彩色瀝青混合料設計方法及路用性能研究

1、彩色瀝青混合料設計及性能的研究彩色路面用結合料作為一種新型的路面材料，除了對其結合料性能得以驗 證，還需對其混合料的路用性能也進行研究。本章對彩色瀝青混合料分別進行了高溫、低溫、水穩(wěn)定性和疲勞性能的研究。§ 4-1 原材料試驗4.1.1 彩色結合料及瀝青技術指標試驗參照道路石油瀝青的技術指標，按照公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程 (JTJ0522000)相關試驗對各種瀝青結合料進行主要技術指標測試。實驗結果 見第三章表3-2-2和表3-2-3所示。4.1.2 集料技術指標試驗試驗使用的集料為石灰?guī)r，經(jīng)篩分后逐級稱量回配。礦粉是陜西眉縣水泥廠 生產(chǎn)礦粉。集料技術指標按照公路工程集料試驗

2、規(guī)程(JTGE42- 2005)的要求進行，各級粒徑集料的技術指標測定結果見表4-1-1所示。表4-1-1集料技術指標項目規(guī)格(mm)測定值實驗方法表觀相對密度/ 毛體積相對密度13.22.728/2.709T03049.52.741/2.7064.752.735/2.6732.362.726T03281.182.7330.62.6980.32.6920.152.6810.0752.657礦粉2.696T0352壓碎11 ( %)18.04T0316磨耗值()17.75T0317沖擊值()8.44T0322通過水煮法實驗，測得以上四種瀝青結合料與該種石料的粘附性介于三、 四級之間。4.1.3

3、顏料用于彩色結合料著色的物質(zhì)主要是無機顏料、有機顏料和某些染料，在選擇 顏料時，除了根據(jù)色調(diào)、飽和度、明度來選擇外，還必須考慮到它的著色力、遮 蓋力、耐遷力、耐候、耐磨性以及與聚合物或添加劑的相互作用。這樣選擇顏料 不僅光彩奪目，而且不褪色，經(jīng)久耐用。表 4-1-2列出了常用顏料的一般特性。表4-1-2三大色料的比較項目染料有機顏料無機顏料來源天然或自成合成天然或自成相對密度2.0 3.51.22.03.5 5.0在有機溶劑及聚合 物內(nèi)溶解情況溶溶或小溶不溶著色力強中差顏色寬度大中小光穩(wěn)定性差中強熱穩(wěn)定性170200 C 分解200260C 分解500 c分解化學穩(wěn)定性低中高遷移現(xiàn)象大中小從表

4、4-1-2可以看出，無機顏料在耐熱性、耐曬性和遮蓋力方面要比有機 顏料好，但有機顏料具有相對密度小，色澤鮮艷和色譜齊全的優(yōu)點，通常有機顏 料要比無機顏料的價格高，在制作彩色結合料時，顏料選擇應根據(jù)造價、性能綜 合選用，既可用有機顏料也可用無機顏料。無機顏料主要有以下幾種可供選擇：a.金屬氧化物：如二氧化鈦、三氧化二銘、氧化鐵等。b.金屬硫化物：如鎘黃、鎘紅、硫化鐵等。c.銘酸鹽類：如銘黃、銘橙等。d.硅酸鹽類：如群青。有機顏料主要有以下幾類可供選擇：a.偶氮顏料：如漢沙黃、永固黃、顏料黃等。b 酞菁顏料：如酞菁藍、酞菁綠等。c 雜環(huán)顏料：如酞菁紫、永固紫等。本課題考慮到無機顏料造價便宜， 色彩

5、的穩(wěn)定性較好且不易遷移， 選用常見紅色無機顏料氧化鐵。§ 4-2 彩色瀝青混合料配合比設計4.2.1 彩色瀝青混合料的設計方法彩色瀝青混合料根據(jù)級配的不同也有不同的設計方法。 在彩色瀝青混合料級配設計當中應該注意以下幾點：1彩色瀝青混合料的選擇彩色瀝青混合料所用材料包括彩色結合料、 礦質(zhì)集料、 顏料和外加劑等。 這些材料的本身品質(zhì)直接影響到混合料的性能，故混合料設計首先要慎重選擇材料。（ 1）彩色結合料的選擇彩色結合料作為混合料中主要的粘結料， 其性質(zhì)的好壞會直接影響到鋪面質(zhì)量的好壞。因此在生產(chǎn)彩色結合料時一定要嚴格把關、保證質(zhì)量。考慮到我國氣候差異較大， 應在不同地區(qū)選擇不同的彩色

6、結合料， 這一點可以通過調(diào)整原材料比例來實現(xiàn)， 比如在南方炎熱地區(qū)， 可以選擇針入度小一些的彩色結合料如 70# ， 在北方寒冷地區(qū)， 可以選擇針入度大一些的寒區(qū)用彩色結合料，一般地區(qū)可用針入度適中的結合料。（ 2）礦質(zhì)集料的選擇彩色瀝青混合料同樣重視礦料的性能， 礦料應該滿足強度的要求， 礦料顆粒形狀以接近立方體其多棱角為佳，限制其針片狀含量，集料應清潔、干燥、無雜質(zhì)和泥土， 總之一定要嚴格要求一定要嚴格要求礦料的物理技術指標， 對于不合格的礦料堅決予以廢棄。不同于一般瀝青混合料的一個重要差別就是色彩要求，選用與預期混合料顏色較為接近的彩色石料或是顏色較淺的石料可鋪出純色彩的彩色路面， 選用

7、一般石料或色彩與顏料反差較大的石料， 鋪出的路面開始為純色，經(jīng)過一段時間的磨耗，可成為斑點相間的彩色路面。（ 3）顏料用于彩色鋪裝層中的顏料包括無機和有機顏料， 從發(fā)色效果來看， 有機顏料要優(yōu)于無機顏料， 但有機顏料的造價高， 同時有機顏料的耐老化性要劣于無機顏 料，因此在選擇顏料時可根據(jù)具體情況加以選擇。（ 4）外加劑若想提高混合料的某些路用性能時， 可以添加一些相應的外加劑。 如添加抗剝落劑來提高混合料的抗水侵害能力， 添加抗車轍劑來提高混合料的抗高溫變性能力，特殊級配還需纖維等等。2彩色瀝青混合料的配合比設計彩色瀝青混合料的配合比設計主要內(nèi)容有： 確定混合料礦料級配、 確定淺色結合料用量

8、以及確定顏料用量， 若需使用外加劑還需確定外加劑用量。 設計方法可采用諸如馬歇爾法、 GTM 法、貝雷法等其他方法。（ 1）混合料礦料級配確定集料的級配組成設計基本上與一般的瀝青混凝土面層設計類似， 可以采用所適用于熱拌瀝青混合料的幾乎所有級配。 對于停車場， 住宅小區(qū)等承載力較小的地方，可采用較薄層的彩色鋪面，比如AC-5, AC-10等級配類型。對于道路鋪裝，可以采用 AC-10， AC-13， AC-16 ，以及其他特殊結構形式，級配設計過程與一般瀝青混凝土完全相同。（ 2）確定彩色結合料用量彩色結合料最佳用量的確定方法跟一般瀝青混合料最佳瀝青用量的確定方法一樣，取決于混合料類型，道路交

9、通荷載及交通量大小，氣候條件等因素，雖然彩色結合料的性能要比一般道路瀝青在某種程度上有一定優(yōu)勢， 但能否正確地確定結合料用量，對路面仍有極大影響。（ 3）顏料用量的確定顏色是彩色鋪面一個極為重要的環(huán)節(jié)， 而顏料是控制混合料顏色的最主要因素，顏色用量選取應慎重。在確定顏料用量時，可按彩色結合料生產(chǎn)配比摻加1%、 2%、 3%、 4%、 5%五種不同含量顏料， 經(jīng)過反復比較， 得出顏色效果最佳的顏料用量。 然后按此用量調(diào)整生產(chǎn)配比，并進行馬歇爾試驗驗證，當馬歇爾技術指標合格后便可使用。4.2.2 彩色瀝青混合料馬歇爾試驗設計本研究配合比設計采用馬歇爾試驗設計方法。 選用一種常用級配對采用不同 結合

10、料的混合料進行性能對比研究， 試驗中礦料級配統(tǒng)一采用 公路瀝青路面施 工技術規(guī)范(JTG F4A2004)中推薦的AC-13型級配的中值，其具體級配組成 見表4-2-1和圖4-2-1所示。表4-2-1瀝青混合料礦料級配組成AC-131613.29.54.752.361.180.60.30.150.075通過率 范圍，10090-10068-8538-6824-5015-3810-287-205-154-8中值，%1009576.5533726.51913.5106圖4-2-1級配曲線圖按照高等級道路的擊實標準(正反各 75次)成型試件，各種結合料選用五 種不同瀝青用量，成型后測定馬歇爾試件的毛

11、體積密度、空隙率、礦料間隙率、 瀝青飽和度，在60c水中恒溫30-40分鐘后，測定穩(wěn)定度和流值，試驗結果見 圖 4-2-2 圖 4-2-9。圖4-2-2 BSL-90A 彩色瀝青混合料油石比與各指標關系圖4-2-3 BSL-90B彩色瀝青混合料油石比與各指標關系圖4-2-4 BSL-90C彩色瀝青混合料油石比與各指標關系圖4-2-5 ESSO90瀝青混合料油石比與各指標關系圖4-2-6 BSL-70A彩色瀝青混合料油石比與各指標關系圖4-2-7 BSL-70B彩色瀝青混合料油石比與各指標關系圖4-2-8 BSL-70C彩色瀝青混合料油石比與各指標關系圖4-2-9 ESSO70瀝青混合料油石比與

12、各指標關系按照公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTG F40-2004)方法確定各種結合料 的最佳瀝青用量，如圖4-2-10。圖4-2-10 最佳油石比的確定試驗結果見表4-2-2和表4-2-3。表4-2-2不同瀝青?!合料(90#結合料)馬歇爾試驗結果結合料最佳MS毛體積密度P s (g/cm 3)空隙率VV礦料間隙率VMA(%)飽和度VFA穩(wěn)定度MS流值FL (mm)(%)(%)(%)(kN)BSL-90A4.82.4243.314.375.88.602.25BSL-90B4.72.4283.314.176.69.482.64BSL-90C4.72.4303.514.279.09.002.47E

13、SSO904.72.4213.814.673.78.802.39表4-2-3不同瀝青?!合料(70#結合料)馬歇爾試驗結果結合料最佳W MS(%)毛體積密 度P s(g/cm 3)空隙率VV(%)礦料間隙率VMA(%)飽和度VFA(%)穩(wěn)定度MS(kN)流值FL (mm)BSL-70A4.82.4113.614.575.49.222.23BSL-70B4.72.4144.014.673.08.502.97BSL-70C4.72.4073.814.972.59.522.05ESSO704.72.4343.314.076.59.782.15圖4-2-11兩種不同顏色的彩色瀝青混合料§ 4

14、-3彩色瀝青混合料路用性能研究4.3.1 彩色瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性隨著現(xiàn)代交通量的不斷增大，車輛行駛的渠化，瀝青路面的車轍破損越來越 嚴重。它使路表過量變形，影響路面平整度；削弱面層及路面結構的整體強度， 誘發(fā)其它病害；雨季車轍內(nèi)積水可導致車輛漂滑， 影響高速行車安全等。由此可 知，車轍的產(chǎn)生嚴重影響著路面的使用壽命和服務質(zhì)量。因此，對彩色混合料進行車轍試驗分析是非常必要的。1 .試驗評價方法瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，即瀝青路面抵抗流動變形的能力。 瀝青混合料是 一種粘彈性材料，其物理力學性能與溫度、荷載作用時間密切相關，瀝青路面的 強度與剛度隨溫度升高而顯著下降，為了保證瀝青路面在高溫季節(jié)行

15、車荷載的反 復作用下，不至于產(chǎn)生諸如波浪、推移、車轍、擁包等病害，要求瀝青路面具有 良好的高溫穩(wěn)定性。評價瀝青混合料的高溫性能的試驗方法有很多，如單軸加載試驗、三軸壓縮 試驗、彎曲蠕變試驗、簡單剪切試驗、車轍試驗和大型環(huán)道試驗等。在諸多的試驗中， 車轍試驗是在規(guī)定的溫度下通過板狀試件與車輪間的往復相對運動， 使試塊在車輪的重復作用下產(chǎn)生壓密、剪切、推移和流動，從而產(chǎn)生車轍，用儀器將試塊的變形和試驗時間進行測定就可以用來檢驗瀝青混合料的高溫性能。 該方法能夠充分模擬瀝青路面上車輪行駛的實際情況，而且試驗方法思路清晰、簡單，因此本課題采用車轍試驗檢驗混合料的高溫穩(wěn)定性，其評價指標為動穩(wěn)定度DS和相

16、對變形21 。本次試驗采用北京航天航宇測控技術研究所生產(chǎn)的ZCZ 5 型車轍儀，如圖4-3-1所示。由計算機控制整個試驗過程，自動采集數(shù)據(jù)并進行動穩(wěn)定度（DS）的計算。圖 4-3-1 ZCZ-5 型全自動雙輪車轍試驗儀實驗條件如下：A.試件尺寸：300X 300X 50mm；B.試驗荷重：施加的總荷重為 700N左右，使試驗輪與試件的接觸壓強在60時為0.7± 0.05MPa；C.試驗溫度及試件養(yǎng)生時間：試驗溫度采用 60C,試件放入恒溫環(huán)境中養(yǎng) 生524h;D.行走距離及行走速度：試驗輪行走距離為 230± 10mm,行走速度42 ±1 次/min,其行走方向與

17、試件碾壓或行車方向一致；E.動穩(wěn)定度計算方法：式中：DS瀝青混合料的動穩(wěn)定度，次/mm；d 60 試驗時間為60min 時試件的變形量， mm； d 45 試驗時間為 45min 時試件的變形量， mm；N一試驗輪行走速度，次/min。圖 4-3-2 BSL 彩色瀝青混合料與一般瀝青混合料車轍試驗后的比較2試驗結果及分析對用各種不同結合料的混合料按照其最佳瀝青用量成型車轍板， 進行車轍試 驗， 試驗方法采用中華人民共和國行業(yè)標準 公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程 （ JTJ052 2000） 中的 T0719 2000， 得到的試驗結果列于表4-3-1 和表 4-3-2表 4-3-1 不同瀝青

18、混合料（ 90結合料）車轍試驗結果結合料 種類動穩(wěn)定度DS,次/mm45min車轍變形量，mm60min車轍 變形量mm相對變 形BSL-90A705.15.8886.78913.6BSL-90B846.47.7178.53317.0BSL-90C1393.83.2533.7057.4ESSO901013.94.2854.9079.8表4-3-2不同瀝青?!合料（70#結合料）車轍試驗結果結合料 種類動穩(wěn)定度DS,次/mm45min車轍變形量，mm60min車轍 變形量mm相對變 形BSL-70A1505.53.6404.0678.1BSL-70B881.74.4965.22710.4BSL-

19、70C1874.53.3613.7237.4ESSO701294.64.0464.5259.1圖4-3-3 不同瀝青?!合料（90#結合料）動穩(wěn)定度比較圖4-3-4 不同瀝青?!合料（90#結合料）車轍相對變形比較圖4-3-5 不同瀝青?!合料（70#結合料）動穩(wěn)定度比較圖4-3-6 不同瀝青?!合料（70#結合料）車轍相對變形比較影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的因素很多，主要為集料級配、集料硬度、顆粒形狀等，其次為結合料的性能。由表4-3-1及圖4-3-3和圖4-3-4可以看出：BSL-90C混合料的動穩(wěn)定度 最大，車轍相對變形也最小，其動穩(wěn)定度比 ESSO90昆合料的大37.5%,相對變 形比其

20、小24.5%。這是因為BSL-90C結合料的軟化點為70.3 C比ESSO9叫出很 多；BSL-90A BSL-90B和ESSO90昆合料的高溫穩(wěn)定性大體相當。由表4-3-2及圖4-3-5和圖4-3-6可見，BSL-70C混合料的動穩(wěn)定度最大， 其動穩(wěn)定度比ESSO90昆合料的大44.6%,其60min車轍深度也最小，相對變形 比ESSO75昆合料小17.7%,同樣這也與BSL-70C結合料較高的軟化點有關， BSL-70C結合料軟化點高達 70.7 C。BSL-70A混合料的動穩(wěn)定度也比 ESSO70昆 合料高16.3%,相對變形方面兩者相差不大。BSL-70B混合料的動穩(wěn)定度為881.7,

21、要比ESSO70、，相應其車轍深度也要大一些。從整體上看，由70號結合料組成的混合料要比相應90號的混合料高溫性能 好，表現(xiàn)為動穩(wěn)定度高，車轍相對變形小。彩色瀝青混合料的高溫性能同一般瀝青混合料一樣可以通過改變級配或是添加抗車轍劑等措施加以提高。4.3.2 彩色瀝青混合料的水穩(wěn)定性水損害是瀝青路面破壞的一種重要形式，是路面早期破壞的重要原因之一。它是指瀝青路面在水或凍融循環(huán)的作用下， 由于汽車車輪動態(tài)荷載的作用， 進入路面空隙中的水不斷產(chǎn)生動水壓力或真空負壓抽吸的反復循環(huán)作用， 水分逐漸滲入瀝青與集料的界面上， 使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘附力， 瀝青膜從石料表面脫落剝離，瀝青混合料掉粒、松散

22、、繼而形成瀝青路面的坑槽、推擠變形等的損壞現(xiàn)象。瀝青混合料的水損害與三種作用過程有關： 一是瀝青與礦料之間的粘附性不足， 由于礦料對水的吸力比對瀝青的大， 水分可進入瀝青與集料之間， 從而導致瀝青膜脫落；第二種是瀝青的粘聚力減弱，由于水分入侵，使得瀝青變軟，粘性降低， 從而瀝青混合料的整體性與強度降低； 第三種是混合料在拌和成型過程中加熱溫度過高，致使瀝青老化失去粘性降低所致。1試驗評價方法目前， 評價瀝青混合料水穩(wěn)性的方法很多， 其中得到廣泛應用的有： 浸水馬歇爾試驗、浸水抗壓強度試驗、浸水劈裂強度試驗、AASHTO283(改進的Lottman 法)試驗方法，即凍融劈裂試驗、浸水車轍試驗等。

23、本研究采用 公路工程瀝青及瀝青混合料規(guī)程 ( JTJ052-2000 ) 中浸水馬歇爾試驗及凍融劈裂試驗兩種方法來研究不同瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。1)浸水馬歇爾試驗本方法采用擊實法成型圓柱體試件，拌和溫度(140c160C),擊實溫度(110 C140C),擊實次數(shù)正反各75次，試件尺寸為(|)101.6 X 63.5mm每種混合料成型6 個試件，分成兩組，其中一組直接進行馬歇爾試驗，在60c水浴中恒溫30min40min,測定其穩(wěn)定度MS另一組在60c水浴中恒溫48小時測定其穩(wěn)定度MS1計算殘留穩(wěn)定度：式中：M§ 一試件的浸水殘留穩(wěn)定度，%;MS-試件浸水30min40min的穩(wěn)定

24、度，kN；MS一試件浸水48小時的穩(wěn)定度，kN。本方法采用擊實法成型圓柱體試件，拌和溫度(140c160C),擊實溫度 (110 C140C),擊實次數(shù)正反各 50次，尺寸為小101.6 X 63.5mm試驗時，每種混合料在最佳瀝青用量下成型 6個試件，然后分成兩組。第二 組試件用以下方法處理：a.在98.3KPa98.7Kpa的真空條件下浸水抽真空15min,恢復常壓后在水 中放置30min；b.取出試件并用塑料袋裝好，加入約10ml水，扎緊袋口，放在-18±2C的 冰箱中凍16h±1h:c.從塑料袋中取出試件立即放入 60c水浴中保溫24h。按上述方法處理完第二組試件后

25、，將第一組和第二組試件一并置于25 c 土0.5 C的水中，恒溫不少于2h,利用改裝的劈裂試驗儀(壓條寬度12.7mm加載 速率50mm/mir)分別測出第一組和第二組試件的劈裂強度 總和鼻，按下式計算 劈裂強度比TSR式中：TSR 一劈裂強度比，;Rt1 -第一組試件的劈裂強度，MPa；Rt2 一第二組試件的劈裂強度，MPa；PTiRTi = 0.006287 上其中：hi ; i=1, 2PTi-第i組試件的試驗荷載最大值，kN； hi 一試件的平均高度，mm2 .試驗結果及分析1)采用馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗結果見表 4-3-3 和表 4-3-4 。. - , 表

26、4-3-3 不同瀝青?!合料（90結合料）浸水馬歇爾試驗結果結合料種類MS (KNJ)M0 (KNJ)Mq(%BSL-90A8.607.8991.7BSL-90B9.488.1786.2BSL-90C9.008.2291.3ESSO908.807.0580.1表4-3-4不同瀝青?!合料（70#結合料）浸水馬歇爾試驗結果結合料種類MS (KNMS (KNJ)Mq(%BSL-70A9.228.2088.9BSL-70B8.507.5088.1BSL-70C9.528.8092.4ESSO709.788.7589.5圖4-3-7殘留穩(wěn)定度試驗結果用殘留穩(wěn)定度（M0）評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，MS,

27、越大，水穩(wěn)定性越好。由表4-3-3、4-3-4和圖4-3-7試驗數(shù)據(jù)分析可以得出：8種混合料的殘留穩(wěn)定度都比較高，均在80%以上，滿足規(guī)范中對年降雨量 大于1000mm勺潮濕區(qū)的要求。對于90號結合料，BSL彩色瀝青混合料殘留穩(wěn)定度均比 ESSO5青混合料要 略高，其中BSL-90A和BSL-90C混合料的殘留穩(wěn)定度可達 91.7 %和91.3 % ,比 ESSO9顫青混合料高出14%。對于70號結合料，BSL彩色瀝青混合料和ESSO5青混合料的殘留穩(wěn)定度相 差不多，非常接近，都在90%左右，但仍可發(fā)現(xiàn)BSL-70C混合料是最高的?？梢耘卸˙SL-C系列彩色瀝青混合料的水穩(wěn)定最好。2）采用凍融

28、劈裂強度比TSR價瀝青混合料的水穩(wěn)定性試驗結果見表 4-3-5 和表4-3-6。表4-3-5不同瀝青?!合料（90#結合料）凍融劈裂試驗結果結合料種類RT1 (MPaRT2 (MPaTSR (%BSL-90A0.6790.47570.0BSL-90B0.9290.59263.7BSL-90C0.9110.65271.6ESSO900.9990.65765.8表4-3-6不同瀝青?!合料（70#結合料）凍融劈裂試驗結果結合料種類Rt1 (MPaRt2 (MPaTSR (衿BSL-70A1.1600.70460.7BSL-70B0.9770.67969.5BSL-70C0.9340.66571.2

29、ESSO701.0700.68764.2圖4-3-8凍融劈裂試驗結果影響瀝青混合料水穩(wěn)定性的因素很多， 主要包括瀝青混合料的配合比、材料 質(zhì)量、環(huán)境因素及施工條件。瀝青混合料的性質(zhì)又包括集料的品質(zhì)及質(zhì)量、瀝青 結合料性質(zhì)及混合料類型；環(huán)境因素包括氣候和交通荷載，影響混合料的使用條 件；施工質(zhì)量包括壓實質(zhì)量、溫度控制及施工時的氣候條件 340從表4-3-5、表4-3-6和圖4-3-8可以看出：對于90號結合料，BSL-90C和BSL-90B彩色瀝青混合料水穩(wěn)定性較好，TSR 分別為71.6%、70.0%,比ESSO5青混合料要略高；BSL-90A與ESSO9顫青 混合料TSR相當。對于70號結合

30、料，也以BSL-70C最好，TSR可達71.2 %比ESSO®青混合料 高出11%; BSL-70A彩色瀝青混合料TSRW于第二位，BSL-70B最不好。從高到 低次序為 BSL-70C>BSL-70A>ESSO70>BSL-70B在瀝青與集料的粘附性水煮法試驗中，這8種瀝青結合料與集料的粘附性等 級在三級和四級之間，粘附性不是很好，故而可能出現(xiàn)這樣的結果。在實際的應 用中可以通過優(yōu)化級配或者采取抗剝落措施， 如摻加抗剝落劑等提高混合料的水 穩(wěn)定性。4.3.3 彩色瀝青混合料的低溫抗裂性瀝青路面的低溫收縮裂縫不僅在寒冷地區(qū)，在溫暖地區(qū)也十分普遍，瀝青路面低溫開裂是路

31、面的主要病害之一， 是各國道路界普遍關心的問題。它的產(chǎn)生不 僅破壞了路面的連續(xù)性、整體性，而且通過裂縫水會不斷進入面層的結構、基層甚至路基，在荷載的作用下產(chǎn)生水損害，導致路面承載力的下降，從而影響行車 行駛的舒適性并危及道路的使用壽命和質(zhì)量。因此，需要對瀝青混合料的低溫抗 裂性能進行評價。1 .試驗評價方法目前評價瀝青混合料低溫抗裂性能的方法主要有： 間接拉伸試驗、 直接拉伸試驗、 蠕變試驗、 受限試件的溫度應力試驗、 切口小梁試件的彎曲試驗和應力松弛試驗。 在上述評價方法中常用的是蠕變試驗， 蠕變試驗按加載方式的不同又分為直接拉伸蠕變、劈裂拉伸蠕變和彎曲蠕變，其中又以彎曲蠕變試驗最為常用，該

32、試驗方法是在-ioc,應力水平為iMpm勺條件下，通過測定小梁試件受恒定集中荷載作用時的蠕變速率來評價瀝青混合料的低溫性能。一般的蠕變速率越大， 低溫抗裂性能越好。 但該方法中瀝青混合料的級配類型對應力水平非常敏感，試驗表明對于iMpm勺應力水平只適用于空隙率較小的瀝青混合料及原狀瀝青，而對空隙率大的瀝青混合料和改性瀝青并不適用。瀝青混合料的低溫抗裂性能主要取決于混合料的強度和變形能力， 抗裂性能高的混合料一定具有較高的強度和較大的變形能力。 如果能綜合考慮應力和變形來評價瀝青混合料低溫抗裂性是較為理想的， 能量法正好滿足此要求。 該方法是采用低溫彎曲破壞試驗， 測定破壞時的最大荷載及其破壞時

33、的跨中撓度， 通過計算混合料的彎曲應變能來評價瀝青混合料的低溫抗裂性， 彎曲應變能越大， 表明其低溫抗裂性越好。 因此， 本課題采用低溫彎曲試驗及應變能來評價瀝青混合料的低溫抗裂性。試驗采用美國MT然司生產(chǎn)的材料測試系統(tǒng) MTS- 810試驗機，這是一套精密的閉合伺服液壓系統(tǒng)， 整個試驗過程可通過程序進行控制并由計算機自動采集試驗數(shù)據(jù)，如圖 4-3-9 所示：圖 4-3-9 MTS 810測試系統(tǒng)（ 1）試驗條件成型方法：輪碾法；試件尺寸：35 X 30X 240mm跨徑200mm試驗溫度： 10；加載方式：單點加載；加載速率：50mm/min；（ 2）試驗步驟a.試驗準備：將35X30X 2

34、40mnM件在環(huán)境保溫箱中保溫至少 3h;b. 試驗： 從恒溫箱中取出試件， 立即對稱安放在支座上， 試件上下方向應與試件成型時的方向一致，對位移測定裝置和荷載傳感器進行量程和調(diào)零處理，開 動壓力機進行中點加載并采集測試數(shù)據(jù)。d0圖4-3-10 荷載一跨中撓度曲線根據(jù)采集到的不同荷載P和跨中的變形di值，可繪制出荷載與變形的曲線， 如圖4-3-10所示。將圖中荷載一撓度曲線的直線段延長與橫坐標相交作為曲線 的原點，進行跨中撓度修正，得到試件最大破壞荷載Pb所對應的E中撓度do圖4-3-11為破壞前后的小梁試件。(3) Rb、年和Sb的計算式中：Rb一試件破壞時的抗彎拉強度，MPa如一試件破壞時

35、的最大彎拉應變；Sb一試件破壞時的彎曲勁度模量，MPab，h-分別為跨中斷面試件的寬度和高度，mmL 一試件的跨徑，mmPb一試件破壞時的最大荷載，N;d 一 試件破壞時的跨中撓度，mm(4)應變能計算大量試驗表明，瀝青混合料試件的應力一應變曲線用三次拋物線進行 回歸時，相關系數(shù)均大于0.99,已滿足精度要求。因此，可從試驗數(shù)據(jù)中取 對應最大彎曲應力時的彎曲應變值 無，由0到對三次多項式中彎曲應變進 行積分，即可得到應變能密度E?；旌狭系牡蜏貞兡苊芏瓤砂聪率接嬎悖?式中：_dw一彎曲應變能密度，Kj/m3；dv巴 一某一時刻瀝青混合料的彎曲強度； 一某一時刻瀝青混合料的彎曲應變。圖4-3-1

36、1 彩色瀝青混合料小梁試件2 .試驗結果及分析八種瀝青混合料的小梁低溫彎曲破壞試驗的結果匯總于表4-3-7、表4-3-8。表4-3-7不同瀝青?!合料(90#結合料)低溫彎曲試驗結果結合料種類抗彎拉強度電MPa極限駕拉應義©,e彎曲勁度模量Sb, MPa應變能密度，3KJ/ m3BSL-90A8.34911677198.56.20BSL-90B9.98811698540.35.69BSL-90C7.98311017306.56.09ESSO907.9359688193.54.85表4-3-8不同瀝青?!合料（70#結合料）低溫彎曲試驗結果結合料種類抗彎拉強度電MPa極限駕拉應義彎曲勁

37、度模量Sb, MPa應變能密度，KJ/ m3BSL-70A9.44014036728.86.26BSL-70B9.78614446769.66.75BSL-70C9.23412127622.05.98ESSO701084.79圖4-3-12不同混合料（90#結合料）彎曲破壞試驗結果比較圖4-3-13 不同混合料（70#結合料）彎曲破壞試驗結果比較由表4-3-7、表4-3-8和圖4-3-12、圖4-3-13可以看出：從抗彎拉強度來看，對于90號結合料，三種BSL彩色瀝青混合料的抗彎拉 強度都要比ESSO瀝青混合料要大；對于 70號結合料，BSL-70A BSL-70B和

38、 BSL-70C與ESSO瀝青混合料的抗彎拉強度相差都很小。從破壞彎拉應變來看，對于90號結合料，ESSO9斷青混合料的破壞應變較 小，而其他三種彩色瀝青混合料 BSL-90A BSL-90R BSL-90C混合料分別比其高 出20.6 %、20.8 %和13.7%;對于70號結合料，ESSO7斷青混合料的破壞彎 拉應變只有 791,而 BSL-70A BSL-70的口 BSL-70C分別是其 1.774、1.826 和 1.532 倍。這說明彩色瀝青混合料的低溫延展性比ESSO905青混合料大，這與彩色結合料的10c延度非常大是一致的。彎曲勁度模量是抗彎拉強度和極限彎曲應變的比值，是反映材料

39、剛度大小的指標。在一定程度上采用該值可以表征瀝青混合料在低溫時發(fā)生開裂破壞的難易 程度，勁度模量較大的瀝青路面低溫下抗變形能力差，脆性增加，容易引起開裂破壞。從彎曲勁度模量來看，對于 90號結合料，四種瀝青混合料的彎曲勁度模 量差不多，都在七千或八千左右，說明這幾種材料的剛度差不多；對于 70號結 合料，一般瀝青混合料則要比該幾種彩色瀝青混合料大很多，ESSO7C®青混合 料彎曲勁度模量分別比BSL-70A BSL-70B和BSL-70C彩色瀝青混合料高出92%、91和70，這說明彩色瀝青混合料的低溫剛度要比一般瀝青混合料要小很多抗低溫開裂性要好。實際中某些材料的抗彎拉強度很小， 其

40、破壞時的最大應變卻很大， 有些則相反。因此，僅以強度或僅以變形來評價瀝青混合料的低溫抗裂性是不夠全面的，從能量的角度評價更準確、 合理。 彎曲破壞應變能密度表示破壞試件時單位體積內(nèi)所需的能量，該值越大說明破壞時所需能量越高，低溫抗裂性就越好35 。對于該 90 號的彩色瀝青混合料其破壞應變能密度均比一般瀝青混合料要大， ESSO瀝青混合料破壞應變能只有 4.85 KJ/ m3 , BSL-90A BSL-90B和BSL-90C混合料分別比其超出 27.8 、 17.3 和 25.6 ； 對于 70號的結合料， 可以發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律，BSL-90A BSL-90B和BSL-90C彩色瀝青混合料分另

41、肚匕ESSO7顫青的要高出 30.5 、 40.9 和 24.8 。這說明本彩色瀝青混合料低溫抗裂性要比 ESSO瀝青混合料強。綜合以上四方面可認為彩色瀝青混合料的低溫性能要強于優(yōu)質(zhì)的道路石油瀝青，這也跟前面對結合料的性能分析結果相一致。4.3.4 彩色混合料的疲勞性能疲勞特性， 即瀝青路面在反復荷載作用下抵抗破壞的能力。 隨著公路交通量日益增長，汽車軸重不斷增大，汽車對路面的破壞作用越來越明顯。路面使用期間，在氣溫環(huán)境影響下經(jīng)受車輪荷載的反復作用， 長期處于應力應變交迭變化狀態(tài)， 致使路面結構強度逐漸下降。 當應力或應變超過路面的疲勞極限時， 路面不足以抵抗車輪荷載而引起開裂破壞，即產(chǎn)生疲勞

42、破壞。隨著人們對疲勞損壞的認識，瀝青路面疲勞裂縫的形成規(guī)律、預測和防治方法的研究得到了越來越多的關注。1試驗評價方法國外公路研究人員從上世紀 50 年代就開始對瀝青路面疲勞性能進行研究，從疲勞發(fā)生機理、試驗方法、量測設備、影響因素分析等方面著手，構建疲勞研究的體系，到目前為止已取得了有價值的成果。瀝青路面疲勞性能的研究從方法和途徑上可以分為現(xiàn)象學法和力學近似法。前者采用傳統(tǒng)的疲勞理論， 通過疲勞曲線來表征材料的疲勞特性， 研究的是裂縫形成的機理、應力 / 應變與疲勞壽命之間的關系以及各種因素對疲勞強度和疲勞壽命的影響， 疲勞強度定義為材料出現(xiàn)疲勞破壞的重復應力值， 相應的應力重復作用次數(shù)稱為疲

43、勞壽命； 后者應用斷裂力學原理分析疲勞裂縫擴展規(guī)律， 認為材料一開始就有初始裂縫存在， 因此不考慮裂縫的形成階段， 而著重關注材料的斷裂機理和裂縫擴展規(guī)律， 并用以預測材料的疲勞壽命， 應用這一方法的疲勞壽命被命名為在一定的應力狀態(tài)下， 材料的損壞按照裂縫擴展的規(guī)律， 從初始狀態(tài)到危險和臨界狀態(tài)的時間。本課題采用傳統(tǒng)的疲勞理論方法， 對彩色結合料和普通重交瀝青混合料的疲勞性能進行研究。 傳統(tǒng)疲勞理論方法可采用控制應力和控制應變兩種不同的加載模式。應力控制方式是指反復加載過程中所施加荷載 （或應力） 的峰谷值始終保持不變， 隨著加載次數(shù)的增加最終導致試件斷裂破壞。 試驗結果可用下式來表示：式中：

44、N f 試件破壞時加載次數(shù)；k,n取決于瀝青混合料成分和特性的常數(shù)；（T 一對試件每次施加常量應力的最大幅值。應變控制方式是指在反復加載過程中始終保持撓度或試件底部應變峰谷值不變。 由于在這種控制下， 試件通常不會出現(xiàn)明顯的斷裂破壞， 一般以混合料勁度下降到初始勁度的50或更低為疲勞破壞標準。試驗結果通常采用如下公式計算：式中： N f 混合料勁度下降到初始勁度的50或更低時的次數(shù)；c,m取決于瀝青混合料成分和特性的常數(shù)；£ 一對試件每次施加常量應變的最大幅值。本研究采用應力控制方式來研究瀝青混合料的疲勞特性。 試驗設備同樣采用美國進口的 MTS 材料試驗機。具體試驗條件如下：試件：

45、由輪碾成型板后切割而成；試件尺寸：40X40X240mm小梁，跨徑150mm；試驗溫度：15；荷載形式：半正弦波形；加載方式：三分點加載；加載頻率： 10Hz。2試驗結果及分析各種級配類型的瀝青混合料疲勞試驗結果如表4-3-9 、表 4-3-10 所示，疲勞方程圖見圖 4-3-14 和圖 4-3-15 所示。表4-3-9 15 C瀝青混合料（90#結合料）疲勞試驗結果結合料種類應力比應力水平（MPa疲勞壽命 （次）回歸方程BSL-90A0.21.62411399Nf=k （1/（t） n n=2.6134 k= 46143 R2=0.97410.32.43657400.43.24820870.

46、54.0611078BS-L90B0.21.66517418Nf=k （1/（r） n n=4.1570 k= 176652 R2=0.97730.32.49756020.43.32911930.54.162402BSL-90C0.21.52514161Nf=k （1/（r） n n=2.7499 k= 55745 R2=0.93470.32.28887580.43.05123200.53.8141266ESSO900.21.59115145Nf=k （1/（r） n n=3.7776 k= 75011 R2=0.97660.32.38623360.43.1827660.53.977519表4-3