高原寒冷地区沥青混合料冻融循环作用下劈裂性能分析＊

2013-08-18汪海年

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2013年4期

司伟马骉汪海年虎见

（长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室1）西安 710064）（中交第二公路工程局2）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］.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，导致冻融后沥青混合料内部空隙体积增大，承载力下降，由最初青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［2－4］.本文采用低温劈裂试验，研究冻融循环作用对沥青混合料劈裂性能的影响，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所列.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

试验沥青混合料为AC－13，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－13沥青混合料的最佳油石比为5.5%.

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℃，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℃；昼夜温差可达23～26℃［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（－25±1）℃，冻结时间12h；融化时将试件直接放入恒温水浴，融化温度（25±1）℃，融化时间12h；利用低温冷冻箱与恒温水浴模拟冻融作用［6－7］.利用马歇尔标准击实法成型试件，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±0.1℃，试验温度为25℃，加载速率为50mm／min.试验结果见表1.

2 劈裂抗拉强度分析

最佳油石比5.5%对应的沥青混合料经历不同次数冻融循环作用后，其结果见图1，2.

图1 劈裂抗拉强度与冻融循环次数的关系

图2 劈裂抗拉强度损失率与冻融循环次数的关系

由图1，2可见，沥青混合料的劈裂抗拉强度随冻融循次数的增加均呈减小趋势；最初几次冻融循环作用混合料的劈裂抗拉强度下降明显，在经历大约9次冻融循环作用后，混合料劈裂抗拉强度衰减趋势减小，在9～15次冻融循环后，沥青混合料劈裂抗拉强度衰减趋势逐渐趋于平缓.沥青混合料劈裂抗拉强度主要由粗集料的骨架作用和沥青胶浆的粘结作用共同构成.混合料在饱水冻融循环作用下，试件内部空隙将进入水分，水结冰后体积增大，产生较大的膨胀力；在反复冻融循环作用下，沥青与集料的粘结力衰减较快，从而最初几次冻融循环过程中混合料的劈裂抗拉强度下降较快［8］.随着冻融循环次数的增加，混合料内部孔隙变大，结构将变得松散容易脱落，使外界水分容易进入沥青膜内部，减弱沥青膜与集料的粘结力，使沥青胶浆对混合料劈裂抗拉强度的贡献减小.

为了直观表征冻融循环作用对沥青混合料劈裂抗拉特性的影响，本文提出沥青混合料劈裂抗拉强度损失率，即未冻融和冻融循环后混合料的劈裂抗拉强度差值与未冻融混合料劈裂抗拉强度的比值.不同油石比沥青混合料劈裂抗拉强度损失率随冻融循环次数的增加而增大，变化趋势与劈裂抗拉强度变化相对应，经历9～15次冻融循环后混合料劈裂抗拉强度损失率变化趋于稳定.

沥青混合料分别在油石比4.5%，5.0%，5.5%，6.0%和6.5%下进行劈裂试验，试验结果见图3，4.

图3 劈裂抗拉强度与油石比的关系

图4 劈裂抗拉强度损失率与油石比的关系

由图3，4可见，最佳油石比5.5%对应的混合料，未冻融与冻融作用后的劈裂抗拉强度均为最优.随冻融循环作用次数的增加，混合料劈裂抗拉强度衰减，当混合料经历30次冻融循环作用后，油石比4.5%的混合料劈裂抗拉强度降低了0.15MPa，劈裂抗拉强度损失率为26.8%；油石比6.5%的混合料劈裂抗拉强度降低了0.08 MPa，劈裂抗拉强度损失率为14%，说明油石比较大的混合料经历冻融循环作用后劈裂抗拉强度的衰减幅度较小.

油石比的大小与混合料的空隙率密切相关.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，混合料的劈裂抗拉强度在最佳油石比5.5%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劈裂抗拉强度仍为最优.此后，混合料空隙率随油石比增大而减小，自由沥青逐渐增多，成为矿料发生位移滑动的润滑剂，使劈裂抗拉强度减小.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，经过数次冻融循环作用使其劈裂抗拉强度减小，但减小幅度小于油石比较大的混合料［9－10］.

3 破坏拉伸应变分析

最佳油石比5.5%对应的混合料破坏拉伸应变随冻融循环次数的变化见图5，破坏拉伸应变随油石比的变化见图6.

图5 破坏拉伸应变与冻融循环次数的关系

图6 破坏拉伸应变与油石比的关系

由图可见，沥青混合料破坏拉伸应变随冻融循环次数的增加而增大，经历9～15次冻融循环后，混合料破坏拉伸应变增长趋势减小.从破坏拉伸应变随油石比变化关系可见，未冻融的沥青混合料破坏拉伸应变随油石比的增加而增大；当混合料经历30次冻融循环作用后，破坏拉伸应变随油石比的变化幅度减小，破坏拉伸应变差值只有0.43.随着油石比的增大，未冻融混合料与经历30次冻融循环混合料的破坏拉伸应变差值逐渐减小，破坏拉伸应变差值由油石比4.5%时的2.98减小到油石比6.5%的1.14.

沥青混合料的破坏拉伸应变除了与混合料中沥青和细集料的变形有关，与粗集料骨架的变形也有一定的关系.沥青混合料为多孔材料，在饱水冻结时，由于冻胀压力作用，使混合料空隙开口结构被撑大，随冻融循环次数的增加，混合料内部空隙大小、结构均发生变化，影响粗集料相互嵌挤，混合料在劈裂破坏时骨架变形增大［11］.从而使混合料经历冻融循环作用后，其破坏拉伸应变反而出现增长的变化趋势.此外，冻水渗透压力会破坏集料表面的结构沥青，使得混合料内集料之间的粘结力下降，使结构沥青对整个粗集料骨架的约束作用减小.

4 破坏劲度模量分析

最佳油石比5.5%对应的混合料破坏劲度模量随冻融循环次数的变化见图7，破坏劲度模量随油石比的变化见图8.

图7 破坏劲度模量与冻融循环次数的关系

图8 破坏劲度模量与油石比的关系

由图可见，沥青混合料破坏劲度模量随冻融循环次数的增加而降低，经历9～15次冻融循环后，混合料破坏劲度模量衰减趋势减小.从破坏劲度模量随油石比变化可见，未冻融沥青混合料破坏劲度模量随油石比呈近似下抛物线变化，当油石比大于5.0%后，混合料破坏劲度模量减小趋势明显；当混合料经历30次冻融循环作用后，破坏劲度模量随油石比的变化仍呈下抛物线变化，在油石比6.0%时最大.其次，随着油石比的增大，未冻融混合料与经历30次冻融循环混合料的破坏拉伸应变差值逐渐缩小，破坏劲度模量差值由油石比4.5%时的87.6MPa减小到油石比6.5%的25MPa.