基于应力-应变关联变化的沥青混合料低温抗裂性能研究

万 里，陈 军

（湖北交投智能检测股份有限公司，武汉 430100）

半刚性基层沥青路面是在我国高等级公路建设中普遍采用的道路结构形式，其由半刚性基层和沥青面层组合而成[1]。沥青面层直接暴露于服役环境中，承受温度、水分及交通荷载等因素的多重作用[2-3]，因而沥青面层耐久性的好坏是决定整个道路结构能否安全服役的前提。沥青面层由沥青混合料铺筑而成，骨料和沥青是沥青混合料的主要构成[4]。沥青是一种温敏性材料，因而沥青混合料的温度敏感性是沥青路面耐久性的重要组成部分，主要包括高温抗变形性能和低温抗开裂性能。

目前在评价沥青混合料低温性能时，主要遵从《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[5]中的沥青混合料弯曲试验标准方法（T0715）。该方法虽然同时考察了沥青混合料试件的破坏强度、破坏应变及破坏劲度模量，但在《公路沥青路面施工技术规范》[6]中仅按照气候类型和沥青种类对沥青混合料的低温应变应达到的水平进行了规定，即主要依赖沥青混合料低温下能承受的最大弯拉应变这一单一指标来决定其低温抗裂性能，这显然比较片面。虽然在《公路沥青路面施工技术规范》中同时也提到，最大弯拉应变并不是太满意的低温性能评价指标，沥青混合料的低温性能要结合试件的破坏强度、破坏应变、破坏劲度模量及对应的应力-应变曲线形状进行综合评价。而在实际操作中，因缺乏量化的标准或规定，这一评价方法的可操作性不强，主观因素对评价结果影响较大。

综上，为了更加综合、科学地评价沥青混合料低温抗开裂性能，本研究基于沥青混合料小梁试件在低温弯拉过程中应力和应变的关联变化曲线，从能量的角度提出采用断裂能指标来评价沥青混合料的低温性能。主要开展了2 方面的工作，一是在分析沥青混合料低温性能传统评价方法不足的基础上，从理论方面解释采用断裂能指标评价沥青混合料低温性能的科学性；二是采用低温性能存在显著差别的基质沥青混合料和SBS 改性沥青混合料进行小梁弯曲试验，获取小梁试件浸水损伤前后的应力-应变关系，基于试验数据进一步证实采用断裂能指标评价沥青混合料低温性能的有效性。

1 断裂能指标的提出及其科学性分析

沥青混合料试件的低温弯曲试验操作如图1 所示，所用小梁试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm，通过切割尺寸为300 mm×300 mm×50 mm 的轮碾成型沥青混凝土板获得。试验时，在小梁试件的中部进行劈裂加载，在竖直方向以50 mm/min 的变形速率迫使试件弯曲直至断裂。小梁试件在破坏过程中的受力及产生的变形被计算机实时记录，按照式（1）和式（2）计算出小梁试件受弯破坏过程中的实时应力和应变，从而可获得小梁试件的应力-应变曲线。

图1 沥青混合料低温弯曲试验

式中：σ（t）为试件受弯破坏过程中的实时抗弯拉强度，单位为MPa；L、b和h分别为试件的跨距、宽度和厚度，单位为mm；P（t）为试件受弯破坏过程中承受的实时荷载，单位为N；ε（t）为试件受弯破坏过程中产生的实时弯拉应变，单位为με；d（t）为试件受弯破坏过程中的实时跨中扰度，单位为mm；Sf为试件破坏时的弯曲劲度模量，单位为MPa；σmax为小梁试件破坏时的抗弯拉强度，单位为MPa；εf为试件破坏时的最大弯拉应变，单位为με。

以往在横向对比分析不同沥青混合料低温弯曲性能时，常常会出现应力和应变大小关系不一致的情况。如图2 所示为A 和B 这2 类沥青混合料低温弯曲试验对应的应力-应变关系示意图，从图中可以看出，B类沥青混合料能承受的极限弯拉应变比A 类沥青混合料要大，因而就应变值而言，B 类沥青混合料的低温性能要优于A 类沥青混合料。但图2 同时显示出，B 类沥青混合料能承受的极限应力要明显低于A 类沥青混合料，当交通荷载施加给沥青路面的应力介于σA和σB之间时，显然B 类沥青混合料将遭受到破坏，而A类沥青混合料则在可承受的应力范围内。因此，从应力（强度）方面来看，A 类沥青混合料则具有较好的低温抗裂性能。因而难以通过简单的比较确定A 类和B 类沥青混合料的低温性能。这也说明按照《公路沥青路面施工技术规范》，仅从沥青混合料能承受的最大弯拉应变评价其低温性能存在不合理性。

除了破坏应变和破坏强度，《公路沥青路面施工技术规范》也提到要考虑沥青混合料的破坏劲度模量及应力-应变曲线形状。小梁试件的破坏劲度模量按照式（3）计算，其代表的意义在应力-应变曲线图上以连接破坏点和原点的斜线段显示。很显然，基于破坏应力和破坏应变计算出的破坏劲度模量，并不能反映小梁试件受弯过程中的劲度模量情况。如图2 所示，结合应力-应变曲线形状来看，对于A 类沥青混合料，线段1上侧的应力-应变曲线段上各点对应的劲度模量总大于试件破坏时的劲度模量；而对于B 类沥青混合料，线段2 下侧的应力-应变曲线段上各点对应的劲度模量总小于试件破坏时的劲度模量。如果较小的劲度模量对低温性能更有利，横向对比不同沥青混凝土时，则应以小梁试件加载过程中可能出现的最大劲度模量为基准。例如，对于A 类沥青混合料而言，则应取线段1 上侧应力-应变曲线段上某点的坐标值计算出最大劲度模量。因此，从沥青混合料的破坏劲度模量及应力-应变曲线形状方面考虑也存在难以确定其低温性能好坏的情况。

图2 沥青混合料小梁试件受弯破坏时的典型应力-应变曲线

基于以上分析可以发现，依靠单一的应变值或者应力值评判沥青混合料的低温性能存在明显不足，例如，对于承载力高而弯拉应变小的沥青混凝土路面，可能同样具有非常好的低温抗裂性能。而采用小梁试件破坏时的劲度模量来反映沥青混合料的低温性能同样不科学，结合应力-应变曲线形状来看，破坏劲度模量不能反映小梁试件受弯过程中的劲度模量情况。因此，在分析沥青混合料低温性能时，需要考虑应力与应变的关联变化。能量法常用于分析材料的破坏过程，其代表的意义是迫使材料发生断裂等形式的破坏时外界需提供的最低能量。对于沥青混合料小梁试件，在受弯破坏时，外加荷载迫使试件变形，涉及到做功的过程。因此从能量角度考虑，则同时兼顾了试件的实时应力和应变。基于此，本研究分析了采用能量指标评价沥青混合料低温性能的可行性，选用的能量指标为断裂能（密度），断裂能示意图如图3 所示，按照式（4）计算。可见，断裂能充分考虑了小梁试件低温弯拉破坏过程中实时应力和应变的关联变化，理论上，相比传统的沥青混合料低温性能评价方法，综合性及科学性更强。

图3 断裂能示意图

式中：Fe为小梁试件的断裂能，单位为J/m3。

2 断裂能指标的有效性分析

2.1 原材料及试验方法

按照马歇尔设计方法设计AC-13C 型沥青混凝土，制备沥青混凝土用到的原材料主要包括石灰石粗集料及细集料、石灰石矿粉及AH-70 基质沥青和SBS改性沥青。原材料的技术性能指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

SBS 改性沥青混合料早已被证实比普通的基质沥青混合料具有更优越的低温抗裂性能，因此，本研究选用这2 种低温性能大小关系已知的沥青混合料来验证采用断裂能指标评价沥青混合料低温性能的有效性。同时考虑到因受一系列环境因素作用，服役沥青路面性能逐渐恶化，其中以温度和水的影响最为突出，本研究重点考察了在水和温度复合损伤下，采用断裂能指标评价沥青混合料低温性能的有效性。采用的温度和水复合损伤方式为：60 ℃热水浴浸泡沥青混合料小梁试件。

2.2 结果分析与讨论

2 种沥青混合料小梁试件经不同时长浸水破坏前后的最大弯拉应变和断裂能计算结果分别如图4 和图5 所示。图4 显示，不管是基质沥青混合料还是SBS 改性沥青混合料，其最大弯拉应变并未随浸水时间的延长表现出持续升高或者降低的趋势。总体上来看，在浸水破坏早期，两者最大弯拉应变都有小幅度下降，但随着浸水时间的延长，两者的弯拉应变又有比较明显的恢复。弯拉应变呈现出这种比较奇怪的变化，有可能跟沥青状态及沥青混合料结构的改变有关。一是长时间的浸水破坏，使得沥青逐渐被乳化，尤其对于AH-70基质沥青而言；另外，持续的浸水破坏使得小梁试件发生松散。这2 种因素都造成小梁试件在受弯破坏时更易发生变形，抗弯拉破坏强度下降。表面上看起来是小梁试件的最大弯拉应变在升高，实则是集料颗粒间的粘附状态和试件结构的改变。因此，从最大弯拉应变来看，虽然SBS 改性沥青混合料相比基质沥青混合料具有更高的弯拉应变，但随浸水时间的延长两者应变并未呈现出单调变化的特征，而沥青混合料在水的长期破坏下，性能必然是持续恶化的，因而依靠应变值的大小评判沥青混合料的低温性能在本研究中被证实是不可靠的。

图4 最大弯拉应变结果

图5 断裂能结果

与最大弯拉应变的变化不同，基质沥青混合料和SBS 改性沥青混合料的断裂能均随浸水时间的延长呈现出持续下降的规律。在相同浸水时间下，SBS 改性沥青混合料的断裂能总是高于基质沥青混合料，这一点与最大弯拉应变的结果类似，这也说明SBS 改性沥青混合料低温性能优于基质沥青混合料。随着浸水时间逐渐增加至7 d，基质沥青混合料和SBS 改性沥青混合料的断裂能分别下降了27%和18.7%。表明热水损伤对基质沥青混合料的低温性能影响更显著，这符合基质沥青相比SBS 改性沥青对温度和水分更敏感的共性结论。且断裂能随浸水时长的变化也符合沥青混合料试件受环境因素破坏后性能的一般变化规律。因此，采用断裂能指标评价沥青混合料的低温性能，不仅能区分不同类别沥青对沥青混合料低温性能的影响，还能正确反映出环境因素对沥青混合料性能的一般破坏规律。结果表明，采用断裂能指标评判沥青混合料的低温性能相比传统评价方法可靠性更高、科学性更强。

3 结论

本研究针对传统沥青混合料低温性能评价方法存在评价指标单一或者缺乏多元指标量化评价标准等问题，从能量角度分析了采用断裂能指标评价沥青混合料低温性能的可行性。获得以下主要结论：

（1）理论分析表明，断裂能充分考虑了沥青混合料试件从受载到破坏全时域的实时应力-应变关联变化特征，相比传统沥青混合料低温性能评价方法，断裂能指标综合性及科学性更强。

（2）试验结果证实断裂能指标能正确区分和反映出不同沥青种类及环境因素（水、温度）对沥青混合料低温性能的一般影响规律。说明采用断裂能指标能有效确定沥青混合料的低温性能。