冻融作用下沥青混合料抗反射开裂性能研究

翟瑞鑫， 郝培文， 李国锋， 曾志武， 李文辉

(1.长安大学 道路结构与材料交通运输行业重点实验室， 陕西 西安 710064；2.云南省交通投资建设集团有限公司， 云南 昆明 650228)

中国季节性冰冻地区的沥青路面由于遭受多次冻融循环作用，常出现开裂、水损害等损伤，因此冻融循环作用对沥青路面性能的影响不容忽视.国内外学者从沥青胶结料、沥青砂浆及沥青混合料等多方面研究冻融循环对其性能的影响规律，但针对开级配沥青混合料的研究较少.大粒径透水沥青混合料(LSPM)由较大单一粒径集料和一定量细集料组成，其中最大一档集料含量1)占50%以上，属于“单粒径骨架连通孔隙结构”[1]，设计空隙率(体积分数)为13%～18%，兼具高模量和良好的排水性，同时具有较好的抗疲劳性能和抗反射开裂性能[2-4].

1)文中涉及的含量、比值等除特别说明外均为质量分数或质量比.

本文采用Overlay tester(OT)试验，对3种改性LSPM进行不同次数的冻融循环试验，分析冻融循环次数、沥青胶结料类型对LSPM抗反射开裂性能的影响，确定适用于OT试验的LSPM性能评价指标，为LSPM是否适用于季冻区沥青路面提供理论依据.

1 试验

1.1 原材料

采用70#基质沥青，分别掺入400μm(40目)和301μm(60目)橡胶粉(掺量均为21%)制备橡胶粉改性沥青，分别记为XJ40和XJ60，其技术指标见表1.SBS改性沥青，其技术指标均满足规范要求，见表1.粗集料采用石灰岩，细集料采用花岗岩，矿粉为石灰岩矿粉.混合料类型为LSPM25，矿料级配组成如表2所示.制备XJ40，XJ60和SBS改性沥青混合料，分别记为XJ40-m,XJ60-m,SBS-m，根据沥青膜有效厚度和集料比表面积来确定沥青用量，并采用马歇尔试验、析漏试验与分散试验验证，最终确定最佳油石比均为4.1%，沥青膜厚度为11.4μm.

1.2 试验方法

OT试验在美国德克萨斯州应用较多，主要用于测试沥青加铺层的抗反射开裂性能.测试时采用适量环氧树脂将试件测试面粘贴在具有一定间隙的2块钢板上，其中一块钢板固定，另一块钢板可以在水平方向移动，用以模拟路面下层接缝或裂缝处由于温度或荷载引起的反复闭合运动，2块钢板间距为 2mm.采用意大利MATEST公司生产的Overlay tester试验仪，加载模式为循环三角形位移控制，每个加载周期为10s，最大水平拉伸位移为0.625mm[5]，试验温度为25℃，当试验最大加载周期达到 1200 次或荷载损失率达到93%时停止试验.

表1 改性沥青技术指标

表2 LSPM25级配

通过旋转压实仪成型直径为150mm，高度为62mm的试件，然后将试件上下端切除，使试件高度为 38mm，再将试件左右侧切除使试件宽度为 75mm，最终得到尺寸为150mm×75mm×38mm的近似长方体OT试件；也可通过现场钻芯取样切割得到相应尺寸的OT试件.由于仪器所限及简化试验所需，本文采用车辙板切割成型相应尺寸的OT试件.试验前试件在恒温箱中保温至少4h以使试件内部温度均衡，其余试验过程严格按照德克萨斯州规范(TxDOT Designation:Tex-248-F)进行操作[6].

中国沥青路面水损害气候影响分区及易受冰冻影响地区的气象资料显示，冰冻地区年平均昼夜温差一般为23～26℃[7].参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的冻融劈裂试验方法，先对OT试件进行15min真空饱水，再将饱水试件放入塑料袋中并注入30mL左右的水，扎紧塑料袋，在-18℃条件下冷冻12h，冷冻结束后在25℃下放置12h，即完成1次冻融循环.对试件分别进行0，5，10，15，20，25，30次冻融循环，试件完成规定冻融循环次数后静置至干燥，用环氧树脂将试件粘贴在OT试验仪的钢板上，用专用模具施压并放置24h以上使环氧树脂完全固化，随后进行OT试验直到结束.每种试验方案至少进行5次平行试验，优选3个差异较小的数据，结果取平均值.

2 结果及分析

以试件XJ60-m经20次冻融循环为例，图1显示了该试件的荷载损失率P与OT试验加载次数N的关系.由图1可知，试验初期荷载损失较快，每个加载周期中的最大荷载急速下降，由于OT试验采用位移控制加载模式，初始位移较大，因此试件在经过几十次加载后即产生裂缝，随后裂缝逐渐进入稳定扩展阶段，荷载损失率随加载次数增加几乎呈线性缓慢增长，最大荷载缓慢减小，直到反射裂缝贯穿至试件顶部.德克萨斯州规范推荐采用荷载损失率和加载次数来评价沥青混合料的抗反射开裂性能.本文选用荷载损失率P，加载次数N，总断裂能G和加载第1周期最大荷载F对沥青混合料在冻融作用下的抗反射裂缝性能进行评价，以提出适用于LSPM抗反射开裂性能的评价指标.

图1 荷载损失率P与加载次数N的关系Fig.1 Load loss rate versus number of loading

采用最大荷载-加载次数曲线下的面积来计算试件的总断裂能G，如图2所示.图2给出了试件的2种破坏状况：曲线1[8]表明混合料初期开裂时最大荷载较大，但加载次数未达到1200次时荷载损失率已达到93%；曲线2为试件XJ40-m经20次冻融循环后的结果，表明混合料初期开裂所需荷载较小，但试件经过1200次加载循环后荷载损失仍未达到93%.由于OT试验设置为当荷载损失率达到93%或加载次数达到1200时即停止试验，曲线积分面积由加载次数N和最大荷载F决定，考虑到可能出现2种混合料总断裂能相近但加载次数差异明显的情况，只采用总断裂能来评价试件抗反射裂缝性能并不理想，因此借鉴断裂力学指标——容许断裂应变(fracture strain tolerance)的概念，提出容许破坏次数J这一指标，定义J为总断裂能G与加载第1周期最大荷载F的比值，以消除上述影响.

图2 总断裂能GFig.2 Total fracture energy

研究表明，密级配沥青混合料的加载次数大于300次即满足抗反射开裂性能要求[5]，而本文采用的LSPM试件结构空隙率相对较大，应该更易受冻融作用的影响.但试验发现经过不同次数的冻融循环后，3种改性沥青混合料加载次数N均达到了 1200 次，说明3种改性沥青混合料均具有良好的抗反射开裂性能，同时也表明德克萨斯州规范推荐指标——加载次数N无法准确表征空隙率较大的沥青混合料抗反射开裂性能受冻融作用的影响程度.荷载损失率P表征沥青混合料反射裂缝从产生至贯穿试件整个过程中的荷载变化情况，冻融作用导致沥青混合料内部产生微小裂隙，试验初期一旦裂缝产生，混合料内部损伤程度将直接影响加载过程中的荷载大小，且损伤越严重，荷载损失率越大，因此该指标可间接反映混合料抗反射开裂性能.而由于加载第1周期的最大荷载F只能表征反射裂缝的产生过程，无法表征反射裂缝的扩展过程，因此F不适用于抗反射开裂性能评价.总断裂能G可表征试件开裂所需能量，但只有当混合料加载次数相近时才能合理区分混合料抗反射开裂性能的好坏，因此采用容许破坏次数J代替总断裂能G来表征沥青混合料的抗反射开裂性能.另外，试验结果发现，各指标中荷载损失率P和容许破坏次数J的变异系数最小(均在10%以内)，因此采用P和J来共同评价沥青混合料的抗反射开裂性能.P越小，J越大，表明沥青混合料抗反射开裂性能越好.由于篇幅原因，下文仅列出这2个指标的试验结果.

2.1 冻融循环次数的影响

图3给出了3种试件荷载损失率P与冻融循环次数n的关系.由图3可知：随着n的增加，3种试件的荷载损失率均逐渐增大，当冻融循环达到30次时，其荷载损失率达80%以上；荷载损失率变化趋势基本呈S形，经过5次冻融循环后，相比未受冻融作用时，3种试件荷载损失率增长不大，但经过 5～ 20次冻融循环后，其荷载损失率增长较快，几乎呈线性增长，当冻融循环达到20次时，3种试件荷载损失率从未冻融时的50%左右增长到80%以上，随着n继续增加，荷载损失率增长减慢.由于大粒径透水沥青混合料LSPM具有连通空隙结构，空隙率较大，细集料较少，沥青膜厚度较大，沥青与集料间黏结力较强，因此冻融初期对沥青混合料内部结构的影响不大.只有经过一定次数的冻融循环后，当损伤累积到一定程度时，冻融作用才使得沥青混合料逐渐松散，外部集料剥落，水分逐渐侵入沥青膜内部，削弱沥青与集料间的黏结力；同时在水分反复冻融作用下混合料内部空隙增大，微裂隙产生，荷载损失率逐渐增大；冻融循环达到20次以后，试件内部损伤几乎达到极限，此后n继续增加对混合料抗反射开裂性能的影响不明显，荷载损失率增加缓慢.

图3 荷载损失率与冻融循环次数的关系Fig.3 Load loss rate versus number of freeze-thaw cycle

图4给出了容许破坏次数J与冻融循环次数n的关系.由图4可见，随着n的增加，初期容许破坏次数J下降较快，这是因为水分入侵引起细集料的剥落、流失，LSPM骨架嵌挤结构在冻融作用下容易遭到破坏，连通空隙路径增大，混合料整体结构承载力迅速降低；经过20次冻融循环后，J衰减趋于平缓，混合料损伤达到极限.

图4 容许破坏次数与冻融循环次数的关系Fig.4 Tolerance failure times versus number of freeze-thaw cycle

采用指数模型对沥青混合料容许破坏次数J与冻融循环次数n的关系进行拟合，如式(1)所示.拟合相关系数R2均在0.93以上，表明利用指数模型可以较好地预测和反映LSPM抗反射开裂性能随冻融作用的衰减状况.

J=aebn

(1)

式中：a，b均为参数，a代表未受冻融作用时混合料的J值，b反映J随冻融循环次数变化的衰减速率.

2.2 沥青胶结料类型的影响

由图3，4可知，400μm橡胶粉和301μm橡胶粉改性沥青混合料抗反射开裂性能差异不大，而两者与SBS改性沥青混合料的抗反射开裂性能差异比较明显.由于3种改性沥青混合料的沥青膜厚度相近，因此性能差异主要源于沥青胶结料本身.在不同冻融循环次数下橡胶粉改性沥青混合料的荷载损失率均比SBS改性沥青混合料要小，表明橡胶粉改性沥青具有更好的黏弹韧性来抵抗冻融侵蚀.橡胶粉与基质沥青共混后，橡胶粉颗粒分散于沥青中并吸收轻质油分产生溶胀，从而膨胀、软化，使沥青具有一定的塑性和黏性，且橡胶粉与沥青体系间相容性较高.最佳掺量下的SBS改性沥青低温劲度模量大于橡胶粉改性沥青，且温度越低，两者劲度模量差值越大，而橡胶粉改性沥青自身劲度模量随温度变化较小，其相对较低的温度敏感性和较低的劲度模量使其具有更好的流动变形能力和低温抗裂性[8].随着橡胶粉粒径的减小，单位质量橡胶粉比表面积增大，溶胀率增加，最佳掺量下 301μm 橡胶粉相对于 400μm 橡胶粉更易与基质沥青融合，且低温延度相对较大，因此受冻融作用影响相对较小，在冻融循环12次以上时XJ60-m试件的荷载损失率最小.

从容许破坏次数来看，前5次冻融循环作用下SBS改性沥青混合料的容许破坏次数约为橡胶粉改性沥青混合料的1.15倍，表明没有冻融循环或在冻融影响不大的情况下，SBS改性沥青混合料抗反射开裂性能更佳；冻融循环5次以上时，SBS改性沥青混合料抗反射开裂性能显著降低；经历30次冻融循环后，SBS改性沥青混合料的容许破坏次数下降了80%.经历13次冻融循环后，XJ60-m试件的容许破坏次数达到最大，且随冻融循环次数n增加其下降幅度最小，经过30次冻融循环后其容许破坏次数相比未冻融时下降了约70%，表明XJ60-m试件受冻融影响较小，而且随着冻融循环次数n的增加，XJ40-m试件和XJ60-m试件的容许破坏次数差异逐渐增大，表明301μm(60目)橡胶粉改性沥青比400μm(40目)橡胶粉改性沥青更能抵抗冻融作用，前者的低温抗反射开裂性能最优.

对沥青混合料抗反射开裂性能影响因素进行方差显著性分析，结果显示冻融循环次数和胶结料类型对其均有显著性影响，其中前者影响最为显著，因篇幅有限，具体结果不再列出.

3 结论

(1)OT试验适用于评价大粒径透水沥青混合料在冻融作用下的抗反射开裂性能，定义容许破坏次数J为总断裂能与加载第1周期最大荷载之比，推荐采用荷载损失率和容许破坏次数来共同评价大粒径透水沥青混合料的抗反射开裂性能.

(2)冻融作用使大粒径透水沥青混合料抗反射开裂性能显著衰减，指数模型能很好地模拟和预测沥青混合料容许破坏次数随冻融循环次数增加的衰减状况.

(3)橡胶粉改性沥青和SBS改性沥青用于大粒径透水沥青混合料时，OT加载次数可达1200次，说明其具有良好的抗反射开裂性能.SBS改性沥青混合料受冻融作用影响最大，冻融初期性能最优，而当冻融循环次数增加时，其抗反射开裂性能不及XJ60改性沥青混合料.橡胶粉改性沥青混合料抗反射开裂性能受冻融循环作用影响较小，相同橡胶粉掺量(21%)下，相较于XJ40改性沥青混合料，XJ60改性沥青混合料的抗反射开裂性能更好，推荐长期冻融地区LSPM路面采用XJ60改性沥青.

(4)LSPM混合料受20次冻融循环作用后，其抗反射开裂性能衰减趋于稳定，因此推荐在研究冻融作用对混合料抗反射开裂性能影响时应至少进行20次冻融循环试验.