SBR改性沥青的低温抗裂性能研究

张廉青

（天津市交通科学研究院，天津 300074）

0 引言

道路工程中常用的路面为沥青路面与水泥混凝土路面。沥青路面属于柔性路面，具有更好的力学性能与路用性能，因此其应用越来越广泛[1-2]。但是沥青路面中的沥青混合料是一种感温性材料，在低温条件下容易发生收缩，从而导致沥青路面开裂[3-4]，尤其是在周期性变化的温度环境中，材料在反复的温升与温降中容易形成稳定疲劳裂缝，加剧沥青路面开裂。本文将在现有研究成果的基础上，对SBR改性沥青的低温抗裂性能做进一步的探讨。

1 沥青路面低温开裂的原因

导致沥青路面开裂的主要因素是路面承受的荷载与环境温度。其中，环境温度是导致沥青路面开裂的最主要因素。温度的降低与升高会导致沥青混合料出现收缩与膨胀，材料的收缩、膨胀将导致材料产生应力与应变，当所产生的应力大于材料的抵抗力，材料就会发生破坏，从而导致路面开裂。低温引起的开裂又称为低温缩裂。低温裂缝大多为横向等间距裂缝，裂缝最初出现在道路表面，随后逐步向深层发展，裂缝宽度逐渐增大。影响低温裂缝的主要因素包括沥青的种类与性质、沥青混合料的组成与性质两方面。若沥青的品质较好，则可以大大改善沥青路面的质量。当沥青的品质相同时，沥青的针入度越大或者劲度越小，沥青路面低温裂缝的出现概率就越小。增加沥青的用量有助于改善沥青混合料的抗裂性能，但同时也会导致混合料的应力松弛性能提高，从而促进沥青混合料的收缩，对沥青混合料的抗裂性能不利。沥青混合料中集料的吸水性越大，沥青混合料的抗裂性就越差，这主要是因为吸水性大的集料水分含量高，当温度降低时产生的收缩大。另外，剥落率大的沥青混合料，由于沥青与混合料的黏结性差，导致其抗裂性也差。

2 低温抗裂性能试验方法

沥青混合料的低温抗裂性能试验主要是为了评价沥青混合料的低温抗裂能力，常见的试验方法有劈裂试验、弯曲试验、线收缩系数试验、弯曲蠕变试验及单轴压缩试验[5-11]。下面对部分试验的试验条件、优缺点进行对比分析。

（1）劈裂试验。劈裂试验所需要的试件与标准马歇尔试件相同，试件的尺寸一般为直径150mm、高110mm，试验温度一般控制在-10.5～-9.5℃，加载速率为1mm/min，以劈裂抗拉强度或破坏拉伸应变作为指标。该试验的试件成型较为简单，数据处理也比较简单，但加载速率较低，试验操作也较为繁琐。

（2）弯曲试验。弯曲试验中的试件为长250mm、宽30mm、高35mm的棱柱体小梁，低温试验时温度一般为-10.5～-9.5℃，以抗弯拉强度、弯拉应变及劲度模量作为评价指标。该试验的试件制作简单，试验操作及数据处理也相对简单，但缺少当温度低于-10℃的对比试验。

（3）线性收缩系数试验。线性收缩系数试验所需的试件为长200mm、宽20mm、高20mm的棱柱体，试验温度一般控制在-30～10℃。通过试验得到试件的平均收缩应变和平均收缩系数。该试验具有试件制作简单、数据处理简单的优点，但其试验设备较为复杂，试验过程中误差较大。

（4）弯曲蠕变试验。弯曲蠕变试验中的试件为长250mm、宽30mm、高35mm的棱柱体小梁，在进行低温试验时适宜温度为0℃，在进行高温性能试验时适宜温度为30～40℃。通过试验得到弯曲蠕变值及蠕变速率。该试验的试件制作、试验操作及数据处理简单，但低温试验的温度为0℃，与实际工程相比温度较高，试验结果不能体现更低温度下的实际路用性能。

3 工程实例

3.1 工程概况

该工程所在地区属于温带大陆性气候，冬季寒冷并且持续时间较长，年平均气温为0℃左右，最低气温可以达到-40℃。该工程为旧路改造工程，路线全长76.2km，原设计道路等级为二级，设计车速为80km/h。由于温度的影响，沥青路面出现裂缝、车辙及坑槽等病害。本次改造后的道路等级为一级，改造后的设计车速为100km/h。改造后的面层材料为SBR改性沥青混凝土。

3.2 SBR改性沥青的基本性能指标试验

采用AC-13普通沥青添加改性剂制成SBR改性沥青，其中粗集料采用压碎值为14.3%、针片状颗粒含量为10%、吸水率为1.5%的碎石；细集料采用表观相对密度为2.6%、砂当量为12%的细砂；矿粉采用表观密度为2 800kg/m3、含水量为0.3%的粉煤灰。通过试验测得该改性沥青的基本性能，结果如表1所示。

表1 SBR改性沥青的基本性能指标测试结果

通过马歇尔试验得到AC-13SBR改性沥青混合料的沥青用量为5.3%，毛体积相对密度为2.4，合成矿料的毛体积相对密度为2.64，孔隙率为4.5%，矿料间孔隙率为14.5%，稳定度为2.18kN，有效沥青的饱和度为69.2%，流值为3.5mm。

3.3 低温抗裂性能试验

下面分别采用弯曲试验、劈裂试验及冻断试验对改性沥青混合料进行低温抗裂性能测试。

3.3.1 低温弯曲试验

低温弯曲试验是一种常用的沥青抗裂性能试验。该试验的试件可以通过轮压碾压成型，试件一般为长250mm、宽30mm、高35mm的棱柱体小梁。分别于0℃,-10℃和-20℃温度下进行试验，并将改性沥青与基质沥青的试验结果进行对比。图1所示为试验现场照片。试验结果对比如表2所示。

图1 弯曲试验图片

表2 弯曲试验结果对比

从表2可以看出，随着试验温度的降低，改性沥青与基质沥青破坏时的最大荷载逐渐增大，破坏时的抗弯拉强度也逐渐增大，弯拉应变逐渐减小，破坏时的跨中挠度逐渐减小。对比两种混合料可以发现，改性沥青的低温抗裂性得到显著改善。

3.3.2 劈裂试验

劈裂试验采用的温度分别为0℃,-10℃及-20℃，试件为直径150mm、高110mm的圆柱体。采用动态液压沥青混合料试验系统（UTM-100）对试件的极限抗拉强度、蠕变荷载等指标进行测定，并将改性沥青与基质沥青的试验结果进行对比。图2为试验现场照片。试验结果如表3所示。

表3 劈裂试验结果对比

图2 劈裂试验图片

从表2可以看出，改性沥青与基质沥青破坏时的极限抗拉强度和蠕变荷载均随着试验温度的降低而增大。对比两种混合料可以发现，改性沥青的低温抗裂性能更好，其达到破坏所需的荷载较大。

3.3 冻断试验

冻断试验的初始温度为5℃，随后以每小时下降10℃的速度进行降温。试件为200mm×40mm×40mm的棱柱体，采用与劈裂试验中相同的UTM-100试验仪进行试验。图3为试验现场照片。试验结果如表4所示。

图3 冻断试验图片

表4 冻断试验结果对比

从表4可以看出，改性沥青混合料的低温破坏温度比普通沥青混合料更低，其发生断裂所需要的荷载强度更大，说明改性沥青能有效改善沥青路面的低温抗裂性能。

4 结语

本文分析了造成沥青路面开裂的主要原因，并结合工程实例对SBR改性沥青的低温抗裂性能开展了试验研究，结果表明：环境温度因素是导致沥青路面开裂的主要因素，与基质沥青相比，改性沥青能有效改善沥青混合料的低温抗裂性能，这主要与改性剂有关。但本文未对其他改性剂进行对比分析，这将是下一步研究的方向。