冻融循环对聚合物改性沥青混合料的抗裂性能影响

2021-12-13李永翔贾永杰王国忠胡江三

内蒙古公路与运输 2021年4期

李永翔，贾永杰，王国忠，胡江三

（内蒙古农业大学能源与交通工程学院，内蒙古呼和浩特 010018）

1 引言

在北方冬季，由于气温低、昼夜温差大，冻融循环作用频繁发生，造成沥青路面冻融开裂现象严重。因此，冻融破坏问题受到许多学者的广泛关注。

丛培良等[1]研究了除冰盐对两种改性混合料性能的影响，结果表明，经过盐冻循环后，沥青混合料的劈裂强度明显降低。吴泽媚[2]通过研究在冻融循环条件下氯盐浓度对沥青混合料抗裂性能的影响，结果表明，混合料低温抗裂性能主要受冻融循环次数和氯盐融雪剂溶液浓度影响。周金枝等[3]通过对沥青混合料进行盐冻循环研究，结果表明，随着氯盐浓度的增大沥青混凝土的低温抗裂性逐渐降低。Pan 等[4-7]研究了醋酸盐对沥青混合料抗裂性能的影响，结果表明，醋酸盐会降低沥青混合料的抗裂性能。

以上研究表明，沥青混凝土经过若干次冻融循环后其抗裂性能均有所降低。本文在前人研究的基础上，采用J 积分理论[8]，研究冻融循环对SBS 改性沥青混合料（SBSMM）、胶粉改性沥青混合料（CRMM）和复合胶粉改性沥青混合料（CCRMM）抗裂性能的影响，基于断裂韧度指标研究冻融循环次数对SBSMM、CRMM 和CCRMM抗裂性的影响。

2 试验材料与方案

2.1 沥青

本文所用沥青为90#基质沥青，掺配4%的SBS制成SBS 改性沥青（SBSM），掺配20%的60 目橡胶粉颗粒制成橡胶粉改性沥青（CRM），掺配2%的SBS 和18%的60目橡胶粉颗粒制成SBS 和橡胶粉复合改性沥青（CCRM）。相应技术指标见表1。

表1 SBSM、CRM和CCRM技术指标

2.2 沥青混合料

沥青混合料中粗集料是由10mm～20mm、5mm～10mm、3mm～5mm 玄武岩掺配而成，细集料采用0～3mm石灰岩，填料为石灰岩粉，矿料级配组成见表2，经标准马歇尔试验得到AC-16 型SBSMM、CRMM 和CCRMM的最佳油石比分别为4.6%、5.5%和5.3%。

表2 矿料级配组成

2.3 冻融试验方法

将所选沥青混合料利用旋转压实仪成型为直径和高度均为150mm 的圆柱体试件，利用直径100mm 的取芯机取芯后再将圆柱体试件切割成厚度B 为25 mm、直径2R 为100mm 的半圆试件。在试件中部用角磨机分别切割深度为0、1cm 和2cm 的预切口，即图1 中的a值。将试件进行真空饱水后按5 个一组分装入塑料袋中，注入水至试件1/4 处，利用高低温交变箱进行冻融循环，冰冻温度采用-20℃，冰冻时间设定为4h，融化温度采用60℃，融化时间设定为6h，冻融循环次数采用5次、10次、15次、20次、25次。

图1 SCB 试件加载

2.4 半圆弯拉试验

本试验使用MTS810 系统采用应变控制加载方式加载，两支点间距设定为2ɑ=80mm，采用1mm/min 的加载速率，试验前将环境箱温度设定为10℃，待环境箱温度恒定后将试件放入环境箱中保温2h，然后进行加载试验，由MTS810系统采集荷载与位移数据。

通过采集试验过程中的力和位移数据即可绘制加载点的荷载-位移关系曲线，计算达到最大荷载时曲线下的面积即为试件破坏过程中所吸收的能量，即为断裂能，通过断裂能即可计算混合料的断裂韧度Jc[9]。相关研究表明，断裂韧度是评价低温抗裂性能的有效指标[10-15]。其计算公式如式（1）：

式中，U1为1cm 预切口时试件的断裂能；U2为2cm预切口时试件的断裂能；B1为1cm 预切口时试件厚度，25mm；B2为2cm 预切口时试件厚度，25mm；a1为1cm 预切口；a2为2cm预切口。

3 试验结果与试验分析

3.1 水冻融循环抗裂性能的影响

图2 为SBSMM、CRMM 和CCRMM 的断裂韧度随冻融循环次数的变化规律曲线。从图2中可以看出，三种聚合物改性沥青混合料的断裂韧度均随冻融循环次数的增加逐渐减小，达到10 次冻融循环后，SBSMM 减小1.49%，CRMM 减小1.35%，CCRMM 减小1.29%，由此可见，在经过10次冻融循环后，三种聚合物改性沥青混合料的断裂韧度降低幅度并不明显，这是由于冻融循环次数较少，试件破坏轻微，只是在沥青混合料试件内部产生微裂纹而且并不发育，所以三种沥青混合料的断裂韧度减小也不明显。在冻融循环达到20 次之后，三种聚合物改性沥青混合料的断裂韧度降低幅度明显增加，其中SBSMM 减小幅度达到22.23%，CRMM 减小幅度达到20.6%，CCRMM减小幅度达到18.42%，这是由于冻融循环次数的增加加速了试件的破坏，试件内部微裂纹进一步发育，使得试件内部毛细水上升作用增强，在冰冻时冰的体积增多，冻胀力增大，最终使试件内部微裂纹发育为连通孔隙；在达到25 次冻融循环后，SBSMM 的断裂韧度减小幅度为23.59%，CRMM 减小幅度为21.18%，CCRMM 减小幅度为18.97%，与20 次冻融循环相比，断裂韧度降幅并不明显，这主要是由于经过20次冻融循环之后，试件内部裂纹已经贯通，孔隙率增加，冻胀作用减弱，因此断裂韧度降幅较小。因此，为了避免沥青混合料发生冻融破坏或为了延缓沥青混合料发生冻融破坏，沥青混合料的孔隙率控制至关重要，在施工时，沥青混合料路面的压实度必须得到保证，从而增加沥青混合料路面的密水性。由于沥青混合料孔隙不可避免，为满足抗裂性要求，需要选择抗裂性较好的材料。

图2 三种改性沥青混合料断裂韧度随冻融循环次数的变化规律曲线

对比图2 中SBSMM、CRMM 和CCRMM 断裂韧度变化曲线可以发现，CCRMM 的断裂韧度要大于CRMM 和SBSMM的断裂韧度。这表明在相同冻融条件下，三种聚合物改性沥青混合料的抗裂性能CCRMM 的最好，CRMM的次之，SBSMM 的最差。这是因为SBSMM、CRMM 和CCRMM 三种聚合物改性沥青混合料中SBSM 具有较强的感温性能，温度对其性能影响较大，所以在低温时SBSMM 容易开裂；而CRM 中含有橡胶粉，由于橡胶粉感温性较低且与沥青溶胀后大大减小了低温劲度模量，从而使CRMM 的抗裂性能得到改善[16]；CCRM 中既含有SBS又含有橡胶粉，在改性过程中，SBS在沥青中溶解并分散形成网状结构，橡胶粉颗粒在溶胀后填充网状结构，不仅降低CCRM的感温性能，而且提高了CCRMM的低温抗裂性能。这是因为SBS和橡胶粉共同作用，在拉伸变形过程中可以吸收大量能量，从而大大改善了CCRMM的抗裂能力。

3.2 盐冻融循抗裂性能的影响

图3（a）、图3（b）、图3（c）分别为SBSMM、CRMM 和CCRMM 在不同盐浓度条件下的断裂韧度随冻融循环次数的变化规律曲线。由图可知，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三种聚合物改性沥青混合料的断裂韧度在盐浓度相同时均随冻融循环次数的增加而逐渐减小，当达到一定冻融循环次数后断裂韧度趋于稳定；当冻融循环次数相同时，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三种聚合物改性沥青混合料的断裂韧度均随盐浓度的增加而逐渐减小。由此说明，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三种聚合物改性沥青混合料的抗裂性能在盐冻融循环后均减小，但通过对比盐冻循环后SBSMM、CRMM 和CCRMM的断裂韧度值可以发现，CCRMM 的断裂韧度值最大，CRMM 次之，SBSMM 最小，说明盐冻循环对三种聚合物改性沥青混合料的抗裂性能影响中，SBSMM 影响最大，CRMM次之，CCRMM最小。

图3 三种改性沥青混合料在不同盐浓度下断裂韧度随冻融循环次数的变化规律曲线

表3 为不同盐浓度条件下SBSMM、CRMM 和CCRMM 的断裂韧度随冻融循环次数的降低率。通过对比表中数据可以发现，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三种聚合物改性沥青混合料的断裂韧度随冻融循环次数的增加降低幅度越来越大，对比10 次和20 次冻融循环的断裂韧度值可以发现，断裂韧度减小幅度显著增加，说明10 次～20 次冻融循环对混合料的破坏作用最大。这是因为冻融次数增加，冻胀作用增强，混合料内部微裂纹逐渐发育贯通。对比经过20 次和25 次冻融循环后的断裂韧度值可以发现，SBSMM、CRMM 和CCRMM的断裂韧度减小幅度并不明显，说明冻胀已不能增加对混合料试件的破坏作用，这是因为在20 次冻融循环后试件内部微裂纹已充分发育，增加冻融循环次数对试件破坏作用减弱。对比SBSMM、CRMM和CCRMM 在不同盐浓度条件下的断裂韧度值可以发现，SBSMM、CRMM 和CCRMM 的断裂韧度均随盐浓度的增加而减小，说明盐冻循环使混合料的抗裂性能减小，而且混合料抗裂性能随盐浓度的增加而降低。这是因为盐浓度越高，在水分蒸发后盐胀作用越强，对混合料的破坏作用越大。对比水冻或盐冻断裂韧度值发现，在相同条件下，SBSMM＜CRMM＜CCRMM。由此说明，CCRMM 的抗裂性能最优，CRMM次之，SBSMM最差。

表3 聚合物改性沥青混合料在不同盐浓度下断裂韧度随冻融循环次数的降低率

由表3可知，SBSMM、CRMM和CCRMM在冻融循环次数相同而盐浓度不同时的断裂韧度降低率，SBSMM＞CRMM＞CCRMM，而且断裂韧度降低率随着盐浓度的增加而增加。在相同条件下对比SBSMM、CRMM和CCRMM的断裂韧度降低率可以发现，SBSMM＞CRMM＞CCRMM，由此说明，盐浓度大小对SBSMM 的抗裂性能的影响最大，CRMM 次之，SBSMM 最小。当盐浓度相同时，SBSMM、CRMM和CCRMM的断裂韧度降低率均随冻融循环次数的增加而显著增加，但三种聚合物改性沥青混合料的断裂韧度值依然是SBSMM＜CRMM＜CCRMM，可见冻融循环次数对SBSMM 的抗裂性能影响最大，CRMM 次之，CCRMM最小。对比盐浓度和冻融循环次数两种因素变化对SBSMM、CRMM 和CCRMM 的断裂韧度降低率的影响可以发现，冻融循环次数对断裂韧度降低率的影响要大于盐浓度变化对断裂韧度降低率的影响，表明冻融循环次数对SBSMM、CRMM 和CCRMM 的破坏作用大于盐浓度变化对SBSMM、CRMM和CCRMM的破坏作用。