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国家标准计划《沥青混合料低温抗裂性能评价方法》由 TC458(全国混凝土标准化技术委员会)归口上报及执行 ,主管部门为住房和城乡建设部

主要起草单位 长安大学深圳路桥集团有限公司深圳海川新材料科技有限公司

目录

基础信息

计划号
20170518-T-333
制修订
制订
项目周期
24个月
下达日期
2017-05-23
申报日期
2015-12-03
公示开始日期
2017-02-28
公示截止日期
2017-03-14
标准类别
方法
国际标准分类号
93.080.20
93 土木工程
93.080 道路工程
93.080.20 道路建筑材料
归口单位
全国混凝土标准化技术委员会
执行单位
全国混凝土标准化技术委员会
主管部门
住房和城乡建设部

起草单位

目的意义

从上世纪90年代以来,为满足经济发展需求,我国公路建设进入了飞速发展阶段。

在公路建设中,沥青路面以其广为认可的优良性能得到青睐,有资料显示,国内在建、重建或大中修的高速公路中有超过90%的道路采用了沥青路面。

但是沥青路面在低温或温差较大地区, 由于温度应力的作用很容易产生收缩裂缝,尤其在我国北方地区,低温缩裂十分普遍,目前已成为沥青路面使用期内一种主要的病害形式。

裂缝的产生破坏了路面的连续性,整体性及美观,水分会不断通过路表面裂缝,使基层甚至路基软化,导致路面承载力下降,进而加速路面破坏。

同时,纵向无限长的沥青面层开裂后,其承载模式转变为有限尺寸板,冬季面层模量较高,承受重复车轮荷载时,开裂后的路面可能折断成更小尺寸的板,并发生龟网裂,促使路面平整度降低,影响行车的舒适性和安全性。

另外,路表面温度裂缝对后续大中修加铺层的影响不容忽视,需要进行单独处理,增加了后期养护费用。

随着交通运输事业的发展,对道路品质要求越来越高,为提高沥青混合料抵抗低温开裂的能力,降低和延迟路面出现温缩裂缝的频率和时间,公路行业从事者从原材料的选择,路面材料、结构设计,施工质量控制等方面做出了很多努力并且取得了一定的效果。

但沥青路面低温裂缝问题并没有得到根本性的扭转,一个主要原因就在于作为我国目前沥青路面设计、施工规范评价混合料低温抗裂性能的标准方法的弯曲试验存在一定的局限性,主要表现在于: (1)低温弯曲试验可以得到破坏应变、抗弯拉强度、劲度模量三个指标,并以破坏应变作为主要评价指标,而实际上低温开裂不仅与材料的变形能力有关,还与材料的强度有关,仅从一个角度判定与沥青混合料低温开裂机理不符,难以起到控制作用。

(2)弯拉强度和破坏应变对混合料低温抗裂性能的评价并不总是一致,有时会出现相互矛盾的情况,消弱了弯曲试验对混合料低温抗裂性能的评价作用。

(3)弯曲实验中推荐了棱柱体试样长宽高尺寸为250mm×30mm×35mm,但是沥青混合料属于不均匀材料,存在强度尺寸效应,试样尺寸是否合理直接决定了实验室评价结果能否外推到现场进行准确评价,试验尺寸不合理往往造成试验室的评价结果与现场沥青混合料的低温开裂性能相关性不好,进而限制了弯曲试验在工程中的指导作用。

所以有必要提出一套能更准确模拟沥青路面低温破坏过程且便于操作的试验方法以及能更好控制低温开裂的评价指标。

通过本标准的编制,将为我国沥青混合料材料设计在低温方面提供更为合理的评价方法和指标,进而减少或消除沥青路面低温裂缝,提高路面使用质量,延长路面使用寿命,对公路建设的发展具有重要意义。

范围和主要技术内容

标准使用范围为沥青混合料低温抗裂性能评价试验方法,具体包括: 1.试验目的与适用范围; 2.试验设备、仪具要求; 3.试验试样制备要求; 4.试验方法,包括试验条件设置、试验步骤说明、试验数据采集; 5.试验数据处理,包括计算公式,报告编制要求; 6.条文说明,论述试样尺寸、试验条件、评价指标确定过程。

国内外简要情况说明

自20世纪60年代加拿大率先对沥青混凝土面层的低温收缩开裂进行系统调查研究以来,路面材料低温抗裂性能指标一直是国际道路学界的重要研究内容。特别美国SHRP计划,将沥青与沥青混合料的技术标准列为主要研究内容,其中就包括了沥青路面低温抗裂能力的研究,加拿大、澳大利亚及欧洲许多国家也先后制定了类似的研究计划。我国在“七五”、“八五”国家攻关专题中专门对沥青混合料低温性能和指标作了一些研究,并提出了各指标相应的建议值。吸收“七五”、“八五”的研究成果,我国1993版的《公路工程沥青混合料试验规程》中规定了可以评价混合料低温抗裂性能的多种试验,包括沥青混合料弯曲实验(T0705-1993)、沥青混合料劈裂试验(T0706-1993)、沥青混合料线收缩系数试验(T0720-1993),沥青混合料单轴压缩试验(T0714-1993),并在2000版的规程中增补了沥青混合料弯曲蠕变试验(T0728-2000)。但是直到2004版的《公路沥青路面施工技术规范》和2006版的《公路沥青路面设计规范》才统一规定了沥青混合料低温性能以-10℃弯曲实验得到的弯拉应变作为检验指标。 国内外用于研究沥青混合料低温抗裂性能的试验方法有多种,主要包括有劈裂试验、直接拉伸试验、线收缩试验、弯曲蠕变试验、应力松弛试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲J积分试验等。劈裂试验是通过加载条静载作用于圆柱形试件的轴向,试件按一定的变形速率加载,记录试件在垂直、水平方向的变形,并获得沥青混合料的劈裂强度计算劲度模量作为评价指标,该方法虽然快速简单,但是劲度模量与沥青混合料的路用性能相关性不大,该指标无法区分不同性能沥青之间的差别。直接拉伸试验是在一定温度下和一定的加载速率下对试件施加拉伸荷载,可以得到拉伸强度、应变和模量,采用该实验方法进行评价虽然能很好低模拟沥青路面在降温时的受拉特性,但由于该方法要求精度高,操作难度较大,不易实现。沥青混合料线收缩试验是将切割好的棱柱形时间放入温度、湿度可控的环境箱内,以恒定的速率降温,直到达到设定温度,在这一过程记录应变值,最后以温度收缩系数作为评价指标;该指标实际反映的是在无约束条件下混合料试件自由伸缩,应变随温度梯度变化的情况,反映了混合料受温度影响在形变方面的性能,当受到约束时其抵御形变应力的能力没有得到反映,因此以温度收缩率的大小来判定混合料的抗开裂性能,也是不够全面的。沥青混合料弯曲蠕变试验一般是在0℃温度下,对棱柱形试件恒定施加0.1倍的破坏荷载,记录试件的应变随时间变化曲线,然后根据蠕变稳定期应变值计算得到蠕变速率指标,该指标虽然能综合表达沥青混合料在低温状态下应力应变的复合变化情况,反映沥青混合料的低温抗开裂性能,但试验工作量较复杂,在国内推广应用具有一定难度。沥青混合料属于粘弹性材料,在温度骤降时产生的温度应力由于松弛作用会部分消散,所以应力松弛试验可以很好的反映沥青混合料的低温抗裂性能;进行应力松弛试验时,对小梁快速施加以弯曲变形,产生初始应变计瞬时应力,随后维持应变不变,测定应力的松弛过程,记录应力松弛曲线,得到应力松弛时间、松弛劲度模量等指标;初始应变水平较低时,松弛模量受应变水平的影响比较小,一旦应变水平较高,松弛模量就回受到很大影响。但是小应变水平不符合路面温度收缩开裂时的实际情况,所以需要接近试件开裂的高应变,这就使得试验比较困难。受限试件温度应力试验又称为冻断试验,是美国SHRP研究从众多的试验方法中筛选出来的模拟沥青路面降温过程产生开裂的较佳方法。在可以实现降温功能的温度室中,固定梁式试件两端,恒定速率降温,记录降温过程试件的温度应力,绘制温度应力随温度变化的曲线图。该温度该试验方法的特点是能够直接测定出沥青混合料的低温开裂时的温度、 断裂时温度应力以及混合料内部的温度应力随温度变化的规律,指标直观,便于比较,但不足的是试验设备昂贵、方法复杂,不易推广应用。三点弯曲J积分试验又称为切口小梁弯曲试验,源之于SHRP的研究成果,从材料构件中的微裂缝作为基点,以断裂力学作为理论依据,能够模拟裂缝的扩展,是一种比较好的模拟方法,但是相对来讲试验过程也比较麻烦。 国内外用于评价沥青混合料低温抗裂性能试验方法多种多样,各有特点。一部分方法如冻断试验效果虽然很好,但是由于设备复杂,造价较高,难以推广应用,一部分方法如劈裂试验虽然操作简便,原理简单但评价指标并不合理,与现场相关性较差。所以提出一种试验方法作为沥青混合料低温性能的评价方法,既要考虑到模拟现场条件好、评价指标合理,还要考虑到操作简便,易于推广。值得注意的是,从能量的角度考虑混合料低温抗裂的评价指标已经受到包括本课题组在内的越来越多专家学者的研究和认同,同时确定试验方法时所得参数能否用于路面低温收缩开裂预估模型中也是人们逐渐关注的问题。国内外的已有研究成果将