曲试验，对比研究不同级配、不同沥青种类及纤维添加对沥青混合料面层抗裂性能的影响，以分析不同因素对沥青面层开裂的影响。研究结果表明，间断级配橡胶沥青混合料具有更好的抗裂性，橡胶沥青混合料面层的抗裂性比SBS改性沥青和普通沥青更好，添加纤维可增强沥青混合料的抗裂性，可为实体工程中选择合理的橡胶沥青混合料工程级配类型提供参考依据。

关键词：橡胶沥青混合料面层；密级配AC-13；间断级配SMA-13;小梁低温三点弯曲试验；纤维

0引言

在沥青路面所存在的病害中，沥青路面开裂是主要病害之一。按路面开裂的形式，路面裂缝可分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝。沥青路面开裂的主要原因分为两大类：一类是由于行车荷载作用而产生的结构性破坏裂缝，称为荷载型裂缝；另一类是沥青面层温度变化而产生的温缩裂缝和由基层温缩、干缩、疲劳引起的面层裂缝，称之为非荷载型裂缝[1]。其中，非荷载型裂缝是最主要的，非荷载裂缝大都表现为横向裂缝，一次性气温骤降或者温度循环作用都有可能引起温度收缩裂缝[2]。

影响沥青路面开裂的主要因素有沥青及沥青混合料性质、基层材料性质、气候条件、交通量、车辆类型及施工因素等，其中沥青和沥青结合料的性质是影响沥青路面温缩开裂的最主要原因[3]。目前，减轻沥青路面裂缝的有效措施主要从路面结构层设计、沥青混合料原材料改进(改性沥青的使用，不同级配的路用性能研究)、纤维使用以及施工等方面进行改善[4]。

近年来，对沥青进行改性，选用性能更优的级配类型及在混合料中掺加其他材料(如纤维)改善路面开裂状况的技术，受到了各国道路工作者的普遍关注[5-6]。与橡胶沥青改性一样，纤维改性沥青由于对路面的路用性能改善效果好及施工简单，同样受到国内外普遍重视，橡胶改性沥青作为近几年发展起来的新型材料，具有较强的高温稳定性、优异的低温性能、突出的抗老化、抗裂性能和抗变形能力的性能特点[7]。

开展橡胶沥青及纤维对沥青路面抗裂效果的研究，具有改善道路使用性能、经济及环保节能等多方面良好的效益，将有助于橡胶沥青在路面材料实际使用中的推广应用。

1试验原材料

(1) 沥青。试验采用橡胶沥青，并用SBS改性沥青和AH-70普通沥青作对比，对沥青相关性能指标进行试验。

(2) 集料。粗、细集料均选用玄武岩，产地蚌埠，规格分别为1#(10～15 mm)、2#(5～10 mm)、3#(3～5 mm)、4#(0～3 mm)4种，按照文献[8]要求，对所用集料主要技术指标进行测试，粗、细集料各项技术指标均满足规范要求，可用于试验研究。

(3) 纤维。采用聚酯纤维(白色)和玄武岩纤维(褐黄色)，2种纤维的物化性能见表1所列，其耐热性在210 ℃、2 h条件下，体积均无变化，无卷曲。

表1　纤维物化性能表

2纤维橡胶沥青混合料配合比设计

2.1确定矿料级配

根据国内外相关研究资料[9-11]，选取在橡胶沥青混合料面层中运用较多的密级配AC-13及间断级配SMA-13作为矿料级配，并参考美国及国内相关省市矿料级配标准，采用试配法得到本试验所采用的密级配AC-13及间断级配SMA-13作为矿料级配，结果见表2所列。

表2　矿料级配质量百分率　%

2.2确定最佳油石比

按照文献[12]要求，以马歇尔体积指标、力学强度指标确定橡胶沥青混合料的最佳沥青用量，配合比设计结果见表3所列。

表3　橡胶沥青混合料马歇尔试验结果

2.3不同级配纤维橡胶沥青抗裂性

用于沥青混合料抗裂性研究的试验方法主要有间接拉伸试验、直接拉伸试验、蠕变试验、约束试件的温度应力试验(TSRST)、切口小梁试件的弯曲试验及应力松弛试验等[13-14]。本文采用小梁低温三点弯曲试验评价橡胶沥青混合料的抗裂性能。规范中关于小梁低温弯曲试验3个评价指标为抗弯拉强度、最大弯拉应变和弯曲劲度模量，抗弯拉强度和最大弯拉应变越大低温抗裂性能越好。但是，通常如果抗弯拉强度大，则相应的最大弯拉应变就相对较小，这两者对于材料而言很难同时兼具，仅采用单一指标很难确切评价混合料的低温抗裂性能。研究表明，沥青路面低温开裂病害的产生不仅与材料抗变形能力有关，还取决于材料的强度，如果沥青混合料试件破坏时消耗的能量越大，其低温抗裂性能就越好，即使材料抗变形能力不强也不易发生开裂，所以，在评价沥青混合料低温抗裂性能的时候也应以能量为基准。按照能量守恒原理，不同的沥青混合料在保持某一状态时都具有一定能量储存，为了改变其本来现状而作的功则可评价其储存能量的多少。对于低温抗裂性，同种条件下，沥青混合料破坏时，能量消耗越多则说明其低温抗裂性越好[15]。称这种破坏能量为应变能，假定材料破坏形式与单位体积内能量状态相对应，则材料损伤可以用应变能密度函数表示为

(1)

其中，δij为应力分量;εij为应变分量;ε0为临界应变。

沥青混合料试件应变能密度在应力应变曲线中的几何意义为低温弯曲试验应力达到最大值以前，曲线下方与横坐标轴的包络面积，如图1所示。

图1　低温弯曲试验应力-应变曲线

本文采用小梁低温三点弯曲试验评价沥青混合料低温抗裂性，并辅以破坏应变能指标对其进行评价。试验共分2个部分，第1部分对比分析密集配AC-13及间断级配SMA-13类型级配下橡胶沥青、SBS改性沥青、AH-70号普通沥青混合料试件的抗裂性能,第2部分对比分析间断级配SMA-13的3种类型沥青混合料在添加聚氨酯纤维和玄武岩纤维后对小梁低温抗裂性能的影响，小梁低温三点弯曲试验结果见表4、表5所列。

表4　第1部分试验小梁低温弯曲试验结果

表5　第2部分低温弯曲试验结果

3试验结果分析

(1) 间断级配SMA-13沥青混合料的抗弯拉强度、弯拉应变及弯曲劲度模量性能均要优于密集配AC-13沥青混合料，橡胶沥青SMA-13与AC-13试件断裂裂口细部如图2、图3所示。

图2　SMA-13沥青混合料断裂面大样图

图3　AC-13沥青混合料断裂面大样图

从图2、图3中可以看出，间断级配SMA-13试件沿裂缝处粗集料因相互嵌锁作用压裂，而密集配AC-13试件的裂缝多沿着空隙处和粗集料边缘开裂。这是由于SMA-13型级配混合料中粗集料的大量使用(66.3%)，粗集料之间的嵌锁作用加大，使粗集料之间的内摩擦角增大，试件在受竖向荷载作用挤压时，粗集料由于嵌锁作用，内摩擦角大可以较好地抵抗外力，使间断级配SMA-13型混合料的弯拉强度要远大于密集配AC-13。同时间断级配混合料具有相对较大的空隙率，这种多孔结构可有效地切断裂缝尖端的延伸，将应力、应变的传递均匀释放。此外，橡胶沥青混合料的收缩系数较小，其大粒径粗集料形成嵌挤骨架加上高粘度的橡胶沥青胶结料的作用，使其具有抵抗较大的塑性变形能力，可以将裂纹释放的应变能充分吸收，减小裂缝处的应力集中，从而减小裂缝扩展的速度，使橡胶沥青试件断裂时呈现为柔性断裂破坏特征[16]。由图2可知，间断级配SMA-13沥青混合料的临界应变能比密集配AC-13沥青混合料提高了近1倍，说明相同条件下发生断裂时，间断级配SMA-13试件要比密集配AC-13吸收更多的能量，间断级配SMA-13沥青混合料的抗裂性能要优于密集配AC-13型。

(2) 不同沥青抗弯拉强度SBS改性沥青最强，橡胶沥青与普通沥青相近，而弯拉应变橡胶沥青要明显优于SBS改性沥青和普通沥青混合料，不同级配下橡胶沥青的弯曲劲度模量均小于SBS改性沥青及普通沥青，低温下劲度模量越小，沥青的抗裂性能越好，在低温条件下，橡胶颗粒沥青混合料的抗弯拉强度和破坏劲度模量由于橡胶颗粒的添加而降低，而破坏弯拉应变显著提高，且橡胶沥青小梁试件低温断裂过程呈现明显的韧性断裂破坏特征，小梁试件裂而不断。SBS改性沥青及普通沥青试件出现裂纹后迅速贯穿整个断面，表现出明显的脆性破坏，这主要是由于橡胶颗粒具有柔性和弹性，并且随沥青用量的增加，两者共同作用使橡胶颗粒沥青混合料的低温抗弯拉强度随橡胶颗粒的加入而下降。破坏劲度模量的下降和破坏弯拉应变的升高则说明橡胶颗粒的加入赋予橡胶颗粒沥青混合料一定的低温柔性，由于低模量的特点，使橡胶沥青具有很强的吸收应力的能力。

(3) 添加纤维后，3种沥青的临界应变能密度相对无添加的试件均有所提升，其中添加聚酯纤维的混合料试件临界应变能密度提升比率(约30%)要高于添加玄武岩纤维试件(约15%)，橡胶沥青在添加2种纤维后的临界应变能密度均高于SBS改性沥青及普通沥青。在沥青混合料中掺入高抗拉强度和高模量的增强纤维后,数以万计的单丝纤维在沥青混合料中呈三维网状分布,对沥青混合料起到了“加筋”作用，约束了混合料内部缺陷或裂纹进一步发展，纤维沥青混合料在受到拉伸的过程中，纤维可阻止裂纹进一步扩展，对裂扩展起到阻滞作用。掺入高抗拉强

度、高模量的纤维可以增加混合料的变形能力，使混合料具有很高的韧性，对纤维沥青混合料而言，即使已出现裂纹，纤维的桥接作用仍可使材料承受外载作用，使弯拉应变继续增大，从而改善材料的抗裂能力，提高沥青混合料的抗裂性能。

4结论

(1) 配制出符合规范要求的密级配AC-13和间断级配SMA-13的矿料级配及橡胶沥青最佳油石比。

(2) 用临界应变能密度评价沥青混合料低温性能，可体现材料的强度及抗变形特征，相对单纯用弯曲应变、强度或劲度模量评价混合料低温性能更合理。

(3) 通过对比得出橡胶沥青混合料在间断级配及添加纤维后，其抗裂性能将会有明显提升。

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收稿日期：2016-03-28

作者简介：桑伟宁(1988-)，男，安徽合肥人，合肥工业大学硕士生．

中图分类号：TU528.07

文献标识码：A

文章编号：1673-5781(2016)02-0218-04