高原寒冷地區(qū)瀝青混合料凍融循環(huán)作用下劈裂性能分析＊

司 偉 馬 骉 汪海年 虎 見

（長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室1） 西安 710064） （中交第二公路工程局2） 西安 710065）

青藏高原寒冷地區(qū)年平均氣溫低，溫差大，降溫速率快，凍融循環(huán)頻繁、劇烈，各種不利條件對瀝青混合料的力學特性、耐久性等有明顯影響，瀝青路面病害與面層瀝青混合料在特殊條件下的性能衰變相關［1］.瀝青路面在凍融循環(huán)作用下，進入路面空隙中的水分將產生動水壓力或真空負壓抽吸的反復作用，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，導致凍融后瀝青混合料內部空隙體積增大，承載力下降，由最初青混合料內部的微損傷逐漸發(fā)展為混合料的松散、開裂等破壞［2－4］.本文采用低溫劈裂試驗，研究凍融循環(huán)作用對瀝青混合料劈裂性能的影響，以期為提高瀝青混合料的抗低溫開裂能力和疲勞性能，完善現(xiàn)行瀝青路面設計方法中的材料參數(shù)取值提供依據(jù).

1 試驗材料與方法

本試驗采用青藏高原地區(qū)常用的SBR成品改性瀝青，其性能技術指標如表1所列.集料取自青藏公路沿線料場，以石灰?guī)r為主，礦粉為石灰?guī)r礦粉.

表1 瀝青技術指標試驗結果

試驗瀝青混合料為AC－13，級配組成采用《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50－2006）推薦中值.在標準馬歇爾試驗的基礎上，兼顧西藏地區(qū)特殊的氣候條件與交通狀況，確定了SBR改性AC－13瀝青混合料的最佳油石比為5.5%.

本文在參考國內相關凍融循環(huán)試驗條件的基礎上，依據(jù)青藏公路實際條件自行制定試驗方法.青藏公路沿線氣象資料表明，年平均最低氣溫為－14.5～－17.4℃，最高氣溫為6.8～8.1℃，5～8月有較短的正溫環(huán)境，但最低溫度仍低于0℃；晝夜溫差可達23～26℃［5］.為此，本文提出凍融循環(huán)試驗中，凍結時利用塑料袋將試件密封，并在塑料袋中注水30mL，凍結溫度（－25±1）℃，凍結時間12h；融化時將試件直接放入恒溫水浴，融化溫度（25±1）℃，融化時間12h；利用低溫冷凍箱與恒溫水浴模擬凍融作用［6－7］.利用馬歇爾標準擊實法成型試件，利用電子萬能試驗機進行試驗，計算機自動采集數(shù)據(jù)，溫度控制裝置為環(huán)境箱，溫控精度±0.1℃，試驗溫度為25℃，加載速率為50mm／min.試驗結果見表1.

2 劈裂抗拉強度分析

最佳油石比5.5%對應的瀝青混合料經歷不同次數(shù)凍融循環(huán)作用后，其結果見圖1，2.

圖1 劈裂抗拉強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

圖2 劈裂抗拉強度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

由圖1，2可見，瀝青混合料的劈裂抗拉強度隨凍融循次數(shù)的增加均呈減小趨勢；最初幾次凍融循環(huán)作用混合料的劈裂抗拉強度下降明顯，在經歷大約9次凍融循環(huán)作用后，混合料劈裂抗拉強度衰減趨勢減小，在9～15次凍融循環(huán)后，瀝青混合料劈裂抗拉強度衰減趨勢逐漸趨于平緩.瀝青混合料劈裂抗拉強度主要由粗集料的骨架作用和瀝青膠漿的粘結作用共同構成.混合料在飽水凍融循環(huán)作用下，試件內部空隙將進入水分，水結冰后體積增大，產生較大的膨脹力；在反復凍融循環(huán)作用下，瀝青與集料的粘結力衰減較快，從而最初幾次凍融循環(huán)過程中混合料的劈裂抗拉強度下降較快［8］.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混合料內部孔隙變大，結構將變得松散容易脫落，使外界水分容易進入瀝青膜內部，減弱瀝青膜與集料的粘結力，使瀝青膠漿對混合料劈裂抗拉強度的貢獻減小.

為了直觀表征凍融循環(huán)作用對瀝青混合料劈裂抗拉特性的影響，本文提出瀝青混合料劈裂抗拉強度損失率，即未凍融和凍融循環(huán)后混合料的劈裂抗拉強度差值與未凍融混合料劈裂抗拉強度的比值.不同油石比瀝青混合料劈裂抗拉強度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，變化趨勢與劈裂抗拉強度變化相對應，經歷9～15次凍融循環(huán)后混合料劈裂抗拉強度損失率變化趨于穩(wěn)定.

瀝青混合料分別在油石比4.5%，5.0%，5.5%，6.0%和6.5%下進行劈裂試驗，試驗結果見圖3，4.

圖3 劈裂抗拉強度與油石比的關系

圖4 劈裂抗拉強度損失率與油石比的關系

由圖3，4可見，最佳油石比5.5%對應的混合料，未凍融與凍融作用后的劈裂抗拉強度均為最優(yōu).隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加，混合料劈裂抗拉強度衰減，當混合料經歷30次凍融循環(huán)作用后，油石比4.5%的混合料劈裂抗拉強度降低了0.15MPa，劈裂抗拉強度損失率為26.8%；油石比6.5%的混合料劈裂抗拉強度降低了0.08 MPa，劈裂抗拉強度損失率為14%，說明油石比較大的混合料經歷凍融循環(huán)作用后劈裂抗拉強度的衰減幅度較小.

油石比的大小與混合料的空隙率密切相關.隨著油石比的增大，結構瀝青逐漸形成，瀝青充分地粘附于礦料表面，使瀝青與礦料之間的粘附力隨著油石比的增大而增大，混合料的劈裂抗拉強度在最佳油石比5.5%達到峰值，經歷多次凍融循環(huán)作用后，最佳油石比對應的混合料的劈裂抗拉強度仍為最優(yōu).此后，混合料空隙率隨油石比增大而減小，自由瀝青逐漸增多，成為礦料發(fā)生位移滑動的潤滑劑，使劈裂抗拉強度減小.混合料空隙較小時，使飽水后進入混合料內部空隙的水分難以遷出，經過數(shù)次凍融循環(huán)作用使其劈裂抗拉強度減小，但減小幅度小于油石比較大的混合料［9－10］.

3 破壞拉伸應變分析

最佳油石比5.5%對應的混合料破壞拉伸應變隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見圖5，破壞拉伸應變隨油石比的變化見圖6.

圖5 破壞拉伸應變與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

圖6 破壞拉伸應變與油石比的關系

由圖可見，瀝青混合料破壞拉伸應變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，經歷9～15次凍融循環(huán)后，混合料破壞拉伸應變增長趨勢減小.從破壞拉伸應變隨油石比變化關系可見，未凍融的瀝青混合料破壞拉伸應變隨油石比的增加而增大；當混合料經歷30次凍融循環(huán)作用后，破壞拉伸應變隨油石比的變化幅度減小，破壞拉伸應變差值只有0.43.隨著油石比的增大，未凍融混合料與經歷30次凍融循環(huán)混合料的破壞拉伸應變差值逐漸減小，破壞拉伸應變差值由油石比4.5%時的2.98減小到油石比6.5%的1.14.

瀝青混合料的破壞拉伸應變除了與混合料中瀝青和細集料的變形有關，與粗集料骨架的變形也有一定的關系.瀝青混合料為多孔材料，在飽水凍結時，由于凍脹壓力作用，使混合料空隙開口結構被撐大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混合料內部空隙大小、結構均發(fā)生變化，影響粗集料相互嵌擠，混合料在劈裂破壞時骨架變形增大［11］.從而使混合料經歷凍融循環(huán)作用后，其破壞拉伸應變反而出現(xiàn)增長的變化趨勢.此外，凍水滲透壓力會破壞集料表面的結構瀝青，使得混合料內集料之間的粘結力下降，使結構瀝青對整個粗集料骨架的約束作用減小.

4 破壞勁度模量分析

最佳油石比5.5%對應的混合料破壞勁度模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見圖7，破壞勁度模量隨油石比的變化見圖8.

圖7 破壞勁度模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

圖8 破壞勁度模量與油石比的關系

由圖可見，瀝青混合料破壞勁度模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，經歷9～15次凍融循環(huán)后，混合料破壞勁度模量衰減趨勢減小.從破壞勁度模量隨油石比變化可見，未凍融瀝青混合料破壞勁度模量隨油石比呈近似下拋物線變化，當油石比大于5.0%后，混合料破壞勁度模量減小趨勢明顯；當混合料經歷30次凍融循環(huán)作用后，破壞勁度模量隨油石比的變化仍呈下拋物線變化，在油石比6.0%時最大.其次，隨著油石比的增大，未凍融混合料與經歷30次凍融循環(huán)混合料的破壞拉伸應變差值逐漸縮小，破壞勁度模量差值由油石比4.5%時的87.6MPa減小到油石比6.5%的25MPa.

5 結 論

1）瀝青混合料的劈裂抗拉強度、破壞勁度模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈減小趨勢，最初凍融循環(huán)作用使混合料的性能衰減較快，經歷9～15次凍融循環(huán)后混合料性能衰減趨于平緩；混合料破壞拉伸應變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈增大趨勢；凍融循環(huán)作用對混合料的劈裂性能影響明顯.

2）油石比對瀝青混合料的劈裂抗拉強度、破壞拉伸應變、破壞勁度模量影響明顯；油石比較大的瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下，劈裂抗拉強度與破壞勁度模量衰減較??；最佳油石比5.5%對應的混合料劈裂抗拉強度與破壞勁度模量較好.

3）在高原寒冷地區(qū)特殊氣候條件下，采用AC－13骨架密實結構的瀝青混合料，最佳油石比為5.5%或適當增加油石比可以提高瀝青混合料凍融循環(huán)作用下的劈裂性能，減輕面層低溫縮裂病害.

［1］馬 骉，韋佑坡，王 磊，等.高原寒冷地區(qū)瀝青混合料彎拉特性分析［J］.公路交通科技，2010，27（3）：44－48.

［2］侯曙光，李志棟，黃曉明，等.利用凍融飛散試驗進行瀝青混合料抗凍性能評價［J］.公路交通科技，2006（2）：7－10.

［3］苗英豪，王秉綱，李 超，等.中國公路瀝青路面水損害氣候影響分區(qū)方案［J］.長安大學學報：自然科學版，2008（1）：26－30.

［4］張 倩，李創(chuàng)軍.瀝青混合料凍融劈裂微觀結構損傷特性分析［J］.公路交通科技，2010（2）：6－9.

［5］國家氣象局數(shù)據(jù)中心.五道梁、沱沱河、安多地區(qū)地面氣象資料三十年數(shù)據(jù)匯編［G］.北京：國家氣象局數(shù)據(jù)中心，2003.

［6］潘寶峰，王哲人，陳靜云.瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能的試驗研究［J］.中國公路學報，2003，16（2）：1－4.

［7］陸學元，孫立軍.AC－13改性瀝青混合料劈裂強度的影響因素及其與馬歇爾性能指標的相關性［J］.吉林大學學報：工學版，2010，40（3）：676－682.

［8］譚憶秋，趙立東，藍碧武，等.瀝青混合料凍融損傷模型及壽命預估研究［J］.公路交通科技，2011（6）：1－7.

［9］姚莉莉，王選倉.瀝青混合料劈裂試驗的擴展有限元法數(shù)值模擬［J］.武漢大學學報：工學版，2011，44（6）：748－751.

［10］何昌軒.級配和壓實次數(shù)對瀝青混合料性能的影響分析［J］.武漢理工大學學報，2011（11）：49－54.

［11］彭 勇，孫立軍.空隙率對瀝青混合料性能影響［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（5）：826－829.