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基于SCB試驗的瀝青混合料低溫性能評價指標研究



摘要


研究瀝青混合料低溫性能評價指標與路面開裂狀況之間關系,是合理確定瀝青混合料低溫性能評價標準的重要依據。為解決傳統小梁彎曲試驗同現場開裂相關度不高的問題,針對現場不同裂縫間距段落的芯樣,引入半圓彎曲試驗(SCB)開展混合料低溫斷裂與抽提瀝青BBR試驗研究,建立瀝青路面開裂間距與瀝青混合料斷裂能、斷裂韌性、勁度模量等指標的關系。從SCB與BBR對比試驗可得出結論:改進后的SCB試驗能真實反映吉林地區瀝青路面實際低溫開裂狀況;提出了寒區瀝青路面低溫開裂判定標準;并通過斷裂能及斷裂韌性等指標的對比分析,提出采用SCB試驗的斷裂能作為混合料低溫性能的評價指標更為合理。研究成果豐富了瀝青混合料低溫性能評價方法,為完善瀝青路面低溫抗裂設計提供了技術支撐。



關鍵詞:道路工程 | 瀝青混合料 | 半圓彎曲試驗 | 彎曲梁流變試驗 | 低溫性能 | 斷裂能


對于瀝青路面低溫開裂問題,國內外提出了大量的試驗評價方法[1-2]。中國的瀝青路面設計規范中推薦使用低溫小梁彎曲及BBR試驗作為瀝青混合料與瀝青結合料的低溫性能評價方法。其中盡管低溫小梁彎曲試驗應用多年,但其加載時試件同時承受彎拉與剪切荷載,導致受力復雜,破壞應變等指標與路面實際開裂狀況相關度不高,因此其用以評價混合料低溫開裂性能仍存在爭議[3]。其他性能評價方法亦未得到行業內的一致認可,因此找出一套力學原理明確、指標切實反映實際路面開裂狀況的加載方法尤為重要。

近年來,國內外研究人員提出了基于馬歇爾試件或路面芯樣的半圓彎曲試驗方法[4](國外稱之為SwmicircularBendingTest,簡稱SCB試驗)。該方法基于斷裂力學原理[5],起初用于分析熱拌瀝青混合料疲勞開裂問題[6],后被美國AASHTO試驗規范引入,作為瀝青混合料低溫性能的常規評價方法之一,在國外得到廣泛應用。SCB試驗適用性強,操作簡單,試件可利用馬歇爾、旋轉壓實方法成型,也可利用實際路面取芯得到,具有非常廣泛的應用空間[7]。試驗以斷裂能(G)為評判依據,其內部受力更加貼近路面實際受力狀態[8-10],能夠較好地模擬裂縫擴展行為,以綜合反映瀝青路面低溫抗裂特性。


目前雖然中國針對SCB試驗已有部分研究,但傳統的加載模式需要控制預制切縫位移發展速率,對試驗設備要求較高?;诖?,2011年,美國伊利諾伊州交通局提出了基于半圓試件的LLD控制模式[11],改進了傳統SCB試驗加載方式,采用豎向位移荷載進行加載,大大簡化了試驗難度,為其進一步的推廣應用提供了技術基礎。

大量研究表明,利用結合料進行的BBR試驗能夠反映瀝青路面低溫開裂狀況[12]。李志棟等[13]認為*大的勁度模量(300MPa)和*小的m值(0.3)對于減少瀝青路面低溫開裂是合理的;董文龍等[14]利用Burgers模型分析了BBR試驗主要參數,認為m值對SBS改性瀝青評價效果良好;譚憶秋等[15]對比了BBR試驗S值、m值、k值等指標,證明了該試驗對橡膠瀝青的評價能力;王琨等[16]發現通過PG分級得到的BBR數據與瀝青的開裂性能密切相關。因此,BBR試驗結果可以作為混合料加載的數據支撐,以驗證SCB試驗對低溫開裂的評價能力。

基于此,本文利用改進后的SCB加載方式進行控制,對典型道路不同裂縫間距段落的瀝青路面芯樣開展低溫抗裂性能測試。結合現場芯樣抽提回收瀝青的BBR試驗結果,分析開裂間距同試件性能間關聯,得到斷裂能、斷裂韌性等指標同路面開裂程度的定量關系,利用BBR數據驗證混合料試驗規律。確定瀝青路面低溫狀態下開裂狀況-混合料試驗參數-結合料試驗參數3個層面間的相互聯系,為瀝青路面低溫性能評價體系提供基礎數據支撐。



材料概況

長吉高速取芯

試驗所需芯樣均來源于長吉高速龍嘉至吉林段表面層,混合料類型為AC-13,路面服役年限超過10年。經過調研,選擇在4個路段行車道裂縫邊緣取樣,共得到芯樣31個。


試件準備

SCB試驗所需試件需要切割,其形態為一中心開口的半圓形厚片。由于取芯機尺寸限制,此次研究所有芯樣直徑均取100mm。結合朱洪洲等[5,17-18]的尺寸選取原則,試件尺寸如下:直徑100mm,厚度25mm,預切口深度為15mm。1個芯樣可切割得到2SCB試樣,切割共得到完整SCB試件37個,各裂縫間距處均保證至少7個平行試件。試件如圖1所示。




利用德國Infratest抽提儀回收SCB試件中的瀝青,并按照裂縫間距進行分檔。由于殘余礦粉和三氯乙烯對瀝青起到了軟化作用,抽提后的瀝青流動性較高。侯睿等[19-20]提出,即使回收瀝青中礦粉和三氯乙烯含量很低,也會對瀝青三大指標產生影響。因此,試驗對抽提瀝青的純度進行了嚴格的把控。為提高礦粉的過濾效率,由德國訂制了細度更高的特制濾紙,將試驗時的離心烘干次數設置為5次。同時,進行驗證試驗:新制瀝青混合料1000g,并摻加了一定含量礦粉,利用特制濾紙高速離心過濾后將濾出礦粉進行稱重,計算出殘余礦粉含量已達到很低水平(≤0.2%),測試新舊瀝青三大指標,認為誤差影響可接近忽略不計。為減少三氯乙烯殘留,蒸餾試驗進行了一定優化:首先利用100℃蒸發到冷凝管中無蒸汽,而后升溫至160℃左右進行清除。同時,參考Alavi等[21]的研究,對抽提后的瀝青進行二次短期老化處理,將殘留三氯乙烯降至很低水平。利用未經過二次老化處理的試件及經過短期二次老化的試件進行試驗,4個裂縫間距均澆筑4個共16個BBR試件。兩試驗所有試件編號如表1所示。




試驗條件

SCB試驗加載

SCB試驗采用UTM以穩定的豎向位移下壓速率對試件進行加壓,斷裂后逐漸下降,至其降到0.3kN時結束試驗。傳統的SCB試驗利用預切縫張口的恒定水平向應變速率(CMOD)[22-26]控制模式進行加載,但該控制模式對設備要求高,大部分國內加載儀器難以滿足。依據美國伊利諾伊州對CMOD控制模式及LLD(試件頂端的恒定豎向下壓位移速率)模式的研究,本次試驗引進LLD控制模式進行加載,利用LVDT位移傳感器對試件底部位移進行監測,得到加載過程中試件底部位移變化規律。試驗發現0.02mm·S-1的LLD加載速率可以保證裂縫穩定擴展。

由于吉林省常見瀝青的PG低溫分級均為-28~-34℃,結合該省低溫設計溫度要求與彈塑性相關理論,SCB試驗溫度選擇為-30℃。經過預埋溫度傳感器測試試件內部溫度變化,確定控溫3~4h可使試件內部達到該溫度。

低溫狀態下半圓彎曲試件破壞過程主要為脆性斷裂,其試驗加載曲線形態基本穩定,即:首先經歷一段加載過程,加載至*大荷載的80%左右開始出現肉眼可見微裂紋,荷載到達峰值后(1min左右后)出現脆性斷裂,然后荷載緩慢下降。裂縫發展過程如圖2所示。


BBR試驗加載

BBR試驗設置2個平行試件,依據PG低溫分級關系,設置了-24℃的養護及試驗溫度。



設備名稱:伺服控制熱電型彎曲梁流變儀BBR
型       號:B216
制  造  商:意大利MATEST-澳大利亞PAVETEST公司



試驗結果與分析

SCB試驗

SCB試驗基于能量判據,以斷裂能(Gf)作為推薦評價指標。同時,利用加載數據也可得到斷裂韌性(KIC)、剛度(S)等指標。為解釋以上3個指標,繪制加載曲線如圖3所示。

加載起始于荷載為0.5kN時,結束于荷載下降至0.3kN,之后的曲線利用冪函數進行擬合(3中可見擬合段形狀與原曲線差異很小)。試驗段及擬合段線下面積之和構成斷裂功,由此繼續計算得到斷裂能Gf;加載過程中記錄荷載的峰值PC,利用其可以計算斷裂韌度KIC;荷載上升段彈性階段斜率即為材料剛度S。


(1)斷裂能

計算得到的斷裂能越大,則代表試件在某一溫度下的抗裂性能越好。該指標反映了試驗中試件各時刻荷載及變形,可間接計算出抗拉強度、破壞應變、勁度模量等指標。斷裂能的計算需利用各時刻荷載數值及對應位移量,即







加載得到各試件加載曲線,對不同裂縫間距試件斷裂能求平均值,見表2。由表2可看出,斷裂能平均值具有較好的規律性,且4檔試件斷裂能差異較大。斷裂能越大,試件低溫性能越好,尤其是低溫抗裂的性能越好。其中,裂縫較集中處的斷裂能變化較大,隨著裂縫間距擴大,斷裂能的變化速度減緩。對所有試件斷裂能進行統計學分析,發現不同裂縫間距下斷裂能的變異系數略大。這主要是由于瀝青路面在真實條件下所受荷載自然條件影響不確定性強,相較于實驗室成型的試件難免差異性更明顯。在此將同一個芯樣切割得到的2個不同SCB試件進行變異性對比,以證明該解釋的合理性,斷裂能數據如圖4所示。






可以明顯看出,在此種對比方式下試件的斷裂能差異較小,變異系數均不超過10%,這說明SCB試驗自身具有較高穩定性,數據十分可靠。斷裂能指標對實際路面開裂狀況區分度高,數據穩定性具有保證。


(2)斷裂韌性

斷裂韌性同樣可以表示瀝青混合料低溫性能,其能夠體現材料在斷裂過程中吸收能量的能力大小。韌性越大,代表試件阻止裂縫擴展的能力越強,其計算公式為







各開裂間距下的斷裂韌性平均值如圖5左軸所示




韌性指標反映了材料的固有屬性。由圖5可見,材料的斷裂韌性與開裂程度呈負相關關系,即開裂程度更大的路段,其芯樣抵抗裂縫發展的水平更低。


(3)勁度

勁度是用來評判材料抵抗變形能力的指標,也是瀝青材料彈性變形難易程度的一個象征。利用荷載-位移曲線的彈性階段進行*小二乘回歸得到的該段斜率,即為材料勁度[26]。本試驗各開裂間距平均勁度如圖5右軸所示??梢娫陂_裂間距較小時,半圓彎曲斷裂勁度變化較快,隨開裂程度增加,該變化趨勢減緩。


(4)SCB結果驗證分析

SCB試驗推薦的3個指標從不同角度反映了瀝青路面的低溫性能。

由表2可分析得到:在4組開裂間距的芯樣中,隨著開裂程度降低,斷裂能總體呈上升趨勢,試件的抗低溫開裂性能更加優異。對于直徑為100mmAC-13瀝青混合料,其斷裂能總體處于300~800J·m^-2。由此可見,SCB試驗結果同服役狀態下瀝青路面低溫性能相關度高,利用本研究可以得到混合料SCB試驗同路面開裂狀況的對應關系。

斷裂韌性同開裂間距的關系同樣十分明確:隨著開裂間距的擴大,試件的平均斷裂韌性逐步升高,其加載過程中裂縫更難快速發展,混合料的低溫性能更佳。

由表2和圖5可看出:試件平均勁度變化規律與斷裂能、斷裂韌性相反。更大的勁度代表試件在承受相同荷載時所發生的彈性變形更小,低溫狀態下脆性更強,因此試件的低溫性能表現更差。由此,通過勁度能夠反映:開裂間距更大路段所取芯樣的低溫延展性更好,開裂間距小的芯樣總體較脆。隨間距擴大,試件勁度的變化速率減緩,這與斷裂能的變化規律是一致的。

對以上3個指標的分析均能指向同一個結果,即開裂程度大的路段,其芯樣低溫性能更差。不同開裂間距下,瀝青混合料的斷裂能、斷裂韌性、勁度數據的差異較大,規律明顯,可以初步認為:SCB試驗能夠反映瀝青路面實際服役狀態下的低溫開裂狀況。


指標對比

目前常見的低溫性能評價指標主要分為:強度指標、變形指標、模量、能量、韌性、勁度、J積分、溫度、時間、收縮系數等。小梁彎曲試驗中推薦的應變或強度指標變異性較大,數據穩定性不高。剩余力學指標中首推能量指標,主要由于其能夠較為綜合地反映混合料或結合料低溫狀態下受載破壞情況,不僅考慮了低溫開裂中的多種開裂因素綜合影響,也能靈活表示出不同加載階段下試件的受載情況,大幅度地降低了由于某單一因素對試驗結果產生的系統誤差。


前文計算了SCB試驗得到的3個指標,并對其進行對比分析。斷裂韌性考慮了試件尺寸及*大荷載影響,原理上類似于強度指標,因此開裂程度小的路段,其值一般偏大,但其未考慮加載過程中試件位移帶來的影響,指標易受到單一因素擾動的影響。勁度指標綜合考慮了荷載及位移兩部分,與強度和變形指標相比置信度更高,但其僅能作為材料彈性階段性能評判依據,對黏彈性階段,裂縫產生后的加載階段考慮不足。斷裂能作為規范推薦指標,綜合了強度及變形指標,計算涉及加載的全部過程及無法加載的擬合段,并且考慮了試件尺寸的影響。因此在時溫條件相同情況下,剩余指標中,優先推薦使用斷裂能進行混合料低溫性能評判。





BBR試驗驗證

遵照BBR試驗相關要求,利用0.98N的恒定荷載進行瀝青梁加載,借助儀器內嵌程序進行數據計算,得到了不同裂縫間距下試件未經二次老化及二次老化后的S,m,數據分別如圖6,7所示。

BBR試驗的結果可看出:相同試驗條件下,低溫性能更好的瀝青小梁總是表現出更低的勁度模量和更高的勁度模量變化率。BBR試驗結果反映出:無論是否經過二次老化,更大裂縫間距下的瀝青試件均能體現出更好的低溫性能。二次老化后,勁度模量有所提升,而其模量變化率下降明顯,這反映出二次老化對抽提瀝青的軟化現象產生了良好的遏制效應。從數據的分布規律來看,二次老化后的試件,勁度模量及模量變化率隨時間變化規律相似;而未經二次老化的試件勁度模量在240S時趨于一致,模量變化率則在試驗初始階段較為相似。

本文研究中,利用BBR試驗基本能夠反映瀝青路面低溫狀況,其體現出的芯樣低溫性能總體規律與SCB是一致的。結合料試驗結果有力地證明了SCB試驗參數與路面開裂狀況之間的對應關系。至此也證明了SCB試驗數據的可靠性,構建起了瀝青路面實際開裂狀況同混合料性能參數、結合料性能參數之間的關系。



結語


不同裂縫間距下所取芯樣的低溫性能勢必存在不同。本文對路面芯樣直接進行SCB加載,旨在驗證SCB試驗同瀝青路面實際開裂性能間的聯系,構建低溫模型下混合料參數及路面開裂狀況的對應關系。利用BBR試驗結果作為參考,進一步驗證了該關系的可靠性。研究結論如下:

(1)歸納提出了改進的SCB試驗條件及方法,通過統計學分析及開展的對比試驗結果顯示,該方法的測試結果穩定可靠,可以用以評價*限低溫設計溫度下瀝青混合料的開裂性能。

(2)按照現行瀝青路面設計規范中瀝青路面開裂間距標準,提出吉林省瀝青路面低溫性能判定依據:高速公路及一級公路,其在-30℃條件下的SCB試驗斷裂能應當大于700J·m^-2,二級公路則應大于600J·m^-2,三級及四級公路也應當大于550J·m^-2。其他地區的判定依據可根據其低溫設計溫度進行適當調整。

(3)不同開裂間距路段瀝青混凝土芯樣的回收瀝青BBR試驗結果與SCB斷裂能等有較好的對應性。不論是抽提瀝青的直接加載,還是將其進行二次老化,回收瀝青的BBR結果均能夠反映對應路段瀝青路面的抗裂特性。

(4)本文所取芯樣直徑均為100mm,但在相關測試中發現150mm直徑試件的數據均勻性更好。因此,有必要繼續開展針對150mm芯樣的深入研究。


全文完 首發于《中國公路學報》20207月第7











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