本文结合分形理论对外掺法连续密级配橡胶颗粒沥青混合料的低温力学性能。采用低温劈裂实验，并以抗拉强度、拉伸应变、破坏劲度模量三种为指标进行评价。
关键词：连续密级配； 橡胶颗粒沥青混合料； 低温劈裂实验
Abstract: this paper combine the fractal theory of foreign mixed method of continuous dense-graded asphalt mixture of rubber particles at low temperature mechanical properties. Adopt the Low-temperature cleavage experiments, and to evaluate the tensile strength, tensile strain, failure stiffness modulus of three indicators.
Key words: continuous dense-graded; rubber particles of asphalt mixture; low temperature splitting experiment
中图分类号： V255+.3 文献标识码：A 文章编号：
0 引言
在内蒙古的东部地区，低温裂缝是沥青路面的主要病害之一。温度骤降或温度反复升降的交变作用，会导致沥青路面出现各种形式的温度裂缝。这些裂缝影响路面外观的同时，也使路面使用性能在行车荷载和水的共同作用下降低。国内外许多道路工作者对沥青混合料的低温性能进行研究，研究较成熟的是在沥青中掺加改性剂来改善沥青的性能
[1-2]。现在，不少道路工作者将橡胶作为集料加入到沥青混合料当中来改善沥青的性能
[3]。分形几何学已经在自然界与物理学中得到了广泛应用
[4]。本文在前人研究的基础上，对沥青混合料低温劈裂实验进行低温力学性能进行了研究。
1 评价方法确定
沥青混合料抵抗低温收缩的能力称为低温抗裂性。研究沥青混合料低温抗裂性能的方法很多，如温度应力试验、弯曲试验、低温劈裂等等，其试验结果均可用于表征沥青混合料的低温抗裂性能。过去一般采用温度应力试验来研究沥青混合料的低温抗裂性能，并模拟温度循环进行疲劳破坏。但是这种试验有其局限性，一方面试验条件要求很高，另一方面，试验难以真正模拟实际的温度循环。由于温度循环周期直接影响疲劳寿命，所以温度
应力试验的循环升温和降温作用也只是相对比较其性质，并不能完全反映实际情况
[4-5]。结合以上要求以及现实的实验条件，本文最终采用沥青混合料低温劈裂实验的抗拉强度、拉伸应变、破坏劲度模量来检测橡胶颗粒沥青混合料的低温抗裂性能。
2 试验及结果
2.1原材料技术性能检测
检测试验用集料、矿粉、4目橡胶颗粒和90#石油沥青的物理指标列于表1、2，检测指标均符合我国技术规范
[6] 和规范
[7]的要求。
表1集料密度
Table 1 Density of mixture
|
试验项目 |
表观密度（g/cm3） |
表干密度（g/cm3） |
毛体积密度（g/cm3） |
|
粗集料1 |
2.730 |
2.704 |
2.683 |
|
粗集料2 |
2.730 |
2.653 |
2.631 |
|
细集料 |
2.740 |
- |
- |
|
矿粉 |
2.968 |
- |
- |
|
橡胶颗粒 |
1.273 |
- |
- |
表2 石油沥青技术指标
Table2 Technical indexes of asphalt
|
试验项目 |
延度（15℃，5cm/min）(㎝) |
针入度（25℃，100g，5s）（0.1㎜） |
软化点（环球法）（℃） |
密度（15℃）（g/cm3） |
针入度指数PI |
T1.2(℃) |
T800(℃) |
|
检测结果 |
﹥100 |
89.5 |
48.7 |
0.992 |
-1.13 |
-12.66 |
46.78 |
2.2橡胶颗粒沥青混合料的级配组成设计
根据研究目的及工程实践选择如图1所列的级配作为室内研究的目标级配，并进行混合料的组成设计。用碎石、橡胶颗粒作为集料，按外掺法配制橡胶颗粒沥青混合料，对各种集料进行筛分。考虑到橡胶颗粒自身密度小弹性高的特点，会使成型后试件的体积产生回弹，所以橡胶颗粒的掺量控制较少，本文在研究中将橡胶颗粒掺量控制在为2%。选取相应的矿料级配；根据筛分试验数据，采用规划求解计算各种矿料用量，最终确定混合料的合成级配，见图1。
图1 橡胶颗粒控制为2%时的合成级配曲线
Fig.1 Gradation curves of crumb rubber occupy 2%
2.3最佳沥青用量的确定
对接近级配中值的混合料进行马歇尔试验
[8]，沥青用量分别采用4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%。马歇尔试件的体积参数及力学指标测定如表4所示：
表3马歇尔试验体积参数表
Table 3 Volume parameters of Marshall test
|
沥青用量(%) |
空隙率(%) |
饱和度(%) |
稳定度(kN) |
毛体积密度(g/cm3) |
流值（0.1m） |
|
4.0 |
7.4 |
54.6 |
5.86 |
2.287 |
2.43 |
|
4.5 |
5.8 |
63.3 |
6.57 |
2.309 |
2.49 |
|
5.0 |
4.6 |
70.7 |
8.00 |
2.321 |
2.64 |
|
5.5 |
5.4 |
69.0 |
7.07 |
2.286 |
2.68 |
|
6.0 |
7.3 |
63.5 |
6.62 |
2.226 |
3.49 |
根据表中的数据，以沥青用量为横坐标，分别以毛体积密度、空隙率、间隙率、沥青饱和度、马歇尔稳定度和流值为纵坐标绘制曲线图，按照马歇尔试验方法计算得到此时的最佳沥青用量为4.87%。
2.4低温劈裂试验及结果
试件在规定温度规定时间下处理，在沥青材料性能试验机上进行橡胶颗粒沥青混合料的低温劈裂试验，试验温度分别为-10℃、-15℃、-20℃，加载速率1mm/min，得到相应试验数据。如下表5所示：
表4 低温劈裂实验数据
Table 4 Volume parameters of temperature mechanical properties test
|
编号 |
最大荷载（KN） |
水平变形（mm） |
垂直变形（0.1mm） |
泊松比 |
抗拉强度（MPa） |
拉伸
应变 |
破坏劲度模量（MPa） |
|
〔-10℃〕1 |
28.76 |
5.86 |
21.19 |
0.25 |
2.847 |
0.122 |
40.141 |
|
〔-10℃〕2 |
30.54 |
6.44 |
23.26 |
0.25 |
3.023 |
0.134 |
38.831 |
|
〔-10℃〕3 |
31.25 |
6.61 |
23.87 |
0.25 |
3.093 |
0.137 |
38.719 |
|
〔-10℃〕4 |
29.48 |
6.15 |
22.21 |
0.25 |
2.918 |
0.128 |
39.256 |
|
〔-15℃〕1 |
23.17 |
3.40 |
12.29 |
0.25 |
2.294 |
0.071 |
55.757 |
|
〔-15℃〕2 |
22.88 |
3.38 |
12.24 |
0.25 |
2.265 |
0.071 |
55.284 |
|
〔-15℃〕3 |
23.67 |
3.61 |
13.02 |
0.25 |
2.343 |
0.075 |
53.766 |
|
〔-15℃〕4 |
20.47 |
3.11 |
11.25 |
0.25 |
2.026 |
0.064 |
53.813 |
|
〔-20℃〕1 |
23.99 |
3.01 |
10.86 |
0.25 |
2.375 |
0.062 |
65.332 |
|
〔-20℃〕2 |
21.68 |
2.95 |
10.67 |
0.25 |
2.146 |
0.061 |
60.092 |
|
〔-20℃〕3 |
21.99 |
3.17 |
11.48 |
0.25 |
2.177 |
0.066 |
56.651 |
|
〔-20℃〕4 |
20.92 |
3.25 |
11.74 |
0.25 |
2.071 |
0.067 |
52.701 |
3 试验结果分析
根据上表计算得出每组试件的抗拉强度、拉伸应变和破坏劲度模量的平均值如表8所示：
表5 各温度下评价指标的平均值
Table 5 The average of index at different temperatures
|
温度（°C） |
抗拉强度（MPa） |
拉伸应变 |
破坏劲度模量（MPa） |
|
-10 |
2.970 |
0.131 |
39.267 |
|
-15 |
2.232 |
0.074 |
54.655 |
|
-20 |
2.192 |
0.064 |
58.694 |
由表5可以分析出，随着温度的变化橡胶颗粒沥青混合料抗拉强度有如下的变化规律：随着温度降低，沥青混合料的抗拉强度逐渐降低。随着温度的变化沥青混合料拉伸应变有如下的变化规律：随着温度降低，沥青混合料的拉伸应变在逐渐降低。随着温度降低，沥青混合料的破坏劲度模量呈上升趋势。在本试验中所研究的三种温度的橡胶颗粒沥青混合料在从 -10℃到-15℃之间抗拉强度、拉伸应变和破坏劲度模量三种指标的变化率比在-15℃到-20℃时的变化率大。由于橡胶颗粒的加入使得沥青混合料的内部结构发生变化，各集料间粘结作用和柔韧性都有所改变。
4 结论
（1）在低温环境中，从 -10℃到-15℃之间抗拉强度、拉伸应变和破坏劲度模量三种指标的变化率较大，说明在该温度段内材料的低温力学性能变化明显。
（2）抗拉强度随温度的变化而减小，反映出橡胶颗粒沥青混合料承受拉力的能力减弱，则橡胶颗粒沥青混合料越容易断裂。
（3）拉伸应变随温度的变化而减小，反映橡胶颗粒沥青混合料在承受最大拉应力时的抗变形能力减弱，混合料越容易断裂。
（4）破坏劲度模量随温度的变化而增大，则说明混合料的低温抗裂能力越低。
参考文献：
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[2] 陈拴发,陈华鑫,郑木莲.沥青混合料设计与施工[M].北京:化学工业出版社,2006:281-304
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[4] 卢铁瑞.道路沥青混合料低温性能评价指标的研究[J].石油沥青1998 (01):21-25
[5] 袁建.沥青混合料低温性能评价指标研究[J].山西建筑,2005(05) :96-97
[6] 中华人民共和国交通部.公路工程集料试验规程 JTG E42-2005 [S].北京:人民交通出版社,2005.
[7] 中华人民共和国交通部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTJ 052-2000 [S].北京:人民交通出版社,2000.
[8] 沈金安.关于沥青混合料配合比设计确定最佳沥青用量的问题[J].公路,2001(11): 1-5