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高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

宣布日期：

2025-02-19

摘要

为研究高寒、大温差以及降温速率等因素综合作用下的沥青混淆料低温性能，在室内模拟高寒大温差条件，通过转变沥青类型、用量、级配等因素制备多种沥青混淆料，使用约束试件温度应力试验(TSRST)、低温弯曲试验、冻融劈裂试验等研究沥青混淆料在高寒大温差条件作用下低温性能的转变纪律。研究效果批注：在高寒、大温差作用条件下，沥青混淆料类型对其低温性能保存显著影响，SMA类沥青混淆料冻断温度低于AC类沥青混淆料，3种混淆料的低温性能由高到低依次为SMA-13＞AC-13＞AC-16；沥青类型对沥青混淆料低温性能保存显著性影响，其中SBS改性沥青＞SBR改性沥青＞基质沥青；别的，高寒大温差条件对沥青混淆料强度及水稳固性有显著的影响。研究效果可以为青藏高原等高寒大温差地区沥青路面面层混淆料的优化设计提供依据。

要害词：蹊径工程 | 沥青混淆料 | 高寒大温差 | 低温性能 | TSRST | 低温弯曲

我国高寒大温差地区具有天气严寒、低温一连时间长、温差大等天气特点，这些自然条件造成该区域的沥青混凝土路面普遍保存严重开裂等病害征象，再加上自然因素中强紫外线的作用，使得路面沥青面层常泛起过早老化，大大影响了路面的使用寿命。

韦佑坡[1]针对青藏地区的高寒、大温差等特殊天气特点，举行沥青混淆料室内弯拉强度试验，研究了沥青混淆料弯拉强度受级配、油石比、温度等因素影响的转变纪律；郭博、李东庆等[2-3]针对大温差地区沥青混淆料质料组成因素的转变对其崎岖温性能、水稳固性等的影响，提出了影响混淆料崎岖温性能因素敏感性的顺序；詹永祥等[4]应用热-力耦合求解手艺，对沥青路面在低温大温差作用下的温度应力外貌裂痕问题举行了数值剖析，批注大温差是高寒地区沥青路面损伤的主要缘故原由；LuoX等[5]剖析了路面随温度疲劳作用次数增da而损伤水平加大的疲劳机理，建设了响应的温度疲劳寿命方程；Xiap F等[6]将温度疲劳视为热疲劳和低温开裂的配合作用效果；彭水根[7]以拉萨至贡嘎机场高速公路为依托，以抗低温开裂、抗老化、抗冻融等要求为主，提出了知足西藏地区高品级沥青路面使用要求的沥青种类选择以及混淆料矿料级配规模；张毅[8]对短期老化和恒久老化后的沥青混淆料举行了0℃弯曲试验和-10℃弯曲试验研究，剖析了差别老化状态下沥青混淆料的低温抗裂性能；郝培文等[9]使用低温抗裂系数来评价沥青混淆料的抗裂性能，抗裂系数值越大，低温抗裂性能越好；马骉等[10]通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及车辙试验等，剖析了沥青种类、级配类型等对青藏高寒地区沥青混淆料水稳固性及高温性能的影响。上述研究批注，高寒大温差条件对沥青混淆料性能有着显著的影响。现在高寒大温差地区沥青混淆料低温性能的研究多接纳低温弯曲试验，与区域天气特征关联度低且评价指标较为简单，而针对高寒、大温差以及降温速率等因素综合作用下沥青混淆料低温性能的系统研究较少。

基于此，通过模拟高寒大温差条件，转变沥青类型、用量、级配等因素制备多种沥青混淆料，使用约束试件温度应力试验(TSRST)、低温弯曲试验、冻融劈裂试验等研究沥青混淆料在高寒大温差条件作用下低温性能的转变纪律，剖析混淆料类型、沥青用量及降温速率对高寒大温差条件下混淆料低温性能的影响，为高寒大温差地区沥青路面面层混淆料的优化设计提供依据。

原质料及试验计划

原质料

研究接纳的基质沥青为SK110号A级蹊径石油沥青，改性沥青为I-C类SBS改性沥青及SBR改性沥青。参照《公路工程沥青及沥青混淆料试验规程》(JTG E20-2011)对沥青性能举行检测，主要手艺指标见表1。

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

粗集料接纳玄武岩碎石，细集料接纳03mm机制砂，填料接纳石灰石矿粉。粗、细集料及矿粉各项手艺指标均知足《公路沥青路面施工手艺规范》(JTG F40-2004)要求。

级配设计

研究选用AC-13、AC-16及SMA-13等3种沥青混淆料类型，设计级配见表2。

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

AC-13接纳基质沥青、SBS改性沥青及SBR改性沥青制备沥青混淆料；AC-16接纳基质沥青、SBS改性沥青制备沥青混淆料；SMA-13接纳SBS改性沥青制备沥青混淆料。通过马歇尔试验确定差别沥青混淆料的zui佳油石比，获得基质沥青AC-13、SBS改性AC-13及SBR改性AC-13沥青混淆料zui佳油石比划分为5.1%、5.2%、5.3%；基质沥青AC-16、SBS改性AC-16沥青混淆料zui佳油石比划分为4.7%、5.1%；SBS改性SMA-13沥青混淆料zui佳油石比划分为6.4%。

试验计划

研究接纳约束试件温度应力试验(TSRST)、低温弯曲试验及冻融劈裂试验评价沥青混淆料低温性能。

(1)沥青混淆料约束试件温度应力试验

试验分为3组，每组均包括6种沥青混淆料。3组试验初始温度均设定为10℃，等温度稳固后举行试验，使用自增压液氮罐举行降温，降温速率划分为5℃/h、10℃/h和、15℃/h。试验降温zui低抵达-50℃，在降温历程中，试件断裂则试验阻止，测试沥青混淆料的冻断温度、冻断应力及转化点温度。

(2)切口小梁低温弯曲试验

关于SBS改性AC-13、SBS改性AC-16及SBS改性SMA-13等3种沥青混淆料制备的小梁试件举行预切缝处置惩罚，切缝深度划分为0mm、4mm、8mm、12mm及16mm共5种，试验温度划分为20℃、10℃、0℃、-10℃和-20℃，试验加载速率为50mm/min，测试抗弯拉强度及zui大弯拉应变。

(3)冻融劈裂试验

以SBS改性AC-13为研究工具，将试件分为3组：一组和二组凭证《公路工程沥青及沥青混淆料试验规程》(JTG E20-2011)举行标准冻融劈裂试验，三组是将试件安排于-35℃的低温条件下16h，取出安排于50℃恒温情形中24h，往复10个循环，测试劈裂抗拉强度和冻融劈裂试验强度比。

试验效果及剖析

低温应力约束试验(TSRST)

对基质沥青AC-13、SBS改性AC-13、SBR改性AC-13、基质沥青AC-16、SBS改性AC-16、SBS改性SMA-13等6种沥青混淆料，凭证5℃/h、10℃/h和、15℃/h的降温速率分3组举行约束试件温度应力试验，试验效果如表3所示。

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

由表3可以看出，差别条件下沥青混淆料的冻断温度、冻断应力及转化点温度3项指标总体具有相似的趋势，选取冻断温度指标对沥青混淆料的低温性能举行详细叙述。

(1)混淆料类型对冻断温度保存显著影响。SMA类沥青混淆料冻断温度低于AC类沥青混淆料，AC-13混淆料冻断温度低于AC-16沥青混淆料。这是由于SMA沥青混淆料属于骨架密实结构，既有一定命目的粗集料形成骨架结构，又有足够的细集料填充到粗集料中心，粗集料多、矿粉多、沥青用量高，因此其较AC类沥青混淆料具有更优的低温性能。关于AC-16和AC-13而言，矿料级配越细，低温抗裂性能越佳，因此AC-13沥青混淆料冻断温度低于AC-16沥青混淆料。

(2)沥青类型对混淆料低温性能有显著性影响。其中基质沥青的冻断温度要高于改性沥青，3种沥青的冻断温度由高到低依次为：基质沥青＞SBR＞SBS。这是由于改性沥青相对基质沥青黏度较大，在低温条件下的韧性优于基质沥青，别的改性沥青付与沥青混淆料的黏滞阻力也相对较大，可使沥青与集料的黏结力提高，因此改性沥青的低温性能要优于基质沥青混淆料。

(3)降温速率对冻断温度保存一定影响，但影响幅度较小。随着降温速率的增添，混淆料的冻断温度泛起上升的趋势，这是由于随着降温速率越大，应力在混淆料中举行群集的速率越快，混淆料来缺乏通过变形而释放爆发的温度应力，则其断裂爆发的就越快。

切口小梁低温弯曲试验

(1)荷载挠度曲线剖析

在试验温度为-10℃条件下差别切口深度的小梁荷载挠度曲线如图1图3所示。

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

由图1图3可以看出，随着切口深度转变，3种沥青混淆料的荷载位移曲线转变速率未泛起显着转变，说明混淆料抗变形能力及低温抗裂性能与切口深度无显着相关性。从试件破损时位移看，3种沥青混淆料在未切口或切口深度较浅时，试件破损时位移泛起离散状态，而随着切口深度加深，位移则趋于集中。从试件破损时荷载看，3种沥青混淆料破损荷载排序在差别切口深度下泛起较高的一致性，即SMA-13＞AC-13＞AC-16。

小梁切口深度为4mm的3种沥青混淆料在差别试验温度条件下的荷载挠度曲线如图4图6所示。

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

由图4图6可看出，随着温度降低，荷载位移曲线转变速率增快，混淆料由黏弹性向弹性过渡，在-20℃时，AC-13及AC-16均爆发了脆断。3种沥青混淆料在低温时，荷载位移曲线形态差别大，随温度增高，在试件破损前曲线趋于重合，说明3种沥青混淆料低温时变形能力及低温抗裂性能差别较大，而高温时其变形能力差别缩小。从差别温度时荷载位移曲线转变趋势、破损时zui大荷载及位移剖析，混淆料低温性能SMA-13＞AC-13＞AC-16。

(2)抗弯拉强度剖析

小梁切口深度为4mm时，差别试验温度下3种沥青混淆料的抗弯拉强度如图7所示。

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

由图7可以看出：AC-13、AC-16、SMA-13等3种沥青混淆料抗弯拉强度具有相似的温度相关性，即当加载速率一准时，随试验温度降低泛起出先增da后减小的趋势。在-20℃～-10℃区间内，随温度升高弯拉强度增da；在-10℃～10℃区间内，随温度升高抗弯拉强度减��；在10℃～20℃区间内，随温度升高抗弯拉强度减小，且减小速率较快。-20℃10℃时，抗弯拉强度AC-16＜AC-13＜SMA-13。

试验温度为-10℃时，差别切口深度条件下3种沥青混淆料的抗弯拉强度如图8所示。

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

由图8可看出，沥青混淆料抗弯拉强度随着切口深度的增da泛起减小的趋势，且3种沥青混淆料的差别也在逐步缩小。

(3)zui大弯拉应变剖析

小梁切口深度为4mm时，差别试验温度下3种沥青混淆料的zui大弯拉应变如图9所示。

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

由图9可以看出，随着温度降低，AC-13、AC-16、SMA-13等3种沥青混淆料破损时zui大弯拉应变均逐渐减小，其中10℃20℃区间下降速率zui快，可以为10℃～20℃为zui大弯拉应变的温度敏感区间。这是由于随着温度降低，混淆料劲度模量增da，刚度变大，其受力后形变量减小。破损时zui大拉应变SMA-13zui大、AC-13其次、AC-16zui小，进一步验证了沥青混淆料低温性能SMA-13＞AC-13＞AC-16。

冻融劈裂试验

SBS改性AC-13沥青混淆料冻融劈裂试验效果如表4所示。

高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能研究

由表4知，第三组试件劈裂强度较第二组劈裂抗拉强度值显着降低，说明高寒大温差条件对沥青混淆料强度及水稳固性有显著的影响。

结语

通过低温约束冻断试验、切口小梁低温弯曲试验及冻融劈裂试验，研究了差别混淆料类型、沥青类型、降温速率等因素对高寒大温差条件下沥青混淆料低温性能的影响，主要结论如下。

(1)综合冻断温度、抗弯拉强度、zui大弯拉应变及劈裂强度等指标，沥青混淆料低温性能试验效果具有较好的一致性。

(2)在高寒大温差作用条件下，沥青混淆料类型对其低温性能具有显著影响，SMA类沥青混淆料冻断温度低于AC类沥青混淆料，3种混淆料的低温性能由高到低依次为SMA-13＞AC-13＞AC-16。

(3)沥青类型对沥青混淆料低温性能保存显著性影响；其中基质沥青的冻断温度要高于改性沥青，3种沥青制备的沥青混淆料低温性能由高到低依次为SBS改性沥青＞SBR改性沥青＞基质沥青。

(4)随着温度降低，沥青混淆料破损时zui大弯拉应变逐渐减小，其中10℃20℃区间下降速率zui快，10℃20℃为zui大弯拉应变的温度敏感区间，破损时zui大拉应变SMA-13＞AC-13＞AC-16，进一步验证了3种沥青混淆料低温性能的优劣。

(5)冻融劈裂试验效果批注高寒大温差条件对沥青混淆料强度及水稳固性具有显著的影响。

参考文献：

[1]韦佑坡.高原严寒地区沥青混淆料弯拉强度影响因素研究[J].西部交通科技,2009,23(5):5-7.

[2]郭博,高妮,等.大温差地区沥青混淆料质料组成因素对路用性能的影响[J].筑路机械与施工机械化,2007(11):81-85.

[3]李东庆,孟庆洲,房建宏,等·沥青混淆料抗冻融循环性能的试验研究[J].公路,2007,(12):145-147.

[4]詹永祥,等.外貌含裂痕沥青路面低温缩短断裂剖析交通科学与工程[J].交通科技与工程,2010,26(3)21-24.

[5] Luo X,Luo R,Lytton R L, Characterization of fatigue damage in asphalt mixtures using pseudostrain energy[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2012.

[6]Xiao F,Zhao W,Amirkhanian S N, Laboratory investigation of fatigue characteristics of rubberized asphalt mixtures containing warm asphalt additives at a low temperature[J].Journal of Testing and Evaluation,2011,39(2):1.

[7]彭水根.拉萨至贡嘎机场高速公路沥青路面混淆料路用性能研究[D].西安:长安大学,2013.

[8]张毅.多年冻土地区沥青混淆料低温抗裂性能及配合比设计要领研究[D].西安:长安大学,2004.

[9]郝培文,张登良.沥青混淆料低温抗裂性能评价指标的研究[J].公路,2000，(5):63-67

[10]马骉,周雪艳,等.青藏高寒地区沥青混淆料的水稳固性与高温性能研究[J].冰川冻土,2015,37(1):177-181.

全文完宣布于《公路》2021年7月

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温度应力试验机

装备名称：多测试位沥青混淆料温度约束试样测试系统TSRST-Multi

型? ? ? ?号：B282-10

制? 造? 商：意大利Matest-澳大利亚PAVETEST公司

约束试样温度应力试验机 (TSRST) 用于确定沥青混凝土低温断裂的敏感性。早在1990年TSRST由OEM与俄勒冈州立大学 (OSU) 研发，作为美国战略高速研究妄想SHRP的一部分。测试要领演变为 AASHTO TP10 规范。TSRST测试也被纳入EN12697-46 欧洲规范。规范选择单位拉伸测试表征沥青混淆料对抗低温断裂能力。

单轴拉伸测试的效果可用于下列测试评估：

▍指定温度的拉伸强度，接纳单轴拉伸应力试验 (UTST)?

▍在断裂破损前，沥青可以遭受的低温度，接纳约束试样温度应力试验 (TSRST)?

▍指定温度下的拉伸强度储备，接纳TSRST和UTS测试组合

▍松懈时间，使用松懈试验 (RT）

▍蠕变曲线反算流变参数 , 接纳拉伸蠕变实验 (TCT)

▍通过低温顺机械加载测定低温疲劳试验能力 , 接纳单轴循环拉伸应力实验 (UCTST)

产品特点

▍三个测试工位 ( 伺服电机或伺服液压 )?

▍伺服液压作动器：30kN 静态，25kN 动态，使用长寿命迷宫轴承、耐疲劳、等面积型双向作动器?

▍液压动力：变频驱动 (VFD)2.2kW 油泵电机，转速按需调解?

▍可以克隆、修改或爆发用户自己的顺应特定需求的测试要领文件?

▍可编程测试“向导”，指导用户一步一步完成试验?

▍可做以下测试 :?

● 单轴拉伸应力实验 (UTST)

● 约束试样温度应力实验 (TSRST)

● 松懈时间，接纳松懈试验 (RT)??

● 拉伸蠕变试验 (TCT)??

● 单轴循环拉伸并验 (UCTST)

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