基于半圆弯曲试验的半柔性材料抗裂性能研究

基于半圆弯曲试验的半柔性材料抗裂性能研究

 何建胜[1]，王轩2，周城波1，陈君1

（1. 绍兴市公路与运输管理中心，绍兴，312035；2. 东南大学交通学院，南京，211189）

摘要：为了研究半柔性材料在不同温度下的断裂特性，通过半圆弯曲试验，以断裂能为宏观指标，分析了半柔性材料在25℃和-10℃两种温度下的断裂形态和断裂能变化规律。结果表明：半柔性材料在低温条件下发生脆性破坏，当温度较高时发生韧性破坏。橡胶粉的掺入可以显著增加半柔性材料在低温条件下的峰值荷载，极大地改善了半柔性材料的低温抗裂性。基于SBS/橡胶粉复合改性沥青的半柔性材料在低温条件下断裂能的增加主要是因为启裂断裂能的增加。此外，还分析了半柔性材料的抗裂机理，指出了基于SBS/橡胶粉复合改性沥青的半柔性材料的抗裂优势。

关键词：SBS/橡胶粉复合改性沥青；半柔性材料；半圆弯曲试验；抗裂性

1 引言

半柔性材料的低温抗裂性与沥青种类、水泥基灌浆材料和空隙率有关[13]，沥青类型对半柔性材料的低温抗裂性有较大影响。为改善半柔性材料的低温性能，本文以SBS/橡胶粉复合改性沥青为结合料制备半柔性材料，通过半圆弯曲试验得到的荷载位移曲线，分析了不同半柔性材料在-10℃和25℃这两种温度条件下的断裂特性。

2 半圆弯曲试验

2.1 原材料

原材料包括集料、SBS改性沥青、SBS/橡胶粉复合改性沥青、水泥基灌浆料、MA100界面增强剂和木质素纤维。其中，粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩，集料分为0~3mm、3~5mm、5~10mm和10~15mm四档，各档料的表观密度和吸水率等技术指标均满足规范要求。矿粉采用石灰石磨细，其亲水系数、塑性指数和加热安定性等技术指标均满足规范要求。

试验所用三种改性沥青由江苏宝利国际投资股份有限公司提供，各项性能如表1所示。水泥砂浆是由一定比例的细集料、矿物掺合料、胶结料、外加剂和水组成的混合物，试验中的水泥基灌浆料为JGM-301型灌浆料，由江苏苏博特新材料有限公司提供，其基本性能指标如表2所示。

表1  三种沥青各项性能指标

表2  JGM-301型灌浆料基本性能指标

注：水灰比为0.26，实验温度为20oC

2.2 制作半圆弯曲试件

根据沥青材料和改性剂制备了五种半柔性材料，分别记为SFP、MA、MAF、G2、G3。水泥砂浆水灰比均采用0.32，大空隙沥青混合料空隙率为25%，级配均采用SFP-13，如表3所示，各半柔性材料成分组成如表4所示。

半圆弯曲试件的制作主要分为两步，一是成型大空隙沥青混合料，二是灌注水泥砂浆。大空隙沥青混合料的成型采用旋转压实仪，压实温度为180℃，压实次数为50次。在水泥砂浆灌注过程中，要注意水泥砂浆的均匀性并确保水泥砂浆能够充分填充沥青混合料的空隙。灌浆结束后，对灌浆后的沥青混合料试件养生14天后，然后进行切割，试件尺寸为半径75mm，厚度50mm，中间切缝宽度1mm，深度10mm。

表3  SFP-13混合料级配

表4 半柔性材料成分组成

2.3 试验方案

半柔性材料开裂主要发生在低温和中温条件下。因此，分别在25℃和-10℃条件下进行半圆弯曲试验，分别对应中温开裂和低温开裂。

将试件放在环境箱内分别保温4小时。试验设备采用UTM-30万能试验仪，加载模式采用控制位移模式加载，加载速率为2mm/min。在加载过程中，试验仪同时记录荷载和位移数据。断裂能为试件在破坏之前荷载位移曲线下所包含的面积，即试件在破坏过程中荷载对位移的积分。每种半柔性材料选取5个试件，将其平均值作为最终数据。

3半柔性材料断裂特性分析

3.1 半圆弯曲试验断裂形态分析

五种半柔性材料在25℃和-10℃条件下的荷载-位移曲线如图1和图2所示。

(a)(b)

图1不同半柔性材料荷载位移曲线（25℃）

(a)(b)

图2不同半柔性材料荷载位移曲线（-10℃）

在25℃条件下，五种半柔性材料的峰值荷载大小顺序为：G3＜G2-＜MA＜MAF＜SFP。G3的峰值荷载最小，说明G3在较高温度下抗弯拉强度较低，即橡胶粉的掺入，对半柔性材料在较高温度下的抗弯拉能力贡献较小。SFP表现出最大的峰值荷载，说明SBS改性剂可以显著增大半柔性材料的抗弯拉强度。当加载至峰值荷载后，五种半柔性材料荷载随位移的变化相比于-10℃条件下都较为缓慢，发生韧性破坏，这可能是因为随着温度的升高，沥青材料的粘弹性逐渐呈现出来，增加了半柔性材料的柔性。

在-10℃条件下，五种半柔性材料的峰值荷载大小顺序为：SFP＜MA＜MAF＜G2＜G3。G3具有最大的峰值荷载和峰值荷载对应的位移值，而且到达峰值荷载后，G3仍然能够维持一定程度的变形，说明橡胶粉可以明显改善半柔性材料的低温抗裂性，原因是在低温条件下，处于弹性状态的橡胶会限制半柔性材料中微裂缝的发育，从而使G3开裂需要较大的峰值荷载。与温度较高时相比，低温条件下，橡胶粉、界面增强剂和纤维都能在一定程度上提高半柔性材料的峰值荷载，但橡胶粉的提高幅度最为明显。

3.2 半柔性材料断裂能分析

五种半柔性材料在25℃和-10℃条件下的总断裂能、启裂断裂能和拓展断裂能图所示。其中，总断裂能为试件在整个断裂过程中所需要的能量，启裂断裂能为达到峰值荷载之前需要的能量，拓展断裂能表示存在裂缝之后直至试件失效所需要的能量。

在25℃条件下，G3和G2的总断裂能明显低于MA和MAF的总断裂能。说明当温度较高时，MA100界面增强剂和木质素纤维对半柔性材料抗开裂性的改善作用较橡胶粉更好。此外，五种半柔性材料拓展断裂能在总断裂能中所占的比例较大，说明半柔性材料在较高温度下表现出柔性材料的性质，具有较高的延展性，这点从荷载位移曲线中也可以看出：在25℃条件下，以峰值荷载为分隔点，峰值荷载之后荷载随位移的变化较峰值荷载之前更为缓慢。

在-10℃条件下，G3和G2的断裂能明显高于其他半柔性材料，这主要是因为橡胶粉的存在使G3和G2开裂需要较大的峰值荷载。从启裂断裂能角度和拓展断裂能角度看，G3和G2断裂能较高主要得益于其启裂断裂能较高，启裂断裂能在总断裂能中所占的比例较大，同时与25℃条件下的启裂断裂能相比，G3和G2在-10℃条件下的启裂断裂能也明显增大，说明橡胶粉可以显著提高半柔性材料在低温条件下的启裂断裂能，从而改善半柔性材料的低温抗裂性。G3和G2的启裂断裂能和拓展断裂能均高于工程中常用的MA，说明G3和G2具有优越的低温抗裂性。五种半柔性材料的拓展断裂能相近，均低于25℃条件下对应的拓展断裂能，原因是半柔性材料在低温条件下表现出脆性，发生脆性断裂。

五种半柔性材料中，相比于较高温度，低温条件下G3和G2的总断裂能增加，其他三种半柔性材料的总断裂能降低。其中，G3和G2的总断裂能增加主要来源于其启裂断裂能增加，其他三种半柔性材料的总断裂能降低来源于其拓展断裂能降低，原因是橡胶粉的掺入增加了半柔性材料在低温条件下的抗弯拉强度，而且低温条件也使得其他三种半柔性材料表现出脆性的特征。

对比分析G3和G2，发现不论是在低温条件下还是在高温条件下，G3的总断裂能、启裂断裂能和拓展断裂能均高于G2，说明胶粉掺量为22%时，当SBS掺量由4%增加到4.5%，并不能改善半柔性材料的抗裂性。

不同的温度条件下，不同种类的半柔性材料抗裂性能不同，当温度较高时，MA和MAF的抗裂性较好，而当温度较低时，G3和G2的抗裂性较好。因此，半柔性材料的种类应根据工程所处环境条件选择，当工程所处环境温度较低时，可优先选择SBS/橡胶粉复合改性沥青。

3.3 基于SBS橡胶粉复合改性沥青的半柔性材料抗裂性分析

半柔性材料抗裂性较差，原因可能是因为：（1）水泥的温缩系数较大，在低温条件下，会产生较大的温缩变形；（2）水泥砂浆使得半柔性材料的应力松弛能力降低，低温条件下，积聚在半柔性材料内部的应力不能及时释放掉，导致材料开裂；（3）温度较低时，水泥砂浆的存在，进一步增加了沥青混合料的模量，在半柔性材料内部产生较大的温度应力，当无机结合料稳定类基层出现开裂后，在基层裂缝处产生应力集中，从而导致反射裂缝的出现。

基于SBS/橡胶粉复合改性沥青的半柔性材料，以SBS/橡胶粉复合改性沥青作为结合料，在其高温稳定性增加的同时，也发挥了SBS/橡胶粉复合改性沥青优越的低温性能，弥补了半柔性材料低温性能较差的缺陷，实现了高温稳定性和低温抗裂性的同步提高。其抗裂能力主要由两部分组成，一是SBS/橡胶粉复合改性沥青的抗裂能力，二是半柔性材料骨架结构的抗裂能力。

SBS/橡胶粉复合改性沥青含有SBS和橡胶粉两种改性剂，SBS与沥青之间形成的网络结构可以改善沥青的低温性能。由于橡胶粉经过化学改性处理，使得橡胶粉能够均匀的分散在沥青之中，在低温条件下，橡胶粉处于弹性状态，增加了混合料的总断裂能和启裂断裂能。综上，SBS与沥青形成的网络结构和橡胶粉的存在，提高了复合改性沥青在低温条件下的抗弯拉强度和抗变形能力，进而改善了半柔性材料的低温抗裂性。

半柔性材料的骨架结构由沥青混合料骨架和水泥砂浆骨架两部分构成。空隙率对半柔性材料的力学性能有明显的影响[15]，基体沥青混合料的孔隙率与油石比有关，当油石比较小时，水泥砂浆能够较充分的填充沥青混合料空隙，但此时沥青用量较低，不利于半柔性材料的低温抗裂性，而且此时形成的半柔性材料均匀性较差，当油石比过大时，则会阻碍水泥砂浆的灌注，导致水泥砂浆含量较低，难以形成良好的水泥砂浆骨架结构。为此，在选择合适基体沥青混合料级配的同时，也要确定一个合适的油石比，使得半柔性材料既能保证一定的沥青用量以增加抗裂性，又能利于水泥砂浆的灌注，形成良好的沥青混合料骨架结构和水泥砂浆骨架结构，提高半柔性材料的抗裂性。

4结论

（1）当温度较低时，半柔性材料低温断裂为脆性破坏，橡胶粉的掺入，可以显著提高半柔性材料的抗裂性。当温度较高时，沥青材料粘弹性的恢复使得半柔性材料表现为韧性破坏，橡胶粉对半柔性材料在较高温度下的抗裂性贡献较小。

（2）均匀分布在SBS/橡胶粉复合改性沥青中的橡胶粉，在低温条件下，表现出的弹性可以阻碍微裂缝的发育，使半柔性材料破坏需要较大的峰值荷载，大大改善了半柔性材料的低温抗裂性。

（3）从断裂能这一宏观指标看，基于SBS/橡胶粉复合改性沥青的半柔性材料在低温条件下断裂能的增加主要是因为其启裂断裂能的增加，且启裂断裂能在总断裂能中所占的比例较拓展断裂能大。

（4）分析了半柔性材料的抗裂机理，指出了基于/SBS橡胶粉复合改性沥青的半柔性材料的抗裂优势在于利用了SBS/橡胶粉复合改性沥青的低温性能，兼顾了半柔性材料的高温性能和低温性能。

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基金项目：浙江省公路科技计划项目（编号：2018H28）

作者简介：何建胜，男，工程师，研究生学历。

通讯作者：何建胜，男，研究生学历，E-mail: 437301428@qq.com。