基于SCB的片麻岩-复合改性沥青混合料断裂性能研究

谢 强

（中交第四航务工程局第一工程有限公司，广东 广州 510420）

1 引言

沥青混合料的断裂根据裂缝和施加荷载的形式可分为张开型断裂、滑开型断裂和撕开型断裂，对于常见的张开型断裂，相应的试验方法有半圆弯曲试验、单边开口梁断裂试验、圆盘断裂拉伸试验等，目前使用较多的为半圆弯曲试验，其中，Krans R L 等[1]首次将半圆弯曲试验引入到评价沥青混合料的抗裂性能中。钱国平等[2]利用单轴压缩、弯曲、直接拉伸、劈裂试验研究不同受力模式下沥青混合料的破坏差异，结果显示不同受力模式下的强度由大至小的顺序为抗压强度、弯拉强度、直接拉伸强度和劈裂强度。之后，研究人员利用半圆弯曲试验研究了加载速率等条件下沥青混合料的断裂韧性、断裂能、断裂曲线，并进行了低温断裂评价和疲劳寿命预测，结果显示采用半圆弯曲试验能够有效评价沥青混合料的抗裂性能，且沥青混合料的断裂性能对加载条件较为敏感[3，4]。熊爱明等分析了断裂韧性、断裂能与切缝深度的关系，以及老化时间、空隙率等因素对沥青混合料断裂性能的影响规律，发现沥青经历的老化时间越长，沥青混凝土的空隙率越高，越容易引起开裂，掺加一定比例橡胶粉的沥青混合料可提高抗裂性能，沥青混合料的断裂能指标与对应的沥青低温分级相关性最强，断裂能最适合用于评价沥青混合料的低温抗裂性能[5，6]。

在后续的研究中，涉及了乳化沥青冷再生混合料、温拌胶粉改性沥青混合料的低温性能和开裂特性，研究结果显示，掺加布敦岩沥青对乳化沥青冷再生混合料低温抗裂性影响较小，掺加玄武岩纤维后降低了冷再生混合料低温抗裂性；采用细观指标（开裂点处水平应变、损伤因子）、宏观力学指标（断裂能密度、蠕变应变能密度）对老化前后温拌胶粉改性沥青混合料的抗裂性能分析的结论具有一致性[7，8]。在沥青混合料的自愈合研究方面，朱洪洲等开展了沥青混合料断裂后的微波自愈合研究，阐释了微波加热时间、微波强度的增长对开裂的沥青混合料自愈合有促进作用[9]。

结合已有研究，对于酸性集料片麻岩与复合改性沥青制备的片麻岩-复合改性沥青混合料的断裂性能研究尚未有报道。针对我国新疆地区大温差、冬季干燥严寒的环境条件，本着因地制宜、就地取材的原则，利用酸性片麻岩集料制备沥青混合料，考虑到片麻岩集料与沥青的黏附性相对较差，在冬季寒冷的条件下，沥青混凝土路面极易产生裂缝，影响行车的安全与舒适。因此，本文探索制备掺加抗剥落剂的片麻岩-复合改性沥青混合料，提升酸性集料与沥青的黏附性的同时，增强其低温抗裂性能。采用半圆弯曲试验测试低温条件下的破坏荷载和位移，计算片麻岩-复合改性沥青混合料的最大弯曲力、断裂能、开裂阻力指数，评价片麻岩-复合改性沥青混合料的断裂性能，以期为我国新疆冬季严寒干燥地区沥青混合料的应用提供技术支撑。

2 原材料性质及沥青混合料的配合比设计

2.1 SBS改性沥青及复合改性沥青的性质

本文所使用的沥青为SBS改性沥青，制备复合改性沥青所使用的胶粉为塑化胶粉，该塑化胶粉的制备是通过把普通胶粉经常压塑化法加工而成，塑化胶粉粒径为40目，掺量为SBS改性沥青质量的10%（外掺）。复合改性沥青的制备流程如下：将一定质量的SBS改性沥青加热至180℃，称取相应质量的塑化胶粉，均匀加入SBS改性沥青中，同时利用搅拌器以500r/min 的转速进行搅拌，塑化胶粉掺加结束后，采用高速剪切机以5000r/min的转速剪切30min，最后加入抗剥落剂，缓慢搅拌和发育30min，即制备了复合改性沥青。SBS改性沥青和复合改性沥青的测试结果见表1。

表1 SBS和复合改性沥青的性能指标

由表1 可以看出，与SBS 改性沥青的性能指标相比，复合改性沥青的针入度和延度减小，软化点升高9.2%，黏度提升了2.75倍，说明塑化胶粉的掺加在一定程度上提升了沥青的高温性能，低温性能受到负面影响，这是由于塑化胶粉在SBS 改性沥青中溶胀，吸收了SBS改性沥青中的部分轻质组分，提高了塑化胶粉与改性沥青的相互作用。此外，塑化胶粉是具有一定形状形貌的颗粒材料，加入SBS改性沥青中后改变其原有的结构体系，影响了SBS 改性沥青的均匀性，降低了复合改性沥青的低温性能。

2.2 集料的性质

粗、细集料均为斜长片麻岩，矿粉为石灰岩研磨。集料及矿粉性能指标均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的技术要求。鉴于斜长片麻岩的酸性性质，与沥青的黏附性需要加以考虑，为提升该酸性片麻岩集料与复合改性沥青的黏附性，保证片麻岩集料与复合改性沥青具有较强的界面作用，掺加复合改性沥青质量0.3%的非胺类抗剥落剂。

2.3 片麻岩-复合改性沥青混合料的配合比

选用级配类型为AC-16 型密级配，合成级配曲线如图1所示。

图1 片麻岩-复合改性沥青混合料的级配

利用马歇尔试验测定不同油石比条件下片麻岩-复合改性沥青混合料的毛体积相对密度、稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等体积参数，测试结果如图2所示。

图2 马歇尔试验结果

根据图2 中马歇尔试验结果可得：OAC1=5.95%，OAC2=6%，OACmax=7%，OACmin=5%，最佳油石比OAC=（OAC1+OAC2）/2=5.975%，在满足空隙率和矿料间隙率的条件下，最佳油石比取5.8%。

2.4 半圆弯曲试验的试件制备

根据设计的SBS 胶粉复合改性沥青混合料配合比及马歇尔试验结果进行计算并备料，利用旋转压实仪成型直径150mm、高度150mm 且与马歇尔试件等空隙率的圆柱形试件。鉴于旋转压实试件上下接近表面的密实度、空隙结构和分布与靠近试件中间部分存在差异，切掉试件上下2cm部分，以便保证试件整体结构、性能等的一致性。从接近试件中部的位置切割直径为150mm、厚度24.7mm的试件，对该试件沿直径方向切割成对称的半圆试件，对每个半圆形试件自圆心垂直于直径方向切缝，缝的深度15 mm、宽度1.5mm。

3 基于半圆弯曲试验的结果与分析

目前主要采用单边切口梁试验、间接拉伸试验、圆盘拉伸试验、裂缝扩展性能试验和半圆弯曲试验研究沥青混合料的低温断裂特性。其中，单边切口梁试验可以通过变化切口设置研究不同的断裂模式，该试验的缺点为对于小梁来说，当切口较深时试样在自重作用下可能自行开裂；圆盘拉伸试验需要在圆形试件槽口的两侧设置加载孔，使断裂面积最大化，降低因几何形状引起的测试结果可变性，但该试验的缺点也较为明显，试件内部应力分布复杂，加载孔可能产生应力集中，导致试验结果失真，试件的制备较为复杂。

半圆弯曲试验（SCB）是对带有切缝的半圆形试件进行三点加载，在试件的底部产生张力，从而使得裂纹沿试件底部向整个试件扩展。该试验方法的试件制备简便，试件的获取可通过试验室或现场取芯，试验操作简单，可重复性强。本文采用半圆弯曲试验测试片麻岩-复合改性沥青混合料的断裂性能指标，测试温度为-15℃、-10℃和0℃，加载速率为1mm/min。半圆弯曲试验测试如图3（a）所示，图3（b）为试验结束后裂缝扩展的路径。为了表征位移随施加荷载的变化，以-15℃为例，其荷载-位移曲线如图4所示。

图3 片麻岩-复合改性沥青混合料的半圆弯曲试验

图4 三组温度条件下的荷载-位移曲线

3.1 温度对最大弯曲力的影响

温度对沥青混合料的性能影响显著，一般来说，温度越低，沥青混合料的模量越大，沥青混合料主要表现为弹性，易发生脆性断裂，试验温度越高，沥青混合料表现为黏弹性，多发生韧性破坏。不同温度下片麻岩-复合改性沥青混合料的最大弯曲力如图5所示。

图5 片麻岩-复合改性沥青混合料的最大弯曲力

由图5 发现，最大弯曲力随着温度的升高而下降，温度越低，最大弯曲力越大，与-15℃时片麻岩-复合改性沥青混合料的最大弯曲力相比，-10℃和0℃时的最大弯曲力分别降低了23.5%、24.2%。

3.2 基于断裂能的抗裂性能

3.2.1 断裂能

断裂能为裂缝在试件中萌生、扩展直至试件断裂所需的功，以荷载-位移曲线下的面积表示，如图6 所示。断裂能能较好地模拟试件裂缝扩展行为，反映沥青路面的抗裂特性，断裂能越大，则沥青混合料的抗裂性能越好。断裂能的计算见式（1）[10]。

图6 断裂能计算的典型荷载-位移曲线[10]

式中，Gf为断裂能，J/m2；Wf为断裂功，J，Wf=∫Pdu，P为施加荷载（N），u 为平均位移（m）；Alig为韧性区面积，m2，Alig=（r-a）·t，r 为试件半径（m），t 为试件厚度（m），a为预切缝深度（m）。

根据式（1），通过对片麻岩-复合改性沥青混合料的荷载-位移曲线与X轴包围的面积进行积分，得到不同试验温度条件下沥青混合料的断裂能，如图7所示。

图7 片麻岩-复合改性沥青混合料的断裂能

由图7 可知，片麻岩-复合改性沥青混合料的断裂能随着温度的升高而减小，基本呈线性关系，与-15℃时片麻岩-复合改性沥青混合料的断裂能相比，-10℃和0℃时的断裂能分别下降了17.02%、51.86%。因此，温度对具有黏弹塑性力学性质的沥青混合料性能的影响较大，并且说明温度越低片麻岩-复合改性沥青混合料的抗裂性能越优。

3.2.2 开裂阻力指数

温度对沥青混合料的模量影响较大，温度降低后，模量迅速增大，该情况在部分脆性沥青混合料中尤为明显，反映在荷载-位移曲线上，荷载一旦达到峰值，试件即发生断裂。为了克服上述情况引发的局限，Kaseer F[11]借鉴低温圆盘拉伸试验提出了开裂阻力指数CRI作为半圆弯曲试验的断裂参数，评价沥青混合料的抗裂性能，其定义为总断裂能除以最大弯曲力。开裂阻力指数CRI的计算见式（2）。

式中，Gf为断裂能，J/m2；Pc为最大弯曲力，即峰值荷载，kN。

鉴于脆性沥青混合料具有较高的刚度，比普通沥青混合料承受更大的峰值载荷，并产生较小的开裂位移。因此，除了断裂能Gf外，峰值载荷Pc也可用于区分沥青混合料。具有较低Gf或较高Pc的沥青混合料，其开裂阻力指数CRI 较低，若两种沥青混合料的Gf相近，则具有较高Pc脆性沥青混合料的CRI 值小于具有较低Pc柔性沥青混合料的CRI 值。较高的CRI 值表示沥青混合料具有较好的抗裂性能，较低的CRI值则抗裂性能较差。片麻岩-复合改性沥青混合料不同温度条件下的开裂阻力指数如图8所示。

图8 片麻岩-复合改性沥青混合料的开裂阻力指数

由图8发现，片麻岩-复合改性沥青混合料的开裂阻力系数随着温度的降低而增大，与0℃时片麻岩-复合改性沥青混合料的开裂阻力指数相比，-10℃和-15℃时的开裂阻力指数分别增加了2.25 倍、2.74 倍。因此，对于片麻岩-复合改性沥青混合料来说，较低的温度，使得其抗裂性能越好。

4 结语

①片麻岩-复合改性沥青混合料的最大弯曲力随着温度的升高而下降，温度越高，最大弯曲力越小，施加较小的荷载，即可使得沥青混合料发生断裂。

②片麻岩-复合改性沥青混合料的断裂能随着温度的升高而减小，基本呈线性关系。

③片麻岩-复合改性沥青混合料的开裂阻力系数随着温度的降低而增大，温度越高，其抵抗开裂的能力下降。

通过比较-15℃、-10℃和0℃的最大弯曲力、断裂能和开裂阻力指数，片麻岩-复合改性沥青混合料在低温条件下能保持较好的抗裂性能。因此，本文所制备的片麻岩-复合改性沥青混合料可用于我国冬季干燥、寒冷地区的沥青混凝土路面。