寒冷地区沥青路面材料低温抗裂性能研究.pdf
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1、引 用 格 式:Q I AO M i n g x i n,YAN GS a n q i a n g S t u d yo nL o wT e m p e r a t u r eC r a c kR e s i s t a n c eo fA s p h a l tP a v e m e n tM a t e r i a l i nC o l dA r e aJJ o u r n a l o fG a n s uS c i e n c e s,():,乔明鑫,杨三强寒冷地区沥青路面材料低温抗裂性能研究J甘肃科学学报,():,d o i:/j c n k i i s s n 寒冷地区沥青路面材料低
2、温抗裂性能研究乔明鑫,杨三强(新疆农业大学交通与物流工程学院,新疆 乌鲁木齐 ;河北大学建筑工程学院,河北 保定 )摘要为研究寒冷地区低温条件对沥青路面低温性能影响,本次研究通过冻断试验、低温小梁弯曲试验、冻融劈裂试验检测了A C 、A C 、S MA 种级配类型的沥青混合料低温性能,由冻断试验的结果提出寒冷地区温度区间划分的节点,将低温条件划分成个温度区间,结合、个温度条件下低温小梁弯曲试验结果,分析沥青混合料的应力松弛作用与沥青混合料低温抗裂性能关系,并从冻断试验应力温度曲线中获取数据拟合出应力时间关系,得到松弛模量曲线.结果表明:当降温幅度相等时,温度越低,其对应力松弛影响程度越高;沥青
3、混合料低温抗裂性能随着应力松弛作用的削弱而变差;相同级配下橡胶沥青混合料应力松弛能力受温度影响低于S B S改性沥青.关键词寒冷地区;耐久性;低温抗裂性;应力松弛中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()在寒冷地区,温度是影响沥青路面耐久性的主要外因之一,在低温条件下沥青混合料的力学性能是影响其耐久性的主要内因,因此在寒冷地区需要重点检测沥青路面材料的低温性能和低温抗裂性能.针对沥青混合料低温抗裂性能评价问题及低温指标在寒冷地区沥青路面性能控制方面,我国学者已经做了大量研究,但因气候划分不够细化,故对耐久性路面设计的影响仍然较大.目前沥青路面设计控制指标以传统力学指标为主 ,新版规范中级配设
4、计过程对沥青混合料的低温性能主要是控制低温弯拉应变,以及验算低温开裂指数,对于低温性能的研究主要集中在力学性能随低温温度变化的规律 .总之,寒冷地区沥青路面设计对材料的粘弹性研究仍然有待加强,应力松弛能力对低温性能的影响研究是必要的.为了研究寒冷地区气候的划分温度区间,以及低温条件下沥青混合料的抗裂性能与应力松弛能力关系,本次研究主要从不同级配沥青混合料低温性能的角度出发,分析材料在不同温度区间内的低温性能优劣性,并根据冻断试验和不同温度条件下低温小梁弯曲试验的结果,得出沥青混合料应力松弛能力与低温抗裂性能的关系,以及温度对应力松弛作用的影响,从应力松弛角度研究温度对沥青混合料低温抗裂性能的影
5、响.试验方案设计本次研究以新疆地区为例,大部分地区冬季低温持续时间长,且伴有降雪积雪,横向裂缝病害普遍,因此新疆的路面基本需要保证优秀的低温抗裂性能和抗冻融冻胀性能,以抵抗严酷低温与积雪引起的冻融作用影响.考虑到在实际运用中,密实A C型级配为普遍采用的级配类型,所以本次研究的混合料级配以A C型为主,包括A C 、A C ,并选用面层性能较好的S MA 级配沥青混合料.沥青材料采用 基质沥青、S B S改性沥青、橡胶改性沥青,其中橡胶质量分数.参考 公路沥青路面施工技术规范(J T GF )确定级配并对按合成级配制成的沥青混合料试件进行基本参数第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报J o
6、u r n a l o fG a n s uS c i e n c e sV o l N o A u g 收稿日期:;修回日期:作者简介:乔明鑫(),男,江苏盐城人,硕士研究生,研究方向为道路工程.E m a i l:q q c o m检测,各设计级配以及材料基本参数如表和表所列,检测结果符合要求.按确定的级配制成待测试件,并进行相关低温性能检测试验.考虑到寒冷地区沥青路面材料需要抵抗温缩应力、行车荷载、冻融冻胀等作用,因此研究时对上述沥青混合料分组后进行了冻断试验、低温小梁弯曲试验,用于评价各沥青混合料的低温性能,其中小梁弯曲试验设定了、个试验温度.数据分析冻融劈裂试验数据分析冻融劈裂强度试
7、验可以评价沥青混合料的水稳定性,且根据冻融劈裂强度比,初步判断沥青混合料在低温条件下的耐久性,本次对橡胶改性沥青混合料和S B S改性沥青混合料进行了冻融劈裂试验的检测,结果如表所列.表沥青混合料合成级配T a b l eS y n t h e t i cg r a d a t i o no fa s p h a l tm i x t u r e筛孔尺寸/mm混合料级配通过百分率/A C A C S MA 表沥青用量与基本参数T a b l eA s p h a l t c o n t e n t a n db a s i cp a r a m e t e r s级配沥青沥青质量分数/空隙率/
8、矿料间隙率/饱和度/稳定度/k N流值/mmA C S B S 橡胶 A C S B S 橡胶 S MA S B S 橡胶 表沥青混合料冻融劈裂试验结果T a b l eR e s u l t so f f r e e z e t h a ws p l i t t i n g t e s t o fa s p h a l tm i x t u r e指标A C S B S沥青A C 橡胶沥青A C S B S沥青A C 橡胶沥青S MA 橡胶沥青冻融劈裂抗拉强度比/公路沥青路面设计规范(J T G D )中要求冻融劈裂抗拉强度必须不低于,表中检测对象均在 以上,满足规范要求,且低温条件下水稳定
9、性优秀.其中橡胶沥青混合料(A C )抗冻融冻涨性能最优,S MA 的橡胶沥青混合料与A C 的S B S改性沥青混合料的抗冻融冻胀能力相近,因此温度在较长时间内于上下浮动且有一定的降雪的地区,密实级配具有较好的水稳定性.冻断试验数据分析根据粘弹性理论可知沥青路面是粘弹性结构物,低温条件下粘性性质被抑制,材料以弹性性质为主,且受严酷低温影响,沥青材料本身表现为易断裂.结合冻断试验个评价指标的意义可知,混合料温度高于转化点温度时,材料的应力松弛作用明显;当温度介于材料的冻断温度与转化点温度之间时,沥青混合料的应力松弛作用被压制,材料主要表现为弹性,该阶段温度应力曲线斜率越低的材料,在温度降低过程
10、中越不容易接近材料本身的冻断强度,因此低温性能表现更好;当温度低于材料的冻断温度时,材料发生断裂且性能大幅度降低.冻断试验获取的指标值汇总见表.参照本次冻断试验结果及结合冻断试验所得指标的意义,可确定气候条件划分的参考温度节点,考第 卷乔明鑫等:寒冷地区沥青路面材料低温抗裂性能研究表冻断试验结果T a b l eR e s u l t so f f r e e z e b r e a k i n g t e s t级配沥青转化点温度/温度应力斜率冻断温度/冻断强度/MP aA C 橡胶 S B S S MA 橡胶 S B S 虑到道路施工基本会使用改性沥青,所以确定温度节点时参考表中改性沥青的
11、冻断试验指标值后,分别求取转化点温度和冻断温度的平均值后保留整数部分,确定温度节点为 和 .因此基于本试验结果可知,对于极端最低气温高于 的地区,S B S改性沥青与橡胶改性沥青混合料有较好的低温性能;极端最低气温介于 的地区,对S B S改性沥青与橡胶沥青混合料要着重考察抗疲劳性能,结合表中的温度应力斜率值可知,当沥青混合料应力松弛作用被低温限制时,橡胶沥青混合料的低温性能表现优于S B S;而极端最低气温低于 的地区,需进一步提升S B S和橡胶沥青混合料的低温性能,或者掺加其他低温性能更好的改性沥青.低温小梁弯曲试验数据分析在个温度条件(、)下分别检测了A C 、A C 、S MA 级配
12、的S B S改性沥青和橡胶改性沥青混合料的低温抗裂性,其结果见表、图和图.表不同温度条件下低温小梁弯曲试验结果T a b l eB e n d i n g t e s t r e s u l t so f l o wt e m p e r a t u r e t r a b e c u l a eu n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s指标温度/S B S沥青A C 橡胶沥青A C S B S沥青A C 橡胶沥青A C 橡胶沥青S MA 弯拉应变/图 A C与S M A级配沥青混合料冻断试验温度应力曲
13、线F i g T e m p e r a t u r e s t r e s s c u r v eo f f r e e z e b r e a k i n g t e s t o fA Ca n dS MAg r a d e da s p h a l tm i x t u r e由表可知,在 区间内,沥青弯拉应变变化幅度为 ;在 区间内,沥青弯拉应变变化幅度为 .图显示出,同级配的沥青混合料中橡胶沥青混合料的弯拉应变值更高,因为橡胶沥青在S B S沥青混合料的基础上进一步提升了沥青混合料的应力松弛能力,并增强了混合料内部粘结力,因此橡胶沥青混合料的抗裂能力得到了提升.由图还可知,A C 与
14、S MA 级配相比,在低图各沥青混合料低温小梁弯曲试验弯拉应变F i g B e n d i n ga n dt e n s i l e s t r a i nd i a g r a mo f e a c ha s p h a l tm i x t u r e i n l o wt e m p e r a t u r eb e n d i n g t e s t温环境下A C 抗弯能力高于S MA ,即相同条件下,A C 级配混合料承受行车荷载的能力高于S MA ;而在一定的降温速率下,S MA 承受温缩应力作用的能力是强于级配A C .因此在寒冷地区进行路面材料设计时,应当综合考察低温条件下
15、材料承受行车荷载和降温过程材料承受温度应力两方面的性能.由图可知,温度对沥青混合料的低温抗裂性有一定影响,的温度条件对沥青混合料的低温抗裂性能影响明显低于 温度甘 肃 科 学 学 报 年第期条件.结合中 是沥青混合料应力松弛能力被削弱和基本丧失的温度条件划分节点,得到沥青混合料的应力松弛作用的强弱影响着其低温抗裂性能的优劣.沥青混合料应力松弛能力分析为了量化温度对沥青混合料应力松弛的影响,从冻断试验温度应力曲线中获取数据,数据采集是从开始,按的间隔获取各的温度变化对应的应力增长值.将 间隔换算成m i n的时间间隔(冻断试验降温速率为 /h),获取的数据如表所列.并用指数函数对数据进行拟合,最
16、终获取 共 组数据.整理拟合结果并确定参数值后的应力与松弛模量结果见表.将表中函数表达式绘制为二维曲线图,结果如图和图所示.由表、表和图、图可得,范围内,温度变化对沥青混合料的应力松弛作用影响明显,接近时(即 m i n时),温度变化对沥青混合料的应力松弛作用的影响基本可以忽略.不同沥青混合料的应力松弛作用对温度变化的敏感程度也有区别,当应力松弛能力基本未受温度影响时,种沥青混合料应力松弛能力排序为S MA (S B S)表冻断试验温度应力数据采集结果T a b l eT e m p e r a t u r ea n ds t r e s sd a t ac o l l e c t i o n
17、r e s u l t so f f r e e z e b r e a k i n g t e s t温度/S B S改性的应力增值/MP aA C S MA 橡胶改性的应力增值/MP aA C S MA 表种沥青混合料松弛应力与松弛模量T a b l eR e l a x a t i o ns t r e s sa n dr e l a x a t i o nm o d u l u so f f o u r t y p e sa s p h a l tm i x t u r e沥青混合料应力公式松弛模量公式A C (S B S)(t)et E(t)et S MA (S B S)(t)et
18、E(t)et A C (橡胶)(t)et E(t)et S MA (橡胶)(t)et E(t)et 图各沥青混合料应力F i g S t r a i nd i a g r a mo f e a c ha s p h a l tm i x t u r e图各沥青混合料松弛模量F i g R e l a x a t i o nm o d u l u so f e a c ha s p h a l tm i x t u r e第 卷乔明鑫等:寒冷地区沥青路面材料低温抗裂性能研究S MA (橡胶)A C (橡胶)A C (S B S);当温度接近 时,种沥青混合料应力松弛能力排序为S MA (橡胶)A
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