高寒高海拔地区沥青砂浆的力学性能分析

大次仁

(西藏天路股份有限公司，西藏 拉萨 850000)

0 引 言

西藏自治区地处青藏高原，属于高寒高海拔地区，受地理条件与地形地貌的影响，区内东南湿暖、西北严寒，常年低温，太阳辐射强。全区沥青路面铺筑广泛，依据沥青及沥青路用性能气候分区，可将全区划分为2-2夏热冬寒区、2-3夏热冬冷区及3-2夏凉冬寒区，其代表地区分别为西藏甘孜大雪山地区、西藏高原雅鲁藏布江流域及西藏自治区的中北大部分地区[1]。

沥青路面主要采用热拌沥青混合料进行铺筑，粒径小于2.36 mm的集料和沥青组成的分散系称为沥青砂浆。沥青砂浆中黏弹性沥青基材料的变化以及不同的环境条件等都使其呈现出不同的力学性能[2]。假设沥青混合料空隙率相同且分布均匀，则沥青砂浆的抗冻融损伤能力的强弱就成为影响高寒高海拔地区沥青混合料工程性能的关键因素。

近年来，越来越多的研究人员开始关注沥青砂浆的力学性能及不同冻融条件对沥青混合料的影响。韩吉伟等通过不同盐冻循环的单轴压缩蠕变试验及扫描电镜(SEM)研究了SBS改性沥青砂浆试件的力学性能与微观结构的变化[3]。Liu Yongliang等研究了水泥沥青砂浆在不同温度、不同沥青水泥比下的静态和动态力学性能，并利用Burgers模型模拟了水沥青胶凝材料的黏弹性力学行为及动态模量的变化[4]。孔祥明等在恒定温度条件下建立了数学模型，并定量描述了加载速率对水泥沥青砂浆力学性能的影响[5]。李兆生等通过对冻融循环作用下沥青混合料力学性能的对比分析，研究了冻融作用对沥青混合料力学性能的影响规律及其损伤特性[6]。傅强等采用应力-应变压缩曲线分析了不同沥青含量、龄期及干湿循环对水泥沥青砂浆力学特性的影响[7-8]。谭忆秋等结合损伤理论建立了适用于冻融条件下沥青混合料损伤的模型，提出了抗冻融损坏能力和寿命预估的主要指标[9]。牛冬瑜等应用压缩试验与剪切试验，研究了外加剂对沥青砂浆强度损失指数、能量释放系数及抗剪力学性能指标的影响[10-11]。李涛等选取9种矿粉研究了矿粉的亲水系数对沥青胶浆性能的影响[12]。

综上可知，研究人员对沥青砂浆的力学特性进行了较为广泛的研究，但针对高寒高海拔地区的特殊环境，采用反复冻融试验进行沥青砂浆力学性能的研究相对较少，缺乏可定量分析沥青砂浆力学性能损伤程度的评价方法。基于此，本文对不同冻融次数的沥青砂浆进行压缩试验，研究冻融循环次数对砂浆力学性能的影响；以试验数据与损伤理论为基础，定量分析反复冻融循环过程中砂浆损伤程度的发展变化规律，以期对高寒高海拔地区沥青路面的结构设计与材料优化提供一定参考。

1 原材料与试验

1.1 试验材料

本文选取SK70#沥青作为基质沥青，细集料和矿粉均采用石灰岩，沥青与细集料的技术性能均符合规范要求。

1.2 试件制备

沥青砂浆的级配如表1所示，沥青用量为10.5%，以《公路工程岩石试验规程》(JTG E41—2005)中路面工程用石料的单轴抗压强度试验为依据，制作圆柱形沥青砂浆试件，其直径和高均为50 mm。

表1 沥青砂浆级配

1.3 试验方案

1.3.1 试验设备及试验参数

采用微机控制电子万能试验机进行压缩试验，加载速率为1 mm·min-1，设备如图1所示。试验环境温度为常温(25 ℃)，试验前用自动双端面磨平机将试件的端面磨平，并置于环境温度箱中保温4 h以上。

图1 沥青砂浆压缩试验设备

1.3.2 冻融条件

本文借鉴《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中“沥青混合料冻融劈裂试验”的试验条件，检验沥青砂浆冻融后的压缩力学性能。

成型9组沥青砂浆试件，对其进行真空饱水15 min，水中浸泡0.5 h；然后分别进行冻融循环0次、2次、4次、6次、8次、10次、12次、14次，直至试件发生严重变形破坏(试件高度或直径变化达到10%)；最后用微机控制电子万能试验机进行沥青砂浆单轴压缩试验。

2 试验结果与分析

2.1 砂浆力学性能分析

由单轴压缩试验数据得到试件应力-应变曲线、峰值应力及弹性模量平均值，如表2和图2所示。其中D表示试件损伤度，且

D=(1-EN/E0)×100%

(1)

式中:EN为经过N次冻融循环的砂浆弹性模量；E0为未经冻融循环的砂浆弹性模量。

图2 不同冻融循环次数后试件的应力-应变曲线

冻融次数024681012峰值应力/MPa1.3721.2651.3281.2411.0311.0050.843弹性模量/MPa25.2518.9217.5316.4213.8713.569.88D/%0.0025.0730.5734.9745.0746.3060.87

由表2、图2可知，不同冻融循环次数作用后的沥青砂浆应力-应变曲线的变化趋势相同，均为先增大后减小。不同冻融循环次数下沥青砂浆的应力峰值分别为1.265、1.328、1.241、1.031、1.005、0.843 MPa，分别为未冻融砂浆(1.372 MPa)的92%、97%、90%、75%、73%、61%。不同冻融循环次数下沥青砂浆的弹性模量分别为18.92、17.53、16.42、13.87、13.56、9.88 MPa，分别为未冻融砂浆(25.25 MPa)的75%、69%、65%、55%、54%、39%。随着冻融次数的不断增加，沥青砂浆试件的峰值应力和弹性模量均明显降低，但下降速率与幅度有所差异：每经历2次冻融循环，砂浆的峰值应力和弹性模量平均下降0.088 MPa和2.562 MPa。由表2可知，12次冻融循环后，砂浆峰值应力和弹性模量的相应降幅为38.55%和60.87%。

此外，沥青砂浆试件的峰值应力和弹性模量相对较低，应力-应变曲线的下降段跌落较快，体现出较差的变形能力。这主要是因为：沥青混合料中粗集料构成骨架结构，荷载主要由粗集料骨架来承受，而小的填充颗粒与沥青混合而成的砂浆不受力或受很小的力，但也起到了黏结粗集料颗粒的关键作用，一旦砂浆出现力学损伤，将直接影响混合料的各项性能。由此可知，多次冻融循环作用后，砂浆的力学性能大幅下降，如果能够在其中加入高黏韧外掺剂，可使高黏韧外掺剂中的高分子材料与热沥青混融反应形成网状结构，并裹复着沥青重叠交联在一起，提高沥青与细集料的结合强度，有效控制冻融的影响，提高砂浆受冻融循环作用后的力学性能。

2.2 砂浆力学耐久性能分析

为了反映受到多次冻融损伤后沥青砂浆的力学性能，选取强度损失指数来量化沥青砂浆材料的力学损伤情况。

(2)

式中：S为沥青砂浆的强度损失指数；σp为应力峰值；σr为残余应力值，即沥青砂浆应力达到峰值后，应变增加5%时的应力取值。

图3为沥青砂浆的强度损失指数变化曲线。由图3可知，2次、4次、6次、8次、10次、12次冻融后沥青砂浆的强度损失指数分别为0.115、0.054、0.088、0.127、0.169、0.158，是未冻融砂浆(0.089)的1.289倍、0.610倍、0.988倍、1.429倍、1.902倍与1.774倍。根据强度损失指数计算结果，可将沥青砂浆力学耐久性能的变化划分为3个阶段：冻融0～2次为第1阶段，冻融4～6次为第2阶段，冻融10～12次为第3阶段。其中，第1阶段、第2阶段、第3阶段强度损失指数的平均值分别为0.102、0.090、0.163。第2阶段的强度损失指数的平均值最小，表明其沥青砂浆力学耐久性能最好，第3阶段的强度损失指数的平均值最大，反映出沥青砂浆力学耐久性能最差。此外，冻融2次与冻融10次情况下，沥青砂浆的强度损失指数出现了2个峰值，说明此时沥青砂浆充分受到孔隙水结冰与融化的体积膨胀力的作用，造成沥青砂浆的内部损伤，破坏了砂浆内部结构稳定，使其力学耐久性大幅降低。

图3 不同冻融循环次数后沥青砂浆的强度损失指数

2.3 砂浆损伤机理分析

基于损伤力学理论中的物质单向流动损伤理论，应用损伤度可定量描述沥青砂浆的损伤程度，并假设沥青砂浆初始损伤为0。损伤变化率为单冻融循环造成的损伤度变化值，以此表征沥青砂浆在寿命期内的损伤度变化快慢。砂浆试件的峰值应力、弹性模量及损伤度与冻融次数的关系曲线见图4、5。

图4 损伤度与冻融次数的关系曲线

图5 弹性模量与冻融次数的关系曲线

由图4、5可知，沥青砂浆试件的损伤度均随着冻融次数的增加而增大，相应的峰值应力和弹性模量随着冻融次数的增加而降低。冻融6次之前和10次之后为2个快速破坏期，冻融6次到10次之间为缓慢破坏期。砂浆试件在2个快速破坏期的损伤变化率分别达到每次5.83%和7.29%，缓慢破坏期损伤变化率为每次2.83%。出现快速破坏期是因为沥青砂浆内部分的滞留水冻胀，使砂浆内部由无裂缝状态迅速生成微裂纹，引起砂浆力学性能较快衰减；另外，随着冻融作用的加剧，形成了大量的连通孔隙，砂浆内部微裂纹进一步扩展，引起砂浆的损伤变化率再次增大。

随着损伤度不断增加，在12次冻融循环作用下，砂浆试件的峰值应力与弹性模量均呈现下降趋势，其中峰值应力在下降的过程中呈现波动下跌状态。在12次冻融循环作用下，砂浆试件损伤度较未冻融的砂浆增加了60%以上，平均损伤变化率达到每次5.07%。试件在冻融到13次左右时出现严重变形。

3 结 语

(1)随着冻融循环次数的增加，沥青砂浆试件的弹性模量和峰值应力均大幅下降；12次冻融循环后，砂浆的峰值应力和弹性模量降幅分别为38.55%和60.87%，说明多次冻融后很难保证其抗冻融能力和使用寿命。

(2)沥青砂浆的损伤度随着冻融循环次数的增加而增大，相应的峰值应力和弹性模量随着损伤度的增加而减小。12次冻融循环作用后，沥青砂浆的损伤度增加了60%以上，平均损伤变化率达到每次5.07%。

[1] 多吉罗布.西藏地区沥青路面裂缝类病害特征研究[J].筑路机械与施工机械化,2017,34(3):91-94.

[2] 牛冬瑜,韩 森,陈 凯,等.加工工艺关键参数对SBS改性沥青性能影响[J].长安大学学报：自然科学版,2014,34(3):7-16.

[3] 韩吉伟,崔亚楠,王 乐,等.盐冻循环条件下SBS改性沥青砂浆的力学性能分析[J].功能材料,2015,46(12):12141-12145.

[4] LIU Y,KONG X,ZHANG Y,et al.Static and Dynamic Mechanical Properties of Cement-Asphalt Composites [J].Journal of Materials in Civil Engineering,2013,25(10):1489-1497.

[5] 孔祥明,刘永亮,严培渝.加载速率对水泥沥青砂浆力学性能的影响[J].建筑材料学报,2010,13(2):189-192.

[6] 李兆生,谭忆秋,吴思刚,等.冻融循环对沥青混合料力学性能的影响[J].哈尔滨工程大学学报,2014,35(3):378-382.

[7] 傅 强,谢友均,郑克仁,等.沥青对水泥沥青砂浆力学性能的影响[J].硅酸盐学报,2014,42(5):642-644.

[8] 傅 强,谢友均,郑克仁,等.水泥乳化沥青砂浆力学特性的龄期效应[J].北京工业大学学报,2013,39(11):1607-1612.

[9] 谭忆秋,赵立冬,蓝碧武,等.沥青混合料冻融损伤模型及寿命预估研究[J].公路交通科技,2011,28(6):1-7.

[10] 牛冬瑜,韩 森,李 星,等.掺外加剂沥青砂浆的力学性能[J].交通运输工程学报,2016,16(3):8-16.

[11] 牛冬瑜,漆 祥,韩 森,等.不同沥青基材料砂浆抗剪力学性能分析[J].材料导报,2016,30(14):149-153.

[12] 李 涛,扈惠敏.矿粉对沥青胶浆性能的影响[J].合肥工业大学学报：自然科学版,2013,36(8):983-987.