沥青混合料在冻融循环作用下的弯拉特性

司 伟，马 骉，汪海年，虎 见

（1.长安大学 公路学院 特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064；2.中交第二公路工程局有限公司技术研发中心，西安 710065）

青藏高原寒冷地区年平均气温低，温差大，降温速率快，冻融循环频繁、剧烈，各种不利条件对沥青混合料的力学特性、耐久性等有明显影响，沥青路面病害与面层沥青混合料在特殊条件下的性能衰变相关［1］。暴露在大气外的沥青路面面层，直接承受温度与行车荷载作用，气温下降时，沥青面层内部产生温度应力，如果沥青面层的应力松弛特性低于应力增长速度，由应力造成的路面损伤将逐渐积累，超过沥青混合料极限抗拉强度时，沥青面层发生开裂［2］。沥青路面在冻融循环作用下，进入路面空隙中的水分将产生动水压力或真空负压抽吸的反复作用，随着冻融循环次数的增加，导致沥青混合料冻融后内部空隙体积增大，承载力下降，由最初混合料内部的微损伤逐渐发展为混合料的松散、开裂等破坏［3－4］。由冻融作用引起的沥青路面破坏现象，严重影响了高原寒冷地区沥青路面的使用性能和寿命，如何准确地评价冻融循环作用对沥青混合料弯拉特性的影响是目前亟待解决的问题。为此，本文采用小梁低温弯曲试验，研究冻融循环作用对沥青混合料弯拉特性的影响，以期为提高沥青混合料的抗低温开裂能力和疲劳性能，完善现行沥青路面设计方法中的材料参数取值提供依据。

1 试验材料与方法

本试验采用青藏高原地区常用的SBR成品改性沥青，其性能技术指标如表1所示。集料取自青藏公路沿线料场，以石灰岩为主，矿粉为石灰岩矿粉。

表1 沥青技术指标试验结果Table 1 Test results of asphalt parameters

试验沥青混合料为 AC－10、AC－13、AC－16，级配组成采用《公路沥青路面设计规范》（JTG D50－2006）推荐中值。在标准马歇尔试验的基础上，兼顾西藏地区特殊的气候条件与交通状况，确定了SBR改性 AC－10、AC－13、AC－16沥青混合料的最佳油石比为5.0%、5.5%、6.0%。

关于沥青混合料冻融循环试验，国内外尚没有统一的方法，本文在参考国内相关冻融循环试验条件的基础上，依据青藏公路实际条件自行制定试验方法。青藏公路沿线气象资料表明，年平均最低气温为－14.5℃～－17.4℃，年平均最高气温为6.8℃～8.1℃，5～8月有较短的正温环境，但最低温度仍低于0℃；昼夜温差极值可达23℃～26℃，降温与升温速率快［5］。为此，本文提出冻融循环试验中，冻结时利用塑料袋将试件密封，并在塑料袋中注水30mL，冻结温度为（－25±1）℃，冻结时间为12h；融化时将试件直接放入恒温水浴，融化温度为（25±1）℃，融化时间为12h；利用低温冷冻箱与恒温水浴模拟冻融作用［6－7］。将新拌合热沥青混合料成型车辙板，切割成30mm×35mm×250mm的小梁。利用电子万能试验机进行试验，计算机自动采集数据，温度控制装置为环境箱，温控精度为±0.1℃，试验温度为－10℃，加载速率为50mm／min。

2 冻融循环次数影响分析

对油石比为5.5%的SBR改性AC－13混合料，经历30次冻融循环作用后，其结果如图1、图2和图3所示。

图1 抗弯拉强度与冻融循环次数的关系Fig.1 Relationship between flexural tensile strength and freeze－thaw cycles

由图1、图2和图3可知，沥青混合料弯拉强度、弯拉应变、劲度模量随着冻融循环次数的增加均呈下降趋势变化。在最初几次冻融过程中沥青混合料性能下降明显，当冻融循环次数达到9次后，沥青混合料性能衰减趋于平缓；混合料在经历大约15～18次冻融循环之后，弯拉强度逐渐趋于稳定。经历30次冻融循环后，混合料的性能与初始未冻融状态相比，弯拉强度降低了4MPa，衰减了27%；弯拉应变衰减了12.6%；劲度模量降低了523.1Pa，衰减了12.5%。

图2 弯拉应变与冻融循环次数的关系Fig.2 Relationship between flexural tensile strain and freeze－thaw cycles

图3 劲度模量与冻融循环次数的关系Fig.3 Relationship between stiffness modulus and freeze－thaw cycles

随着冻融循环次数的增加，混合料内部孔隙变大，结构将变得松散且容易脱落，使水分容易进入沥青膜内部，减弱沥青膜与集料的粘结力。混合料在饱水冻融循环中，试件内部空隙将进入水分，水结冰后体积增大很多，产生较大的膨胀力；在反复的冻融循环作用下，沥青与集料的粘结力衰减较快，从而导致在最初的几次冻融循环过程中混合料的弯拉强度等性能下降较快［7－8］。当试件经历9次冻融循环后，弯拉强度衰减趋势逐渐趋于平缓，说明初期的冻融循环作用对沥青混合料的弯拉性能影响较大，这也与高原寒冷地区沥青路面早期破坏严重的现象相一致。

观察沥青混合料在弯拉作用下破坏时发现，裂缝首先将沿着小梁表面粗集料附近的应力集中位置发育，随着时间的积累，裂缝最终贯穿整个小梁，使小梁发生脆性破坏。因此，混合料的弯拉强度除了与混合料的空隙率有关外，与表面粗集料的分布以及内部构造缺陷也有一定的关系。由于集料分布不均匀或内部有缺陷，在冻融作用下使混合料空隙增大，而冻胀压力和温度应力不能在混合料空隙中传递，使集料接触位置处的应力增大并出现损伤，导致混合料内部损伤区域面积逐渐增大发生断裂［3，9］。图1～图3中，随冻融循环次数的增加混合料性能总体呈衰减趋势，但仍有一些点出现异常，如在某次冻融循环作用后其性能出现骤降，而下一次冻融循环作用后混合料性能增大，随后混合料性能随冻融循环次数的增加又呈现正常的衰减趋势；分析其原因，由于集料的分布不均匀（热沥青混合料拌合成型车辙板时，集料局部分布不均匀），导致切割后的小梁试件存在差异，由上述分析可知在加载过程中应力应变出现异常。

3 油石比影响分析

AC－13级配混合料分别在油石比为4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%下进行弯曲试验，沥青为SBR改性沥青，油石比为5.5%是马歇尔试验确定的最佳值，试验结果如图4、图5和图6所示。

图4 抗弯拉强度与油石比的关系Fig.4 Relationship between flexural tensile strength and asphalt－aggregate ratio

由图4和图6可见，不同冻融循环次数下AC－13沥青混合料的弯拉强度与劲度模量均随着油石比的增大呈下抛物线变化，并在最佳油石比5.5%处出现峰值；破坏拉伸应变随油石比的增加也为先增大后减小，在最佳油石比5.5%达到最大，但其下抛物线变化趋势不是十分明显。未经过冻融作用的沥青混合料各项性能较好，随着冻融循环作用次数的增加各项性能逐渐下降。冻融循环作用对油石比较大（油石比为6.0%、6.5%）的沥青混合料性能的影响呈降低趋势，如图4中油石比为4.5%的混合料弯拉强度经历30次冻融循环后，弯拉强度降低了3.2MPa；而油石比为6.5%的混合料在经历30次冻融循环后，弯拉强度降低了1.1MPa；弯拉应变与劲度模量在不同油石比下随冻融循环的变化趋势相同。

图5 弯拉应变与油石比的关系Fig.5 Relationship between flexural tensile strain and asphalt－aggregate ratio

图6 劲度模量与油石比的关系Fig.6 Relationship between stiffness modulus and asphalt－aggregate ratio

油石比的大小与混合料的空隙率有密切关系，油石比较大时，说明混合料的空隙率较小。由于整个冻融循环过程中混合料一直处于饱水状态，填充混合料内部空隙的水分经冻结后体积膨胀，如果混合料内部孔隙足够大（增大9%），则冻融作用对混合料影响较小，否则空隙内结冰的水会产生很大的膨胀力，使混合料的体积膨胀而破坏［2－3］。

油石比4.5%对应的混合料其空隙率大于其他几组油石比下的空隙率，但其内部空隙仍无法满足因水分冻结膨胀而增加的对应的体积。油石比较小时，沥青不容易形成薄膜粘结集料颗粒，使沥青与集料的粘结力降低，温度梯度、压力作用以及冻融循环作用使得混合料结构变得松散，导致其弯拉特性降低［4］。随着油石比的增大，结构沥青逐渐形成，沥青充分地粘附于矿料表面，使沥青与矿料之间的粘附力随着油石比的增大而增大，混合料的弯拉特性在最佳油石比5.5%处达到峰值，经历多次冻融循环作用后，最佳油石比对应的混合料的弯拉特性依然为最优。此后，混合料空隙率随油石比增大而不断地减小，自由沥青增多，逐渐将集料颗粒“推开”，成为矿料发生位移滑动的润滑剂，使弯拉强度与劲度模量减小较快，而弯拉应变减小缓慢。当混合料空隙较小时，使饱水后进入混合料内部空隙的水分难以迁出，冻融循环作用使细小空隙中的毛细水又不断向冻结峰面聚集，使冰冻作用加剧，在数次冻融循环后，由于冻胀作用的累积使混合料的空隙不断地增大，导致其弯拉特性降低，但其降低幅度低于油石比较小的混合料［9－10］。

4 级配影响分析

为了分析级配对冻融循环作用下沥青混合料弯拉特性的影响，对 AC－10、AC－13和 AC－16均采用油石比为5.5%进行试验。

由图7可知，不同级配沥青混合料的弯拉特性随着冻融循环作用次数的增加，其弯拉强度、弯拉应变、劲度模量均呈减小趋势。AC－13沥青混合料的弯拉强度与弯拉应变远大于其他两种级配，AC－10和AC－16沥青混合料的弯拉强度相差较小，两条曲线几乎重合；AC－10和 AC－16沥青混合料的弯拉应变，在前几次冻融循环过程中相差较小，随着冻融循环次数增加到第9次冻融循环作用后，AC－10基本趋于稳定，而 AC－16持续减小，使两种级配的弯拉应变差值增大。对于劲度模量，AC－10最佳，AC－13次之，AC－16最差；随着冻融循环次数的增多，在第9次冻融循环作用后，AC－10的劲度模量衰减趋于平缓，而 AC－13和AC－16则持续降低，且AC－16的降低幅度较大。

当试件承受荷载作用时，荷载一般沿大粒径颗粒或大粒径颗粒分布较集中的区域传递，粗集料在沥青混合料承受荷载作用时具有重要作用。沥青混合料小梁在低温加载破坏时，沥青混合料的强度主要靠粗骨料的骨架支撑作用，沥青的粘结作用相对减小［10－11］。随着最大粒径的减小，使沥青混合料变得更加密实，在一定程度上提高了沥青混合料的低温抗裂性能；其次，随着最大粒径的减小，混合料自身的缺陷减少。对于AC－13沥青混合料，其最大公称粒径介于AC－10与AC－16之间，在最佳油石比5.5%下，经历多次冻融循环后AC－13沥青混合料的弯拉强度与弯拉应变优于其他两种级配的混合料。

图7 不同级配下的弯拉强度、弯拉应变、弯曲劲度模量与冻融循环次数的关系Fig.7 Relationship curve of flexural tensile strength，flexural tensile strain and stiffness modulus vs.freeze－thaw cycles

5 结 论

（1）沥青混合料的弯拉强度、弯拉应变、劲度模量均随着冻融循环次数的增加呈减小趋势，在最初的几次冻融循环作用后混合料性能衰减较快，在经历18～21次冻融循环作用后混合料性能衰减趋于平缓。

（2）油石比、级配组成对沥青混合料的弯拉强度、弯拉应变、劲度模量有明显影响，油石比较大的沥青混合料在冻融循环作用下，其混合料性能衰减较慢；AC－13沥青混合料的弯拉应变和弯拉强度均大于AC－10和AC－16沥青混合料，表明AC－13沥青混合料的低温性能较好，低温抗裂性强。

（3）在高原寒冷地区特殊气候条件下，采用AC－13骨架密实结构的沥青混合料，最佳油石比为5.5%（或适当增加油石比）可以提高沥青混合料冻融循环作用下的低温弯曲特性，减轻面层低温缩裂病害。

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