SBR改性瀝青的低溫抗裂性能研究

張廉青

（天津市交通科學研究院，天津 300074）

0 引言

道路工程中常用的路面為瀝青路面與水泥混凝土路面。瀝青路面屬于柔性路面，具有更好的力學性能與路用性能，因此其應用越來越廣泛[1-2]。但是瀝青路面中的瀝青混合料是一種感溫性材料，在低溫條件下容易發生收縮，從而導致瀝青路面開裂[3-4]，尤其是在周期性變化的溫度環境中，材料在反復的溫升與溫降中容易形成穩定疲勞裂縫，加劇瀝青路面開裂。本文將在現有研究成果的基礎上，對SBR改性瀝青的低溫抗裂性能做進一步的探討。

1 瀝青路面低溫開裂的原因

導致瀝青路面開裂的主要因素是路面承受的荷載與環境溫度。其中，環境溫度是導致瀝青路面開裂的最主要因素。溫度的降低與升高會導致瀝青混合料出現收縮與膨脹，材料的收縮、膨脹將導致材料產生應力與應變，當所產生的應力大于材料的抵抗力，材料就會發生破壞，從而導致路面開裂。低溫引起的開裂又稱為低溫縮裂。低溫裂縫大多為橫向等間距裂縫，裂縫最初出現在道路表面，隨后逐步向深層發展，裂縫寬度逐漸增大。影響低溫裂縫的主要因素包括瀝青的種類與性質、瀝青混合料的組成與性質兩方面。若瀝青的品質較好，則可以大大改善瀝青路面的質量。當瀝青的品質相同時，瀝青的針入度越大或者勁度越小，瀝青路面低溫裂縫的出現概率就越小。增加瀝青的用量有助于改善瀝青混合料的抗裂性能，但同時也會導致混合料的應力松弛性能提高，從而促進瀝青混合料的收縮，對瀝青混合料的抗裂性能不利。瀝青混合料中集料的吸水性越大，瀝青混合料的抗裂性就越差，這主要是因為吸水性大的集料水分含量高，當溫度降低時產生的收縮大。另外，剝落率大的瀝青混合料，由于瀝青與混合料的黏結性差，導致其抗裂性也差。

2 低溫抗裂性能試驗方法

瀝青混合料的低溫抗裂性能試驗主要是為了評價瀝青混合料的低溫抗裂能力，常見的試驗方法有劈裂試驗、彎曲試驗、線收縮系數試驗、彎曲蠕變試驗及單軸壓縮試驗[5-11]。下面對部分試驗的試驗條件、優缺點進行對比分析。

（1）劈裂試驗。劈裂試驗所需要的試件與標準馬歇爾試件相同，試件的尺寸一般為直徑150mm、高110mm，試驗溫度一般控制在-10.5～-9.5℃，加載速率為1mm/min，以劈裂抗拉強度或破壞拉伸應變作為指標。該試驗的試件成型較為簡單，數據處理也比較簡單，但加載速率較低，試驗操作也較為繁瑣。

（2）彎曲試驗。彎曲試驗中的試件為長250mm、寬30mm、高35mm的棱柱體小梁，低溫試驗時溫度一般為-10.5～-9.5℃，以抗彎拉強度、彎拉應變及勁度模量作為評價指標。該試驗的試件制作簡單，試驗操作及數據處理也相對簡單，但缺少當溫度低于-10℃的對比試驗。

（3）線性收縮系數試驗。線性收縮系數試驗所需的試件為長200mm、寬20mm、高20mm的棱柱體，試驗溫度一般控制在-30～10℃。通過試驗得到試件的平均收縮應變和平均收縮系數。該試驗具有試件制作簡單、數據處理簡單的優點，但其試驗設備較為復雜，試驗過程中誤差較大。

（4）彎曲蠕變試驗。彎曲蠕變試驗中的試件為長250mm、寬30mm、高35mm的棱柱體小梁，在進行低溫試驗時適宜溫度為0℃，在進行高溫性能試驗時適宜溫度為30～40℃。通過試驗得到彎曲蠕變值及蠕變速率。該試驗的試件制作、試驗操作及數據處理簡單，但低溫試驗的溫度為0℃，與實際工程相比溫度較高，試驗結果不能體現更低溫度下的實際路用性能。

3 工程實例

3.1 工程概況

該工程所在地區屬于溫帶大陸性氣候，冬季寒冷并且持續時間較長，年平均氣溫為0℃左右，最低氣溫可以達到-40℃。該工程為舊路改造工程，路線全長76.2km，原設計道路等級為二級，設計車速為80km/h。由于溫度的影響，瀝青路面出現裂縫、車轍及坑槽等病害。本次改造后的道路等級為一級，改造后的設計車速為100km/h。改造后的面層材料為SBR改性瀝青混凝土。

3.2 SBR改性瀝青的基本性能指標試驗

采用AC-13普通瀝青添加改性劑制成SBR改性瀝青，其中粗集料采用壓碎值為14.3%、針片狀顆粒含量為10%、吸水率為1.5%的碎石；細集料采用表觀相對密度為2.6%、砂當量為12%的細砂；礦粉采用表觀密度為2 800kg/m3、含水量為0.3%的粉煤灰。通過試驗測得該改性瀝青的基本性能，結果如表1所示。

表1 SBR改性瀝青的基本性能指標測試結果

通過馬歇爾試驗得到AC-13SBR改性瀝青混合料的瀝青用量為5.3%，毛體積相對密度為2.4，合成礦料的毛體積相對密度為2.64，孔隙率為4.5%，礦料間孔隙率為14.5%，穩定度為2.18kN，有效瀝青的飽和度為69.2%，流值為3.5mm。

3.3 低溫抗裂性能試驗

下面分別采用彎曲試驗、劈裂試驗及凍斷試驗對改性瀝青混合料進行低溫抗裂性能測試。

3.3.1 低溫彎曲試驗

低溫彎曲試驗是一種常用的瀝青抗裂性能試驗。該試驗的試件可以通過輪壓碾壓成型，試件一般為長250mm、寬30mm、高35mm的棱柱體小梁。分別于0℃,-10℃和-20℃溫度下進行試驗，并將改性瀝青與基質瀝青的試驗結果進行對比。圖1所示為試驗現場照片。試驗結果對比如表2所示。

圖1 彎曲試驗圖片

表2 彎曲試驗結果對比

從表2可以看出，隨著試驗溫度的降低，改性瀝青與基質瀝青破壞時的最大荷載逐漸增大，破壞時的抗彎拉強度也逐漸增大，彎拉應變逐漸減小，破壞時的跨中撓度逐漸減小。對比兩種混合料可以發現，改性瀝青的低溫抗裂性得到顯著改善。

3.3.2 劈裂試驗

劈裂試驗采用的溫度分別為0℃,-10℃及-20℃，試件為直徑150mm、高110mm的圓柱體。采用動態液壓瀝青混合料試驗系統（UTM-100）對試件的極限抗拉強度、蠕變荷載等指標進行測定，并將改性瀝青與基質瀝青的試驗結果進行對比。圖2為試驗現場照片。試驗結果如表3所示。

表3 劈裂試驗結果對比

圖2 劈裂試驗圖片

從表2可以看出，改性瀝青與基質瀝青破壞時的極限抗拉強度和蠕變荷載均隨著試驗溫度的降低而增大。對比兩種混合料可以發現，改性瀝青的低溫抗裂性能更好，其達到破壞所需的荷載較大。

3.3 凍斷試驗

凍斷試驗的初始溫度為5℃，隨后以每小時下降10℃的速度進行降溫。試件為200mm×40mm×40mm的棱柱體，采用與劈裂試驗中相同的UTM-100試驗儀進行試驗。圖3為試驗現場照片。試驗結果如表4所示。

圖3 凍斷試驗圖片

表4 凍斷試驗結果對比

從表4可以看出，改性瀝青混合料的低溫破壞溫度比普通瀝青混合料更低，其發生斷裂所需要的荷載強度更大，說明改性瀝青能有效改善瀝青路面的低溫抗裂性能。

4 結語

本文分析了造成瀝青路面開裂的主要原因，并結合工程實例對SBR改性瀝青的低溫抗裂性能開展了試驗研究，結果表明：環境溫度因素是導致瀝青路面開裂的主要因素，與基質瀝青相比，改性瀝青能有效改善瀝青混合料的低溫抗裂性能，這主要與改性劑有關。但本文未對其他改性劑進行對比分析，這將是下一步研究的方向。