寒区沥青混合料阻裂性能研究进展.pdf

第53卷第2 期2024年2 月摘要：从材料研究与路面结构设计等角度综述了沥青及沥青混合料的低温性能研究进展，以沥青低温性能评价、沥青混合料低温性能评价及混合料低温性能仿真模拟评价三个角度介绍了近年来国内外针对沥青及沥青混合料的低温性能评价研究。认为应在材料研究、路面设计的基础上对高寒、大温差地区的路面低温性能展开探索；建立同高寒、大温差气候条件相适应的耐久性路面低温性能评价指标；并同时从力学仿真模拟领域人手，对沥青混合料的抗裂力学性能变化趋势进行深人研究。关键词：寒区；道路工程；沥青混合料；低温抗裂；评价指标中图分类号：TQ34;U414MAO Nan,ZHAI Jian-liang,LAI Hao,SHI Chang-chun,LU Fu-yang,XIONG Rui(School of Materials Science and Engineering,Chang an University,Xi an 710061,China)Abstract:This paper reviews the progress of the research on the low-temperature performance of asphaltand asphalt mixtures from the perspectives of material research and structural design of pavements.In ad-dition,the research on the low-temperature performance of asphalt and asphalt mixtures at both domesticand international level in recent years is introduced from three perspectives:Evaluation of the low-temper-ature performance of asphalt,evaluation of the low-temperature performance of asphalt mixtures and evalu-ation of the low-temperature performance of mixtures through simulation.It is believed that the low-tem-perature performance of pavements in cold and wide temperature dfference areas should be explored onthe basis of material research and pavement design,the evaluation indexes of low-temperature performanceof durable pavements adapted to cold and wide temperature difference climatic conditions should be estab-lished and in-depth research should be carried out on the trend of cracking-resistant mechanical propertiesof asphalt mixtures from the field of mechanic simulation and modeling at the same time.Key words:cold regions;road engineering;asphalt mixtures;low temperature crack resistance;evalua-tion indicators沥青混合料的阻裂性能是衡量路面耐久性和安全性的关键指标之一。美国国家合作公路研究计划(NCHRP)9-57报告将沥青混合物中的裂缝分为四类：温度相关裂缝、载荷相关裂缝、疲劳裂缝和反射裂缝。在承受日常交通荷载、气候变化和其他外界因素的同时,需要保持沥青混合料完整性和稳定性,以确保路面的平稳、舒适和安全。由于寒区气候条件恶劣，昼夜温差大，沥青混合料中的沥青容易硬化、失去弹性和脆化，使得混合料的韧性和抗拉强度下降，同时车辆的频繁行驶致使路面受到不断的热胀冷缩和变形应力的作用,形成路面开裂和剥落等病害,进而影响路面的使用寿命和行车安全。因此,在设计和施工寒区沥青路面时，阻裂性能是需考虑的重要指标之一。如何提高和评估沥青混合料的阻裂性能对于寒区道路工程的可持续收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 55修改稿日期：2 0 2 3-0 8-11基金项目：青海省交通运输厅科技项目（2 0 2 3-0 3）作者简介：毛楠（1996），女，陕西西安人，在读硕士，师从熊锐副教授。电话：18 6 8 2 96 357 2,Ema i l：ma o n a n c h d.e d u.c n通信作者：熊锐（198 2-），男，河南信阳人，副教授，工学博士。Ema i l：x i o n g r u i c h d.e d u.c n应用化工Applied Chemical Industry寒区沥青混合料阻裂性能研究进展毛楠,翟健梁,赖溟，师长春，陆福洋,熊锐（长安大学材料科学与工程学院，陕西西安7 10 0 6 1)文献标识码：A1文章编号：16 7 1-32 0 6(2 0 2 4)0 2-0 458-0 5Research progress on the crack resistanceof asphalt mixes in cold regionsVol.53 No.2Feb.2024发展至关重要。1改性剂对沥青混合料阻裂性能的影响郑传峰等 认为沥青因素是影响混合料低温抗裂性能的重要因素,沥青的种类对沥青混合料的抗低温开裂性能具有决定性的影响2 ,以胶结料角度提高沥青混合料抗裂性能的方案主要为对沥青进行改性剂改性,本节综述了相变体改性材料（如：胶粉颗粒、SBR、SBS）、纳米改性材料、沥青轻组分及纤维改性材料等对沥青胶浆与沥青混合料的耐低温性能影响。SBR改性沥青能提升沥青混合料的低温弯拉应变,SBS改性沥青能提高混合料的低温抗弯拉强度,且对低温性能的改善作用较SBR改性沥青优异,复合掺加 SBR/SBS的改性沥青能结合两者优点，协同提高沥青混合料的低温阻裂能力3。Pszc-第2 期zol等4 研究了胶粉、SBS改性沥青性能,认为胶粉改性沥青提高混合料的抗低温开裂能力较SBS好。纳米材料改性沥青也能较好地提高混合料的抗开裂性能5。随碳纳米管掺量越高，碳纳米管改性沥青制备混合料的抗断裂与抗疲劳性能越好6 。掺加纳米黏土降低了胶粉改性沥青的温度敏感性，能提高起始开裂阶段沥青混合料的抗裂性能，但增加了裂纹扩展阶段时的脆性。纳米黏土还可以优化胶粉改性沥青的耐老化能力，有助于提高沥青路面的长期阻裂能力7 Sadek等8 发现掺加软化油改性沥青能显著提高沥青混合料的柔韧性指数，但随着沥青老化，混合料抗裂性能降低。Haghshenas 等9 掺加于沥青中抗氧化剂(二乙基二硫代氨基甲酸锌)延缓了沥青的老化作用,在保证高温性能的前提下提高了胶浆在中低温度时的抗裂性能，便于沥青路面结构的阻裂性能长效保证。掺加纤维可以改变沥青胶浆基体的裂纹扩展方式（呈先靠近后避开纤维的趋势），此一过程同纤维-沥青的界面刚度模量有关10 。Kou等 掺加短切/絮状纤维改性沥青发现束状纤维形成的网络结构能提升沥青高温稳定性；絮状纤维能提升沥青弹性、变形恢复率及疲劳寿命,且纤维改性沥青时不与沥青发生反应。封基良12 认为纤维改性沥青混合料的力学性能与损伤规律除取决于各组分材料性能外,还取决于混合料的细观结构特征（如纤维体积率、分布规律、形状与界面性质等)。陈飞等13将纤维沥青混合料的性能增强作用归纳为：桥接阻裂、界面增强、稳定及增韧阻裂作用。玄武岩纤维的模量、拉伸强度高，在沥青胶浆中拉断及拔出过程消耗断裂能量大，能阻碍裂纹扩展,提升沥青胶浆拉伸断裂能4倍以上,降低玻璃化转变温度3.7 51416 1 质地较硬的特点使其于混合料中不易弯曲缠绕，较好地形成网状结构，便于在混合料薄弱区更好地进行应力传递17 能大幅度提升低标号沥青混合料的应变能密度15；于混合料中能延缓裂纹发展,改善疲劳寿命效果好16 。但玄武岩纤维微观结构光滑，吸油能力差，吸附稳定沥青的效果弱,增加了悬浮密实型混合料与降低了骨架密实型混合料的最佳沥青用量16 。李震南等18 发现环境温度2 0 以下时玄武岩纤维沥青胶浆的拉伸断裂能同混合料的弯拉应变关联性最好。程培峰等19 认为纤维表面粗糙度大决定了其吸附能力较好,有利于增大沥青的粘结力,纤维长径比大，易于互相桥接，约束裂纹的扩展，进而增强胶浆的抗裂性。水镁石纤维微观结构同木质素纤维相似,均较为粗糙，能吸收较多的沥青轻组分，提高体系黏度（增加了胶浆体系弹性成分,降低了粘性成分），在毛楠等：寒区沥青混合料阻裂性能研究进展459沥青混合料中的桥接、咬合效应更加优越，其剥离、拔出、桥接与传递荷载作用增加了混合料的弯曲实验破坏应力与破坏应变，但也增加了混合料的弯曲刚度模量，提高了沥青胶浆的玻璃化转变温度2 0 2 2 有机合成纤维能降低热老化对沥青混合料性能的影响,且能提高低温抗裂性2 3。Hong 等2 4 掺加0.4%聚酯纤维提升了AC-13沥青混合料的半圆弯曲最大破坏应力2 5.31%。Zhang等2 5 掺加0.45%聚酯纤维制备沥青混合料，发现其能在混合料内部形成三维网状结构,降低沥青自由度，锁定粗细骨料,从而提高了混合料耐低温开裂性能。廖小春等2 6 认为低掺量范围(0 0.3%）的木质素纤维、聚丙烯腈纤维与玄武岩纤维能较大幅度地提升混合料的破坏拉伸应变与应变能,且聚丙烯纤维改性效果最优、木质素纤维改性效果最差。尽管木质素纤维能提升沥青混合料的低温抗裂与抗疲劳能力,但其拉伸强度小，加筋作用不明显，提升混合料的破坏弯拉应变能力弱于聚合物纤维2 7 将玄武岩纤维同水镁石纤维复掺，木质素纤维同硅藻土复掺均能较好地提升混合料的低温性能2 8-2 。2工艺对沥青混合料阻裂性能的影响较多学者期望使用优化材料级配类型、更换集料种类、改变混合料类型或铺筑反射裂缝缓解层等方案来提高沥青混合料的低温抗裂性能，学者部分研究结果综述如下。曹海波等30-31 通过室内试验模拟了高寒大温差气候对沥青混合料的性能影响，认为气候对沥青性能的影响较小,但对沥青混合料低温性能影响较大；沥青及沥青混合料类型对抗裂性能的影响较为显著：改性沥青优于基质沥青、SMA混合料、AC混合料。SMA混合料的冻断温度低于AC混合料,对所研究混合料类型进行低温性能排序为：SMA-13AC-130CFC-13且AC-13AC-16。周雪艳等3认为沥青混合料骨架密实结构好（靠近级配中值），抵抗外力作用及柔韧性均较好，裂缝传递过程中耗散能量大，沥青混合料抗裂性较好，对于AC沥青混合料，最大公称粒径较小的混合料低温性能较好。Zhang等32 认为沥青混合料的公称最大粒径较大时,级配对混合料的抗裂性能影响较小，反之则大。Du等33 掺不同粒径骨料颗粒于沥青砂浆中,发现骨料粒径不同,抑制砂浆裂缝的萌生程度不同;初始裂缝越长，沥青砂浆的抗裂性能越弱，但骨料能在一定程度上抑制初始裂缝长度对沥青砂浆低温性能的不利影响。骨料对裂纹变化的干涉作用引导裂纹向着骨料方向发展。郑传峰等1I以干法的方式用胶粉颗粒替代同级配50%的常规细集料后较大地提升了沥青混合料的低温性能。减少旋转压实次数和调整级配能明显提高沥460青混合料的抗裂性能，郭博等2 认为影响高寒大温差地区沥青混合料高低温性能的最敏感因素为沥青标号,其引起低温破坏应变的极值差是级配类型因素的6.3倍；影响高寒大温差地区沥青混合料水稳定性能的最敏感因素为集料类型，冻融劈裂强度比极差值是级配类型因素的31倍。Pszczola等34 认为若高模量沥青混合料(HMAC)在路面服役前期有较大开裂趋势,则在服役后期形成裂缝的概率会减少；反之路面若在服役前期不开裂,则后期开裂可能性较大；且于HMAC之上铺筑薄层能有效提高路面的抗低温开裂性能。Yingmei35使用有限元方法分析认为加铺土工格栅夹层较岩土织物夹层改善沥青混合料抗反射开裂的效果较差，但两者均能有效缓解、延缓裂缝的反射开裂。3沥青及沥青混合料低温性能评价3.1沥青低温性能评价国内评价沥青胶浆低温性能的常规方法为延度试验判断延性,脆点试验使用沥青胶浆从黏弹态转变为弹脆态时温度评价脆性，弯曲梁流变试验(BBR)评价沥青胶浆老化前后的劲度及蠕变速率，直接拉伸试验（DT)评价沥青在低温时的极限拉伸性能,协同BBR试验温度应力曲线同DT试验破坏强度的交点所得对应温度，即为沥青胶浆的临界开裂温度。毛国宇2 9 认为使用沥青延度拉伸长度来作为低温性能的评价指标存在较大的方案局限性,因为延度试验无法表征外力作用下沥青的受力状态，且延度低温指标与沥青混合料的低温性能间关系意义不明确。徐加秋36 使用油分改性沥青,认为改性后沥青的玻璃态转变温度越低，低温抗裂性能越好。聂艺华等37 介绍了经加拿大改进的沥青测力延度装置一一双边缺口拉伸试验（DENT),其使用测力延度仪凭借基本断裂能等多种指标评价了沥青胶浆的低温性能及疲劳开裂性能，且被李辉、徐仕兵等于研究中应用;徐仕兵38 认为随着填料粉胶比增大,沥青胶浆的低温性能呈现先增后减的趋势。王琨等39 认为Burgers模型对BBR试验结果的变劲度曲线及蠕变劲度模量主曲线拟合程度较高。李辉40 基于Burgers模型使用松弛时间、储存能与耗散能以及 m/s指标(联系了劲度模量S与蠕变速率m)较好地评价了沥青胶浆的低温性能。徐加秋36 基于Hopkins&Hamming算法得到沥青胶浆的松弛模量,并用CAM流变模型进行拟合,根据时温等效原理获得了-18 下的松弛模量主曲线，计算出了胶结料的温度应力,并使用单渐近线程序(SAP)计算出沥青胶结料的临界开裂温度。李辉40 1使用扩展弯曲量流变实验(Ex-BBR)研究沥青胶浆的低温性能,其相比 BBR试验增加了养护温度应用化工与测试温度，补充了必要的数据处理方法，能更好地预测沥青路面的低温开裂。Mensching等41 使用低温环境下的动态力学试验评价沥青混合料低温抗裂性能，分析动态主曲线提出了描述沥青混合料弛豫谱和老化势的参数。3.2沥青混合料低温性能评价沥青混合料是一种多相多组分多尺度的材料，受力状态复杂，因此评价混合料低温性能的方法受试验参数影响大，评价指标、评价标准也有所不同，陈飞等42 依据沥青路面开裂相关判据及理论将现有试验分为：连续体试验、断裂力学试验和声发射试验。Tirupan43使用了许多基于半圆形弯曲试验的指标来评估影响沥青混合物抗裂性能的因素，他认为柔韧性指数（FI）比峰值载荷更适合用于判断沥青混合料的开裂性能。冯德成等44 使用路面现场钻芯试样进行半圆弯曲试验，认为其试验结果能够很好地反映沥青路面的开裂情况，可用断裂能来评价沥青混合料的抗低温开裂性能，并提出了沥青路面抗低温开裂性能的评判标准。Zhang等32 认为级配与沥青性能对于混合料的抗裂性能影响受测试温度限制，且降温速率越快，沥青混合料产生的温度应力越大；半圆弯曲试验的缺口深度越大，沥青混合料断裂能量越低，抗裂性能越差。Jiang等45 采用无缺口的半圆弯曲试验研究加载速率与温度对静荷载下沥青混合料抗裂性能的影响，提出了峰值力、峰值位移、开裂前功、开裂破坏位移与开裂破坏功5个开裂参数,且将沥青混合料的开裂破坏模式分为脆性开裂、柔性损伤与两者共存3种模式；当试验加载速率较高、试验温度较低时，混合料的脆性开裂占优，这时峰值对加载速率敏感，位移及能量对温度变化敏感。3.3混合料低温性能评价的仿真模拟Yaphary等46 通过建立分子动力学模型，用来模拟新旧沥青胶结料之间界面处的纳米裂纹扩展，将模拟结果与实验观察到的微观开裂趋势联系起来。结果发现老化沥青与未老化沥青间的界面混合区力学性能较弱，更容易出现应力集中，以至于出现拉伸断裂。申爱琴等47.48 使用有限元软件分析了沥青路面在温度场、动载及耦合场作用下的裂缝力学响应模型。顾临皓49 基于黏弹性损伤及断裂力学利用ABAQUS软件模拟了混合料的细观结构并对混合料的小梁弯曲试验及半圆弯曲试验进行细观力学仿真以揭示混合料的抗裂力学性能变化趋势。仿真模拟中可假定界面的黏结刚度同沥青砂浆内部刚度相同，界面黏结强度可假定为沥青砂浆内部的80%。汤钧尧等由此50 引人了沥青混合料三维体积级配同二维数量级配之间的转换关系，以之建立第53卷第2 期二维离散元试件并分析低温开裂的细观机理，发现沥青混合料约束试件温度应力的离散元模拟同室内试验吻合度较高，断裂温度与断裂强度相对误差均在4.8%以内。通过仿真分析将混合料的低温开裂破坏分为起裂阶段、稳定扩展阶段与不稳定扩展阶段（快速扩展阶段）三个阶段。近年来关于沥青混合料的力学性能仿真模拟领域得到了快速发展，仿真模拟分析角度遍及分子动力学、有限元、离散元等领域。CAE模拟事业在我国飞速发展，沥青路面抗裂的CAE分析乃至道路工程领域的CAE分析仍需继续发力。4存在的问题(1)学者认为在沥青混合料低温性能的影响因素中沥青材料作用较大，近年来针对沥青混合料低温性能的改性措施多为掺加相变体改性剂、纳米材料改性剂或纤维等。在纤维改性措施中已知水镁石纤维具有一定的低温性能改善能力,吸油性较玄武岩纤维好，对沥青的稳定能力强，针对水镁石纤维及其复掺条件对沥青混合料抗裂性能及老化后抗裂性能的长期耐久性方面研究较少。(2)温度、荷载作用下的高寒地区路面裂缝形成多为“自上而下”的开裂方式，目前在SMA-5薄层，SMA-10面层沥青混合料方面的研究较多，但SMA-5有着施工难度较大且于高海拔地区铺筑额外罩面成本较高的特点,介于两者之间的 SMA-7混合料研究较少,因此有必要基于SMA-7研究阻裂薄层沥青混合料并对其进行性能评价分析。（3)国内外学者提出了双边缺口拉伸试验、扩展弯曲梁流变试验等沥青低温评价方法，但国内低温性能的评价领域应用较少，且针对高寒地区的混合料缺乏对应的低温评价指标。近年来基于沥青混合料性能研究的力学仿真模拟领域发展迅速，已由粗糙模拟向精细化模拟过度，仿真误差越来越小，但其仿真模拟过程及仿真模型建立的复杂化特点影响其大范围开展。参考文献：1郑传峰，李瑞明.沥青结合材料低温抗裂性能分析及寒区新型沥青混合料设计J.天津大学学报（自然科学与工程技术版）,2 0 19,52（3）：2 6 2-2 6 8.2郭博，高妮.大温差地区沥青混合料材料组成因素对路用性能的影响J.筑路机械与施工机械化,2 0 17,34(11):81-85.3周周雪艳，马，田宇翔，等.青藏高寒地区沥青混合料低温抗裂性能的灰关联分析J.江苏大学学报（自然科学版）,2 0 16,37(5)：597-6 0 3.4PSZCZOLA M,JACZEWSKI M,SZYDLOWSKI C,et 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