彩色沥青混合料设计方法及路用性能研究.doc

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彩色沥青混合料设计及性能的研究
彩色路面用结合料作为一种新型的路面材料, 除了对其结合料性能得以验证, 还需对其混合料的路用性能也进行研究。本章对彩色沥青混合料分别进行了高温、 低温、 水稳定性和疲劳性能的研究。
§4-1 原材料试验
4.1.1 彩色结合料及沥青技术指标试验
参照道路石油沥青的技术指标, 按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》( JTJ052— ) 相关试验对各种沥青结合料进行主要技术指标测试。实验结果见第三章表3-2-2和表3-2-3所示。
4.1.2 集料技术指标试验
试验使用的集料为石灰岩, 经筛分后逐级称量回配。矿粉是陕西眉县水泥厂生产矿粉。集料技术指标按照《公路工程集料试验规程》( JTG E42－ ) 的要求进行, 各级粒径集料的技术指标测定结果见表4-1-1所示。
表4-1-1 集料技术指标
项目
规格(mm)
测定值
实验方法
表观相对密度/毛体积相对密度
13.2
2.728/2.709
T0304
9.5
2.741/2.706
4.75
2.735/2.673
2.36
2.726
T0328
1.18
2.733
0.6
2.698
0.3
2.692
0.15
2.681
0.075
2.657
矿粉
2.696
T0352
压碎值( %)
18.04
T0316
磨耗值( %)
17.75
T0317
冲击值( %)
8.44
T0322
经过水煮法实验, 测得以上四种沥青结合料与该种石料的粘附性介于三、 四级之间。
4.1.3 颜料
用于彩色结合料着色的物质主要是无机颜料、 有机颜料和某些染料, 在选择颜料时, 除了根据色调、 饱和度、 明度来选择外, 还必须考虑到它的着色力、 遮盖力、 耐迁力、 耐候、 耐磨性以及与聚合物或添加剂的相互作用。这样选择颜料不但光彩夺目, 而且不褪色, 经久耐用。表4-1-2列出了常见颜料的一般特性。
表4-1-2 三大色料的比较
项目
染料
有机颜料
无机颜料
来源
天然或合成
合成
天然或合成
相对密度
2.0—3.5
1.2—2.0
3.5—5.0
在有机溶剂及聚合物内溶解情况
溶
溶或不溶
不溶
着色力
强
中
差
颜色宽度
大
中
小
光稳定性
差
中
强
热稳定性
170—200℃分解
200—260℃分解
500℃分解
化学稳定性
低
中
高
迁移现象
大
中
小
从表4-1-2能够看出, 无机颜料在耐热性、 耐晒性和遮盖力方面要比有机颜料好, 但有机颜料具有相对密度小, 色泽鲜艳和色谱齐全的优点, 一般有机颜料要比无机颜料的价格高, 在制作彩色结合料时, 颜料选择应根据造价、 性能综合选用, 既可用有机颜料也可用无机颜料。
无机颜料主要有以下几种可供选择:
a． 金属氧化物: 如二氧化钛、 三氧化二铬、 氧化铁等。
b． 金属硫化物: 如镉黄、 镉红、 硫化铁等。
c． 铬酸盐类: 如铬黄、 铬橙等。
d． 硅酸盐类: 如群青。
有机颜料主要有以下几类可供选择:
a． 偶氮颜料: 如汉沙黄、 永固黄、 颜料黄等。
b． 酞菁颜料: 如酞菁蓝、 酞菁绿等。
c． 杂环颜料: 如酞菁紫、 永固紫等。
本课题考虑到无机颜料造价便宜, 色彩的稳定性较好且不易迁移, 选用常见红色无机颜料氧化铁。
§4-2 彩色沥青混合料配合比设计
4.2.1 彩色沥青混合料的设计方法
彩色沥青混合料根据级配的不同也有不同的设计方法。在彩色沥青混合料级配设计当中应该注意以下几点:
1．彩色沥青混合料的选择
彩色沥青混合料所用材料包括彩色结合料、 矿质集料、 颜料和外加剂等。这些材料的本身品质直接影响到混合料的性能, 故混合料设计首先要慎重选择材料。
( 1) 彩色结合料的选择
彩色结合料作为混合料中主要的粘结料, 其性质的好坏会直接影响到铺面质量的好坏。因此在生产彩色结合料时一定要严格把关、 保证质量。
考虑到中国气候差异较大, 应在不同地区选择不同的彩色结合料, 这一点能够经过调整原材料比例来实现, 比如在南方炎热地区, 能够选择针入度小一些的彩色结合料如70, 在北方寒冷地区, 能够选择针入度大一些的寒区用彩色结合料, 一般地区可用针入度适中的结合料。
( 2) 矿质集料的选择
彩色沥青混合料同样重视矿料的性能, 矿料应该满足强度的要求, 矿料颗粒形状以接近立方体其多棱角为佳, 限制其针片状含量, 集料应清洁、 干燥、 无杂质和泥土, 总之一定要严格要求一定要严格要求矿料的物理技术指标, 对于不合格的矿料坚决予以废弃。不同于一般沥青混合料的一个重要差别就是色彩要求, 选用与预期混合料颜色较为接近的彩色石料或是颜色较浅的石料可铺出纯色彩的彩色路面, 选用一般石料或色彩与颜料反差较大的石料, 铺出的路面开始为纯色, 经过一段时间的磨耗, 可成为斑点相间的彩色路面。
( 3) 颜料
用于彩色铺装层中的颜料包括无机和有机颜料, 从发色效果来看, 有机颜料要优于无机颜料, 但有机颜料的造价高, 同时有机颜料的耐老化性要劣于无机颜料, 因此在选择颜料时可根据具体情况加以选择。
( 4) 外加剂
若想提高混合料的某些路用性能时, 能够添加一些相应的外加剂。如添加抗剥落剂来提高混合料的抗水侵害能力, 添加抗车辙剂来提高混合料的抗高温变性能力, 特殊级配还需纤维等等。
2．彩色沥青混合料的配合比设计
彩色沥青混合料的配合比设计主要内容有: 确定混合料矿料级配、 确定浅色结合料用量以及确定颜料用量, 若需使用外加剂还需确定外加剂用量。设计方法可采用诸如马歇尔法、 GTM法、 贝雷法等其它方法。
( 1) 混合料矿料级配确定
集料的级配组成设计基本上与一般的沥青混凝土面层设计类似, 能够采用所适用于热拌沥青混合料的几乎所有级配。对于停车场, 住宅小区等承载力较小的地方, 可采用较薄层的彩色铺面, 比如AC-5, AC-10等级配类型。对于道路铺装, 能够采用AC-10, AC-13, AC-16, 以及其它特殊结构形式, 级配设计过程与一般沥青混凝土完全相同。
( 2) 确定彩色结合料用量
彩色结合料最佳用量的确定方法跟一般沥青混合料最佳沥青用量的确定方法一样, 取决于混合料类型, 道路交通荷载及交通量大小, 气候条件等因素, 虽然彩色结合料的性能要比一般道路沥青在某种程度上有一定优势, 但能否正确地确定结合料用量, 对路面仍有极大影响。
( 3) 颜料用量的确定
颜色是彩色铺面一个极为重要的环节, 而颜料是控制混合料颜色的最主要因素, 颜色用量选取应慎重。
在确定颜料用量时, 可按彩色结合料生产配比掺加1%、 2%、 3%、 4%、 5%五种不同含量颜料, 经过重复比较, 得出颜色效果最佳的颜料用量。然后按此用量调整生产配比, 并进行马歇尔试验验证, 当马歇尔技术指标合格后便可使用。

4.2.2 彩色沥青混合料马歇尔试验设计
本研究配合比设计采用马歇尔试验设计方法。选用一种常见级配对采用不同结合料的混合料进行性能对比研究, 试验中矿料级配统一采用《公路沥青路面施工技术规范》( JTG F40— ) 中推荐的AC-13型级配的中值, 其具体级配组成见表4-2-1和图4-2-1所示。
表4-2-1 沥青混合料矿料级配组成
AC-13
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
经过率范围, ％
100
90-100
68-85
38-68
24-50
15-38
10-28
7-20
5-15
4-8
中值, ％
100
95
76.5
53
37
26.5
19
13.5
10
6

图4-2-1 级配曲线图
按照高等级道路的击实标准( 正反各75次) 成型试件, 各种结合料选用五种不同沥青用量, 成型后测定马歇尔试件的毛体积密度、 空隙率、 矿料间隙率、 沥青饱和度, 在60℃水中恒温30-40分钟后, 测定稳定度和流值, 试验结果见图4-2-2～图4-2-9。

图4-2-2 BSL-90A彩色沥青混合料油石比与各指标关系

图4-2-3 BSL-90B彩色沥青混合料油石比与各指标关系

图4-2-4 BSL-90C彩色沥青混合料油石比与各指标关系

图4-2-5 ESSO90沥青混合料油石比与各指标关系

图4-2-6 BSL-70A彩色沥青混合料油石比与各指标关系

图4-2-7 BSL-70B彩色沥青混合料油石比与各指标关系

图4-2-8 BSL-70C彩色沥青混合料油石比与各指标关系

图4-2-9 ESSO70沥青混合料油石比与各指标关系

按照《公路沥青路面施工技术规范》( JTG F40- ) 方法确定各种结合料的最佳沥青用量, 如图4-2-10。

图4-2-10 最佳油石比的确定
试验结果见表4-2-2和表4-2-3。
表4-2-2 不同沥青混合料( 90＃结合料) 马歇尔试验结果
结合料
最佳沥青用量( %)
毛体积密度ρs (g/cm3)
空隙率VV
( %)
矿料间隙率VMA( %)
饱和度VFA
( %)
稳定度MS
( kN)
流值FL( mm)
BSL-90A
4.8
2.424
3.3
14.3
75.8
8.60
2.25
BSL-90B
4.7
2.428
3.3
14.1
76.6
9.48
2.64
BSL-90C
4.7
2.430
3.5
14.2
79.0
9.00
2.47
ESSO90
4.7
2.421
3.8
14.6
73.7
8.80
2.39

表4-2-3不同沥青混合料( 70＃结合料) 马歇尔试验结果
结合料
最佳沥青用量( %)
毛体积密度ρs (g/cm3)
空隙率VV
( %)
矿料间隙率VMA( %)
饱和度VFA
( %)
稳定度MS
( kN)
流值FL( mm)
BSL-70A
4.8
2.411
3.6
14.5
75.4
9.22
2.23
BSL-70B
4.7
2.414
4.0
14.6
73.0
8.50
2.97
BSL-70C
4.7
2.407
3.8
14.9
72.5
9.52
2.05
ESSO70
4.7
2.434
3.3
14.0
76.5
9.78
2.15

图4-2-11两种不同颜色的彩色沥青混合料
§4-3 彩色沥青混合料路用性能研究
4.3.1 彩色沥青混合料的高温稳定性
随着现代交通量的不断增大, 车辆行驶的渠化, 沥青路面的车辙破损越来越严重。它使路表过量变形, 影响路面平整度; 削弱面层及路面结构的整体强度, 诱发其它病害; 雨季车辙内积水可导致车辆漂滑, 影响高速行车安全等。由此可知, 车辙的产生严重影响着路面的使用寿命和服务质量。因此, 对彩色混合料进行车辙试验分析是非常必要的。
1．试验评价方法
沥青混合料的高温稳定性, 即沥青路面抵抗流动变形的能力。沥青混合料是一种粘弹性材料, 其物理力学性能与温度、 荷载作用时间密切相关, 沥青路面的强度与刚度随温度升高而显著下降, 为了保证沥青路面在高温季节行车荷载的重复作用下, 不至于产生诸如波浪、 推移、 车辙、 拥包等病害, 要求沥青路面具有良好的高温稳定性。
评价沥青混合料的高温性能的试验方法有很多, 如单轴加载试验、 三轴压缩试验、 弯曲蠕变试验、 简单剪切试验、 车辙试验和大型环道试验等。在诸多的试验中, 车辙试验是在规定的温度下经过板状试件与车轮间的往复相对运动, 使试块在车轮的重复作用下产生压密、 剪切、 推移和流动, 从而产生车辙, 用仪器将试块的变形和试验时间进行测定就能够用来检验沥青混合料的高温性能。该方法能够充分模拟沥青路面上车轮行驶的实际情况, 而且试验方法思路清晰、 简单, 因此本课题采用车辙试验检验混合料的高温稳定性, 其评价指标为动稳定度DS和相对变形。
本次试验采用北京航天航宇测控技术研究所生产的ZCZ－5型车辙仪, 如图4-3-1所示。由计算机控制整个试验过程, 自动采集数据并进行动稳定度(DS)的计算。

图4-3-1 ZCZ-5型全自动双轮车辙试验仪
实验条件如下:
A．试件尺寸: 300×300×50mm;
B．试验荷重: 施加的总荷重为700N左右, 使试验轮与试件的接触压强在60℃时为0.7±0.05MPa;
C．试验温度及试件养生时间: 试验温度采用60℃, 试件放入恒温环境中养生5～24h;
D．行走距离及行走速度: 试验轮行走距离为230±10mm, 行走速度42±1次/min, 其行走方向与试件碾压或行车方向一致;
E．动稳定度计算方法:

式中: DS—沥青混合料的动稳定度, 次/mm;
d—试验时间为60min时试件的变形量, mm;
d—试验时间为45min时试件的变形量, mm;
N—试验轮行走速度, 次/min。

图4-3-2 BSL彩色沥青混合料与一般沥青混合料车辙试验后的比较
2．试验结果及分析
对用各种不同结合料的混合料按照其最佳沥青用量成型车辙板, 进行车辙试验, 试验方法采用中华人民共和国行业标准《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》( JTJ052－ ) 中的T0719－ , 得到的试验结果列于表4-3-1和表4-3-2。
表4-3-1 不同沥青混合料( 90＃结合料) 车辙试验结果
结合料
种类
动稳定度DS,次/mm
45min车辙变形量,
mm
60min车辙变形量
mm
相对变形％
BSL-90A
705.1
5.888
6.789
13.6
BSL-90B
846.4
7.717
8.533
17.0
BSL-90C
1393.8
3.253
3.705
7.4
ESSO90
1013.9
4.285
4.907
9.8

表4-3-2不同沥青混合料( 70＃结合料) 车辙试验结果
结合料
种类
动稳定度DS,次/mm
45min车辙变形量,
mm
60min车辙变形量
mm
相对变形％
BSL-70A
1505.5
3.640
4.067
8.1
BSL-70B
881.7
4.496
5.227
10.4
BSL-70C
1874.5
3.361
3.723
7.4
ESSO70
1294.6
4.046
4.525
9.1

图4-3-3 不同沥青混合料( 90＃结合料) 动稳定度比较

图4-3-4 不同沥青混合料( 90＃结合料) 车辙相对变形比较

图4-3-5 不同沥青混合料( 70＃结合料) 动稳定度比较

图4-3-6 不同沥青混合料( 70＃结合料) 车辙相对变形比较
影响沥青混合料高温稳定性的因素很多, 主要为集料级配、 集料硬度、 颗粒形状等, 其次为结合料的性能。
由表4-3-1及图4-3-3和图4-3-4能够看出: BSL-90C混合料的动稳定度最大, 车辙相对变形也最小, 其动稳定度比ESSO90混合料的大37.5%, 相对变形比其小24.5%。这是因为BSL-90C结合料的软化点为70.3℃比ESSO90高出很多; BSL-90A、 BSL-90B和ESSO90混合料的高温稳定性大致相当。
由表4-3-2及图4-3-5和图4-3-6可见, BSL-70C混合料的动稳定度最大, 其动稳定度比ESSO90混合料的大44.6%, 其60min车辙深度也最小, 相对变形比ESSO70混合料小17.7%, 同样这也与BSL-70C结合料较高的软化点有关, BSL-70C结合料软化点高达70.7℃。BSL-70A混合料的动稳定度也比ESSO70混合料高16.3％, 相对变形方面两者相差不大。BSL-70B混合料的动稳定度为881.7, 要比ESSO70小, 相应其车辙深度也要大一些。
从整体上看, 由70号结合料组成的混合料要比相应90号的混合料高温性能好, 表现为动稳定度高, 车辙相对变形小。彩色沥青混合料的高温性能同一般沥青混合料一样能够经过改变级配或是添加抗车辙剂等措施加以提高。
4.3.2 彩色沥青混合料的水稳定性
水损害是沥青路面破坏的一种重要形式, 是路面早期破坏的重要原因之一。它是指沥青路面在水或冻融循环的作用下, 由于汽车车轮动态荷载的作用, 进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的重复循环作用, 水分逐渐渗入沥青与集料的界面上, 使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘附力, 沥青膜从石料表面脱落剥离, 沥青混合料掉粒、 松散、 继而形成沥青路面的坑槽、 推挤变形等的损坏现象。
沥青混合料的水损害与三种作用过程有关: 一是沥青与矿料之间的粘附性不足, 由于矿料对水的吸力比对沥青的大, 水分可进入沥青与集料之间, 从而导致沥青膜脱落; 第二种是沥青的粘聚力减弱, 由于水分入侵, 使得沥青变软, 粘性降低, 从而沥青混合料的整体性与强度降低; 第三种是混合料在拌和成型过程中加热温度过高, 致使沥青老化失去粘性降低所致。
1．试验评价方法
当前, 评价沥青混合料水稳性的方法很多, 其中得到广泛应用的有: 浸水马歇尔试验、 浸水抗压强度试验、 浸水劈裂强度试验、 AASHTO T283( 改进的Lottman法) 试验方法, 即冻融劈裂试验、 浸水车辙试验等。
本研究采用《公路工程沥青及沥青混合料规程》( JTJ052- ) 中浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验两种方法来研究不同沥青混合料的水稳定性能。
1) 浸水马歇尔试验
本方法采用击实法成型圆柱体试件, 拌和温度( 140℃～160℃) , 击实温度( 110℃～140℃) , 击实次数正反各75次, 试件尺寸为φ101.6×63.5mm。
每种混合料成型6个试件, 分成两组, 其中一组直接进行马歇尔试验, 在60℃水浴中恒温30min～40min, 测定其稳定度MS, 另一组在60℃水浴中恒温48小时测定其稳定度MS1, 计算残留稳定度:

式中: MS—试件的浸水残留稳定度, ％;
MS—试件浸水30min～40min的稳定度, kN;
MS—试件浸水48小时的稳定度, kN。
2) 冻融劈裂试验
本方法采用击实法成型圆柱体试件, 拌和温度( 140℃～160℃) , 击实温度( 110℃～140℃) , 击实次数正反各50次, 尺寸为φ101.6×63.5mm。
试验时, 每种混合料在最佳沥青用量下成型6个试件, 然后分成两组。第二组试件用以下方法处理:
a．在98.3KPa～98.7Kpa的真空条件下浸水抽真空15min, 恢复常压后在水中放置30min;
b．取出试件并用塑料袋装好, 加入约l0ml水, 扎紧袋口, 放在-18±2℃的冰箱中冻16h±1h:
c．从塑料袋中取出试件立即放入60℃水浴中保温24h。
按上述方法处理完第二组试件后, 将第一组和第二组试件一并置于25℃±0.5℃的水中, 恒温不少于2h, 利用改装的劈裂试验仪( 压条宽度12.7mm; 加载速率50mm/min) 分别测出第一组和第二组试件的劈裂强度RT1和RT2, 按下式计算劈裂强度比TSR。

式中: TSR — 劈裂强度比, ％; RT1 — 第一组试件的劈裂强度, MPa;
RT2 — 第二组试件的劈裂强度, MPa;
其中: ; i＝1, 2PTi — 第i组试件的试验荷载最大值, kN; hi — 试件的平均高度, mm。
2．试验结果及分析
1) 采用马歇尔试验残留稳定度评价沥青混合料的水稳定性试验结果见表4-3-3和表4-3-4。
表4-3-3 不同沥青混合料( 90＃结合料) 浸水马歇尔试验结果
结合料种类
MS( KN)
MS( KN)
MS( %)
BSL-90A
8.60
7.89
91.7
BSL-90B
9.48
8.17
86.2
BSL-90C
9.00
8.22
91.3
ESSO90
8.80
7.05
80.1
表4-3-4不同沥青混合料( 70＃结合料) 浸水马歇尔试验结果
结合料种类
MS( KN)
MS( KN)
MS( %)
BSL-70A
9.22
8.20
88.9
BSL-70B
8.50
7.50
88.1
BSL-70C
9.52
8.80
92.4
ESSO70
9.78
8.75
89.5

图4-3-7残留稳定度试验结果
用残留稳定度( MS) 评价沥青混合料的水稳定性, MS越大, 水稳定性越好。由表4-3-3、 4-3-4和图4-3-7试验数据分析能够得出:
8种混合料的残留稳定度都比较高, 均在80％以上, 满足规范中对年降雨量大于1000mm的潮湿区的要求。
对于90号结合料, BSL彩色沥青混合料残留稳定度均比ESSO沥青混合料要略高, 其中BSL-90A和BSL-90C混合料的残留稳定度可达91.7％和91.3％, 比ESSO90沥青混合料高出14％。
对于70号结合料, BSL彩色沥青混合料和ESSO沥青混合料的残留稳定度相差不多, 非常接近, 都在90％左右, 但仍可发现BSL-70C混合料是最高的。
能够判定BSL-C系列彩色沥青混合料的水稳定最好。
2) 采用冻融劈裂强度比TSR评价沥青混合料的水稳定性试验结果见表4-3-5和表4-3-6。
表4-3-5 不同沥青混合料( 90＃结合料) 冻融劈裂试验结果
结合料种类
RT1( MPa)
RT2( MPa)
TSR( %)
BSL-90A
0.679
0.475
70.0
BSL-90B
0.929
0.592
63.7
BSL-90C
0.911
0.652
71.6
ESSO90
0.999
0.657
65.8

表4-3-6 不同沥青混合料( 70＃结合料) 冻融劈裂试验结果
结合料种类
RT1( MPa)
RT2( MPa)
TSR( %)
BSL-70A
1.160
0.704
60.7
BSL-70B
0.977
0.679
69.5
BSL-70C
0.934
0.665
71.2
ESSO70
1.070
0.687
64.2

图4-3-8 冻融劈裂试验结果
影响沥青混合料水稳定性的因素很多, 主要包括沥青混合料的配合比、 材料质量、 环境因素及施工条件。沥青混合料的性质又包括集料的品质及质量、 沥青结合料性质及混合料类型; 环境因素包括气候和交通荷载, 影响混合料的使用条件; 施工质量包括压实质量、 温度控制及施工时的气候条件。
从表4-3-5、 表4-3-6和图4-3-8能够看出:
对于90号结合料, BSL-90C和BSL-90B彩色沥青混合料水稳定性较好, TSR分别为71.6％、 70.0％, 比ESSO沥青混合料要略高; BSL-90A与ESSO90沥青混合料TSR相当。
对于70号结合料, 也以BSL-70C最好, TSR可达71.2％比ESSO沥青混合料高出11％; BSL-70A彩色沥青混合料TSR居于第二位, BSL-70B最不好。从高到低次序为BSL-70C>BSL-70A>ESSO70>BSL-70B。
在沥青与集料的粘附性水煮法试验中, 这8种沥青结合料与集料的粘附性等级在三级和四级之间, 粘附性不是很好, 故而可能出现这样的结果。在实际的应用中能够经过优化级配或者采取抗剥落措施, 如掺加抗剥落剂等提高混合料的水稳定性。
4.3.3 彩色沥青混合料的低温抗裂性
沥青路面的低温收缩裂缝不但在寒冷地区, 在温暖地区也十分普遍, 沥青路面低温开裂是路面的主要病害之一, 是各国道路界普遍关心的问题。它的产生不但破坏了路面的连续性、 整体性, 而且经过裂缝水会不断进入面层的结构、 基层甚至路基, 在荷载的作用下产生水损害, 导致路面承载力的下降, 从而影响行车行驶的舒适性并危及道路的使用寿命和质量。因此, 需要对沥青混合料的低温抗裂性能进行评价。
1．试验评价方法
当前评价沥青混合料低温抗裂性能的方法主要有: 间接拉伸试验、 直接拉伸试验、 蠕变试验、 受限试件的温度应力试验、 切口小梁试件的弯曲试验和应力松弛试验。在上述评价方法中常见的是蠕变试验, 蠕变试验按加载方式的不同又分为直接拉伸蠕变、 劈裂拉伸蠕变和弯曲蠕变, 其中又以弯曲蠕变试验最为常见, 该试验方法是在－10℃, 应力水平为1MPa的条件下, 经过测定小梁试件受恒定集中荷载作用时的蠕变速率来评价沥青混合料的低温性能。一般的蠕变速率越大, 低温抗裂性能越好。但该方法中沥青混合料的级配类型对应力水平非常敏感, 试验表明对于1MPa的应力水平只适用于空隙率较小的沥青混合料及原状沥青, 而对空隙率大的沥青混合料和改性沥青并不适用。
沥青混合料的低温抗裂性能主要取决于混合料的强度和变形能力, 抗裂性能高的混合料一定具有较高的强度和较大的变形能力。如果能综合考虑应力和变形来评价沥青混合料低温抗裂性是较为理想的, 能量法正好满足此要求。该方法是采用低温弯曲破坏试验, 测定破坏时的最大荷载及其破坏时的跨中挠度, 经过计算混合料的弯曲应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性, 弯曲应变能越大, 表明其低温抗裂性越好。因此, 本课题采用低温弯曲试验及应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性。
试验采用美国MTS公司生产的材料测试系统MTS－810试验机, 这是一套精密的闭合伺服液压系统, 整个试验过程可经过程序进行控制并由计算机自动采集试验数据, 如图4-3-9所示:

图4-3-9 MTS－810测试系统
( 1) 试验条件
成型方法: 轮碾法;
试件尺寸: 35×30×240mm, 跨径200mm;
试验温度: －10℃;
加载方式: 单点加载;
加载速率: 50mm/min;
( 2) 试验步骤
a.试验准备: 将35×30×240mm试件在环境保温箱中保温至少3h;
b.试验: 从恒温箱中取出试件, 立即对称安放在支座上, 试件上下方向应与试件成型时的方向一致, 对位移测定装置和荷载传感器进行量程和调零处理, 开动压力机进行中点加载并采集测试数据。

d0

图4-3-10 荷载—跨中挠度曲线
根据采集到的不同荷载Pi和跨中的变形di值, 可绘制出荷载与变形的曲线, 如图4-3-10所示。将图中荷载—挠度曲线的直线段延长与横坐标相交作为曲线的原点, 进行跨中挠度修正, 得到试件最大破坏荷载PB所对应的跨中挠度d。图4-3-11为破坏前后的小梁试件。
( 3) 、 和的计算

式中: — 试件破坏时的抗弯拉强度, MPa;
— 试件破坏时的最大弯拉应变;
— 试件破坏时的弯曲劲度模量, MPa;
— 分别为跨中断面试件的宽度和高度, mm;
— 试件的跨径, mm;
— 试件破坏时的最大荷载, N;
— 试件破坏时的跨中挠度, mm。
( 4) 应变能计算
大量试验表明, 沥青混合料试件的应力—应变曲线用三次抛物线进行回归时, 相关系数均大于0.99, 已满足精度要求。因此, 可从试验数据中取对应最大弯曲应力时的弯曲应变值, 由0到对三次多项式中弯曲应变进行积分, 即可得到应变能密度E。混合料的低温应变能密度可按下式计算:

式中: —弯曲应变能密度, KJ/m;
—某一时刻沥青混合料的弯曲强度;
—某一时刻沥青混合料的弯曲应变。

图4-3-11 彩色沥青混合料小梁试件
2．试验结果及分析
八种沥青混合料的小梁低温弯曲破坏试验的结果汇总于表4-3-7、 表4-3-8。
表4-3-7 不同沥青混合料( 90＃结合料) 低温弯曲试验结果
结合料种类
抗弯拉强度
RB, MPa
极限弯拉应变
εB, με
弯曲劲度模量SB, MPa
应变能密度, KJ/
BSL-90A
8.349
1167
7198.5
6.20
BSL-90B
9.988
1169
8540.3
5.69
BSL-90C
7.983
1101
7306.5
6.09
ESSO90
7.935
968
8193.5
4.85
表4-3-8 不同沥青混合料( 70＃结合料) 低温弯曲试验结果
结合料种类
抗弯拉强度
RB, MPa
极限弯拉应变εB, με
弯曲劲度模量SB, MPa
应变能密度, KJ/
BSL-70A
9.440
1403
6728.8
6.26
BSL-70B
9.786
1444
6769.6
6.75
BSL-70C
9.234
1212
7622.0
5.98
ESSO70
10.183
791
12925.8
4.79

图4-3-12不同混合料( 90结合料) 弯曲破坏试验结果比较

图4-3-13 不同混合料( 70＃结合料) 弯曲破坏试验结果比较
由表4-3-7、 表4-3-8和图4-3-12、 图4-3-13能够看出:
从抗弯拉强度来看, 对于90号结合料, 三种BSL彩色沥青混合料的抗弯拉强度都要比ESSO沥青混合料要大; 对于70号结合料, BSL-70A、 BSL-70B和BSL-70C与ESSO沥青混合料的抗弯拉强度相差都很小。
从破坏弯拉应变来看, 对于90号结合料, ESSO90沥青混合料的破坏应变较小, 而其它三种彩色沥青混合料BSL-90A、 BSL-90B、 BSL-90C混合料分别比其高出20.6％、 20.8％和13.7％; 对于70号结合料, ESSO70沥青混合料的破坏弯拉应变只有791, 而BSL-70A、 BSL-70B和BSL-70C分别是其1.774、 1.826和1.532倍。这说明彩色沥青混合料的低温延展性比ESSO90沥青混合料大, 这与彩色结合料的10℃延度非常大是一致的。
弯曲劲度模量是抗弯拉强度和极限弯曲应变的比值, 是反映材料刚度大小的指标。在一定程度上采用该值能够表征沥青混合料在低温时发生开裂破坏的难易程度, 劲度模量较大的沥青路面低温下抗变形能力差, 脆性增加, 容易引起开裂破坏。从弯曲劲度模量来看, 对于90号结合料, 四种沥青混合料的弯曲劲度模量差不多, 都在七千或八千左右, 说明这几种材料的刚度差不多; 对于70号结合料, 一般沥青混合料则要比该几种彩色沥青混合料大很多, ESSO70沥青混合料弯曲劲度模量分别比BSL-70A、 BSL-70B和BSL-70C彩色沥青混合料高出92％、 91％和70％, 这说明彩色沥青混合料的低温刚度要比一般沥青混合料要小很多抗低温开裂性要好。
实际中某些材料的抗弯拉强度很小, 其破坏时的最大应变却很大, 有些则相反。因此, 仅以强度或仅以变形来评价沥青混合料的低温抗裂性是不够全面的, 从能量的角度评价更准确、 合理。弯曲破坏应变能密度表示破坏试件时单位体积内所需的能量, 该值越大说明破坏时所需能量越高, 低温抗裂性就越好。对于该90号的彩色沥青混合料其破坏应变能密度均比一般沥青混合料要大, ESSO沥青混合料破坏应变能只有4.85 KJ/, BSL-90A、 BSL-90B和BSL-90C混合料分别比其超出27.8％、 17.3％和25.6％; 对于70号的结合料, 能够发现同样的规律, BSL-90A、 BSL-90B和BSL-90C彩色沥青混合料分别比ESSO70沥青的要高出30.5％、 40.9％和24.8％。这说明本彩色沥青混合料低温抗裂性要比ESSO沥青混合料强。
综合以上四方面可认为彩色沥青混合料的低温性能要强于优质的道路石油沥青, 这也跟前面对结合料的性能分析结果相一致。
4.3.4 彩色混合料的疲劳性能
疲劳特性, 即沥青路面在重复荷载作用下抵抗破坏的能力。随着公路交通量日益增长, 汽车轴重不断增大, 汽车对路面的破坏作用越来越明显。路面使用期间, 在气温环境影响下经受车轮荷载的重复作用, 长期处于应力应变交迭变化状态, 致使路面结构强度逐渐下降。当应力或应变超过路面的疲劳极限时, 路面不足以抵抗车轮荷载而引起开裂破坏, 即产生疲劳破坏。随着人们对疲劳损坏的认识, 沥青路面疲劳裂缝的形成规律、 预测和防治方法的研究得到了越来越多的关注。
1．试验评价方法
国外公路研究人员从上世纪50年代就开始对沥青路面疲劳性能进行研究, 从疲劳发生机理、 试验方法、 量测设备、 影响因素分析等方面着手, 构建疲劳研究的体系, 到当前为止已取得了有价值的成果。
沥青路面疲劳性能的研究从方法和途径上能够分为现象学法和力学近似法。前者采用传统的疲劳理论, 经过疲劳曲线来表征材料的疲劳特性, 研究的是裂缝形成的机理、 应力/应变与疲劳寿命之间的关系以及各种因素对疲劳强度和疲劳寿命的影响, 疲劳强度定义为材料出现疲劳破坏的重复应力值, 相应的应力重复作用次数称为疲劳寿命; 后者应用断裂力学原理分析疲劳裂缝扩展规律, 认为材料一开始就有初始裂缝存在, 因此不考虑裂缝的形成阶段, 而着重关注材料的断裂机理和裂缝扩展规律, 并用以预测材料的疲劳寿命, 应用这一方法的疲劳寿命被命名为在一定的应力状态下, 材料的损坏按照裂缝扩展的规律, 从初始状态到危险和临界状态的时间。
本课题采用传统的疲劳理论方法, 对彩色结合料和普通重交沥青混合料的疲劳性能进行研究。传统疲劳理论方法可采用控制应力和控制应变两种不同的加载模式。应力控制方式是指重复加载过程中所施加荷载( 或应力) 的峰谷值始终保持不变, 随着加载次数的增加最终导致试件断裂破坏。试验结果可用下式来表示:

式中: N—试件破坏时加载次数;
k,n—取决于沥青混合料成分和特性的常数;
σ—对试件每次施加常量应力的最大幅值。
应变控制方式是指在重复加载过程中始终保持挠度或试件底部应变峰谷值不