摘要

研究沥青混合料低温性能评价指标与路面开裂状况之间关系，是合理确定沥青混合料低温性能评价标准的重要依据。为解决传统小梁弯曲试验同现场开裂相关度不高的问题，针对现场不同裂缝间距段落的芯样，引入半圆弯曲试验(SCB)开展混合料低温断裂与抽提沥青BBR试验研究，建立沥青路面开裂间距与沥青混合料断裂能、断裂韧性、劲度模量等指标的关系。从SCB与BBR对比试验可得出结论：改进后的SCB试验能真实反映吉林地区沥青路面实际低温开裂状况；提出了寒区沥青路面低温开裂判定标准；并通过断裂能及断裂韧性等指标的对比分析，提出采用SCB试验的断裂能作为混合料低温性能的评价指标更为合理。研究成果丰富了沥青混合料低温性能评价方法，为完善沥青路面低温抗裂设计提供了技术支撑。

关键词：道路工程 | 沥青混合料 | 半圆弯曲试验 | 弯曲梁流变试验 | 低温性能 | 断裂能

对于沥青路面低温开裂问题，国内外提出了大量的试验评价方法[1-2]。中国的沥青路面设计规范中推荐使用低温小梁弯曲及BBR试验作为沥青混合料与沥青结合料的低温性能评价方法。其中尽管低温小梁弯曲试验应用多年，但其加载时试件同时承受弯拉与剪切荷载，导致受力复杂，破坏应变等指标与路面实际开裂状况相关度不高，因此其用以评价混合料低温开裂性能仍存在争议[3]。其他性能评价方法亦未得到行业内的一致认可，因此找出一套力学原理明确、指标切实反映实际路面开裂状况的加载方法尤为重要。

近年来，国内外研究人员提出了基于马歇尔试件或路面芯样的半圆弯曲试验方法[4](国外称之为SwmicircularBendingTest，简称SCB试验)。该方法基于断裂力学原理[5]，起初用于分析热拌沥青混合料疲劳开裂问题[6]，后被美国AASHTO试验规范引入，作为沥青混合料低温性能的常规评价方法之一，在国外得到广泛应用。SCB试验适用性强，操作简单，试件可利用马歇尔、旋转压实方法成型，也可利用实际路面取芯得到，具有非常广泛的应用空间[7]。试验以断裂能(G)为评判依据，其内部受力更加贴近路面实际受力状态[8-10]，能够较好地模拟裂缝扩展行为，以综合反映沥青路面低温抗裂特性。

目前虽然中国针对SCB试验已有部分研究，但传统的加载模式需要控制预制切缝位移发展速率，对试验设备要求较高。基于此，2011年，美国伊利诺伊州交通局提出了基于半圆试件的LLD控制模式[11]，改进了传统SCB试验加载方式，采用竖向位移荷载进行加载，大大简化了试验难度，为其进一步的推广应用提供了技术基础。

大量研究表明，利用结合料进行的BBR试验能够反映沥青路面低温开裂状况[12]。李志栋等[13]认为*大的劲度模量(300MPa)和*小的ｍ值(0.3)对于减少沥青路面低温开裂是合理的；董文龙等[14]利用Burgers模型分析了BBR试验主要参数，认为ｍ值对SBS改性沥青评价效果良好；谭忆秋等[15]对比了BBR试验S值、ｍ值、ｋ值等指标，证明了该试验对橡胶沥青的评价能力；王琨等[16]发现通过PG分级得到的BBR数据与沥青的开裂性能密切相关。因此，BBR试验结果可以作为混合料加载的数据支撑，以验证SCB试验对低温开裂的评价能力。

基于此，本文利用改进后的SCB加载方式进行控制，对典型道路不同裂缝间距段落的沥青路面芯样开展低温抗裂性能测试。结合现场芯样抽提回收沥青的BBR试验结果，分析开裂间距同试件性能间关联，得到断裂能、断裂韧性等指标同路面开裂程度的定量关系，利用BBR数据验证混合料试验规律。确定沥青路面低温状态下开裂状况-混合料试验参数-结合料试验参数3个层面间的相互联系，为沥青路面低温性能评价体系提供基础数据支撑。

材料概况

长吉高速取芯

试验所需芯样均来源于长吉高速龙嘉至吉林段表面层，混合料类型为AC-13，路面服役年限超过10年。经过调研，选择在4个路段行车道裂缝边缘取样，共得到芯样31个。

试件准备

SCB试验所需试件需要切割，其形态为一中心开口的半圆形厚片。由于取芯机尺寸限制，此次研究所有芯样直径均取100mm。结合朱洪洲等[5，17-18]的尺寸选取原则，试件尺寸如下：直径100mm，厚度25mm，预切口深度为15mm。1个芯样可切割得到2个SCB试样，切割共得到完整SCB试件37个，各裂缝间距处均保证至少7个平行试件。试件如图1所示。

利用德国Infratest抽提仪回收SCB试件中的沥青，并按照裂缝间距进行分档。由于残余矿粉和三氯乙烯对沥青起到了软化作用，抽提后的沥青流动性较高。侯睿等[19-20]提出，即使回收沥青中矿粉和三氯乙烯含量很低，也会对沥青三大指标产生影响。因此，试验对抽提沥青的纯度进行了严格的把控。为提高矿粉的过滤效率，由德国订制了细度更高的特制滤纸，将试验时的离心烘干次数设置为5次。同时，进行验证试验：新制沥青混合料1000g，并掺加了一定含量矿粉，利用特制滤纸高速离心过滤后将滤出矿粉进行称重，计算出残余矿粉含量已达到很低水平(≤0.2％)，测试新旧沥青三大指标，认为误差影响可接近忽略不计。为减少三氯乙烯残留，蒸馏试验进行了一定优化：首先利用100℃蒸发到冷凝管中无蒸汽，而后升温至160℃左右进行清除。同时，参考Alavi等[21]的研究，对抽提后的沥青进行二次短期老化处理，将残留三氯乙烯降至很低水平。利用未经过二次老化处理的试件及经过短期二次老化的试件进行试验，4个裂缝间距均浇筑4个共16个BBR试件。两试验所有试件编号如表1所示。

试验条件

SCB试验加载

SCB试验采用UTM以稳定的竖向位移下压速率对试件进行加压，断裂后逐渐下降，至其降到0.3kN时结束试验。传统的SCB试验利用预切缝张口的恒定水平向应变速率(CMOD)[22-26]控制模式进行加载，但该控制模式对设备要求高，大部分国内加载仪器难以满足。依据美国伊利诺伊州对CMOD控制模式及LLD(试件顶端的恒定竖向下压位移速率)模式的研究，本次试验引进LLD控制模式进行加载，利用LVDT位移传感器对试件底部位移进行监测，得到加载过程中试件底部位移变化规律。试验发现0.02mm·S-1的LLD加载速率可以保证裂缝稳定扩展。

由于吉林省常见沥青的PG低温分级均为-28℃~-34℃，结合该省低温设计温度要求与弹塑性相关理论，SCB试验温度选择为-30℃。经过预埋温度传感器测试试件内部温度变化，确定控温3~4h可使试件内部达到该温度。

低温状态下半圆弯曲试件破坏过程主要为脆性断裂，其试验加载曲线形态基本稳定，即：首先经历一段加载过程，加载至*大荷载的80％左右开始出现肉眼可见微裂纹，荷载到达峰值后(1min左右后)出现脆性断裂，然后荷载缓慢下降。裂缝发展过程如图2所示。

BBR试验加载

BBR试验设置2个平行试件，依据PG低温分级关系，设置了-24℃的养护及试验温度。

设备名称：伺服控制热电型弯曲梁流变仪BBR
型       号：B216
制  造  商：意大利MATEST-澳大利亚PAVETEST公司

试验结果与分析

SCB试验

SCB试验基于能量判据，以断裂能(Gf)作为推荐评价指标。同时，利用加载数据也可得到断裂韧性(KIC)、刚度(S)等指标。为解释以上3个指标，绘制加载曲线如图3所示。

加载起始于荷载为0.5kN时，结束于荷载下降至0.3kN，之后的曲线利用幂函数进行拟合(图3中可见拟合段形状与原曲线差异很小)。试验段及拟合段线下面积之和构成断裂功，由此继续计算得到断裂能Gf；加载过程中记录荷载的峰值PC，利用其可以计算断裂韧度KIC；荷载上升段弹性阶段斜率即为材料刚度S。

(1)断裂能

计算得到的断裂能越大，则代表试件在某一温度下的抗裂性能越好。该指标反映了试验中试件各时刻荷载及变形，可间接计算出抗拉强度、破坏应变、劲度模量等指标。断裂能的计算需利用各时刻荷载数值及对应位移量，即

加载得到各试件加载曲线，对不同裂缝间距试件断裂能求平均值，见表2。由表2可看出，断裂能平均值具有较好的规律性，且4档试件断裂能差异较大。断裂能越大，试件低温性能越好，尤其是低温抗裂的性能越好。其中，裂缝较集中处的断裂能变化较大，随着裂缝间距扩大，断裂能的变化速度减缓。对所有试件断裂能进行统计学分析，发现不同裂缝间距下断裂能的变异系数略大。这主要是由于沥青路面在真实条件下所受荷载自然条件影响不确定性强，相较于实验室成型的试件难免差异性更明显。在此将同一个芯样切割得到的2个不同SCB试件进行变异性对比，以证明该解释的合理性，断裂能数据如图4所示。

可以明显看出，在此种对比方式下试件的断裂能差异较小，变异系数均不超过10％，这说明SCB试验自身具有较高稳定性，数据十分可靠。断裂能指标对实际路面开裂状况区分度高，数据稳定性具有保证。

(2)断裂韧性

断裂韧性同样可以表示沥青混合料低温性能，其能够体现材料在断裂过程中吸收能量的能力大小。韧性越大，代表试件阻止裂缝扩展的能力越强，其计算公式为

各开裂间距下的断裂韧性平均值如图5左轴所示

韧性指标反映了材料的固有属性。由图5可见，材料的断裂韧性与开裂程度呈负相关关系，即开裂程度更大的路段，其芯样抵抗裂缝发展的水平更低。

(3)劲度

劲度是用来评判材料抵抗变形能力的指标，也是沥青材料弹性变形难易程度的一个象征。利用荷载-位移曲线的弹性阶段进行*小二乘回归得到的该段斜率，即为材料劲度[26]。本试验各开裂间距平均劲度如图5右轴所示。可见在开裂间距较小时，半圆弯曲断裂劲度变化较快，随开裂程度增加，该变化趋势减缓。

(4)SCB结果验证分析

SCB试验推荐的3个指标从不同角度反映了沥青路面的低温性能。

由表2可分析得到：在4组开裂间距的芯样中，随着开裂程度降低，断裂能总体呈上升趋势，试件的抗低温开裂性能更加优异。对于直径为100mm的AC-13沥青混合料，其断裂能总体处于300~800J·ｍ^-2。由此可见，SCB试验结果同服役状态下沥青路面低温性能相关度高，利用本研究可以得到混合料SCB试验同路面开裂状况的对应关系。

断裂韧性同开裂间距的关系同样十分明确：随着开裂间距的扩大，试件的平均断裂韧性逐步升高，其加载过程中裂缝更难快速发展，混合料的低温性能更佳。

由表2和图5可看出：试件平均劲度变化规律与断裂能、断裂韧性相反。更大的劲度代表试件在承受相同荷载时所发生的弹性变形更小，低温状态下脆性更强，因此试件的低温性能表现更差。由此，通过劲度能够反映：开裂间距更大路段所取芯样的低温延展性更好，开裂间距小的芯样总体较脆。随间距扩大，试件劲度的变化速率减缓，这与断裂能的变化规律是一致的。

对以上3个指标的分析均能指向同一个结果，即开裂程度大的路段，其芯样低温性能更差。不同开裂间距下，沥青混合料的断裂能、断裂韧性、劲度数据的差异较大，规律明显，可以初步认为：SCB试验能够反映沥青路面实际服役状态下的低温开裂状况。

指标对比

目前常见的低温性能评价指标主要分为：强度指标、变形指标、模量、能量、韧性、劲度、J积分、温度、时间、收缩系数等。小梁弯曲试验中推荐的应变或强度指标变异性较大，数据稳定性不高。剩余力学指标中首推能量指标，主要由于其能够较为综合地反映混合料或结合料低温状态下受载破坏情况，不仅考虑了低温开裂中的多种开裂因素综合影响，也能灵活表示出不同加载阶段下试件的受载情况，大幅度地降低了由于某单一因素对试验结果产生的系统误差。

前文计算了SCB试验得到的3个指标，并对其进行对比分析。断裂韧性考虑了试件尺寸及*大荷载影响，原理上类似于强度指标，因此开裂程度小的路段，其值一般偏大，但其未考虑加载过程中试件位移带来的影响，指标易受到单一因素扰动的影响。劲度指标综合考虑了荷载及位移两部分，与强度和变形指标相比置信度更高，但其仅能作为材料弹性阶段性能评判依据，对黏弹性阶段，裂缝产生后的加载阶段考虑不足。断裂能作为规范推荐指标，综合了强度及变形指标，计算涉及加载的全部过程及无法加载的拟合段，并且考虑了试件尺寸的影响。因此在时温条件相同情况下，剩余指标中，优先推荐使用断裂能进行混合料低温性能评判。

BBR试验验证

遵照BBR试验相关要求，利用0.98N的恒定荷载进行沥青梁加载，借助仪器内嵌程序进行数据计算，得到了不同裂缝间距下试件未经二次老化及二次老化后的S，ｍ，数据分别如图6，7所示。

由BBR试验的结果可看出：相同试验条件下，低温性能更好的沥青小梁总是表现出更低的劲度模量和更高的劲度模量变化率。BBR试验结果反映出：无论是否经过二次老化，更大裂缝间距下的沥青试件均能体现出更好的低温性能。二次老化后，劲度模量有所提升，而其模量变化率下降明显，这反映出二次老化对抽提沥青的软化现象产生了良好的遏制效应。从数据的分布规律来看，二次老化后的试件，劲度模量及模量变化率随时间变化规律相似；而未经二次老化的试件劲度模量在240S时趋于一致，模量变化率则在试验初始阶段较为相似。

本文研究中，利用BBR试验基本能够反映沥青路面低温状况，其体现出的芯样低温性能总体规律与SCB是一致的。结合料试验结果有力地证明了SCB试验参数与路面开裂状况之间的对应关系。至此也证明了SCB试验数据的可靠性，构建起了沥青路面实际开裂状况同混合料性能参数、结合料性能参数之间的关系。

结语

不同裂缝间距下所取芯样的低温性能势必存在不同。本文对路面芯样直接进行SCB加载，旨在验证SCB试验同沥青路面实际开裂性能间的联系，构建低温模型下混合料参数及路面开裂状况的对应关系。利用BBR试验结果作为参考，进一步验证了该关系的可靠性。研究结论如下：

(1)归纳提出了改进的SCB试验条件及方法，通过统计学分析及开展的对比试验结果显示，该方法的测试结果稳定可靠，可以用以评价*限低温设计温度下沥青混合料的开裂性能。

(2)按照现行沥青路面设计规范中沥青路面开裂间距标准，提出吉林省沥青路面低温性能判定依据：高速公路及一级公路，其在-30℃条件下的SCB试验断裂能应当大于700J·ｍ^-2，二级公路则应大于600J·ｍ^-2，三级及四级公路也应当大于550J·ｍ^-2。其他地区的判定依据可根据其低温设计温度进行适当调整。

(3)不同开裂间距路段沥青混凝土芯样的回收沥青BBR试验结果与SCB断裂能等有较好的对应性。不论是抽提沥青的直接加载，还是将其进行二次老化，回收沥青的BBR结果均能够反映对应路段沥青路面的抗裂特性。

(4)本文所取芯样直径均为100mm，但在相关测试中发现150mm直径试件的数据均匀性更好。因此，有必要继续开展针对150mm芯样的深入研究。

全文完 首发于《中国公路学报》2020年7月第7卷

‍

了解更多产品详细信息，获取产品资料，欢迎垂询TIPTOP卓致力天！

服务热线 | 400-633-0508     邮箱：tiptop@tiptoptest.com