凍融循環(huán)對瀝青混合料力學(xué)性能的影響

李兆生，譚憶秋，吳思剛，楊福祺

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090)

季凍區(qū)在我國有較大的面積分布，遍及我國北方10余個省，占國土面積的50%以上。季凍區(qū)持續(xù)低溫、劇烈的凍融循環(huán)及大的溫差等惡劣自然條件對瀝青路面的正常使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響，季凍區(qū)的瀝青路面經(jīng)常出現(xiàn)開裂嚴(yán)重、使用壽命短等問題。

季節(jié)性冰凍地區(qū)，一年之內(nèi)會經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用。其中既包括短期高頻率凍融循環(huán)，也包括一年乃至數(shù)年內(nèi)的凍融大循環(huán)。對于瀝青混合料來說，凍融作用將對其路用性能產(chǎn)生較大的影響［1-3］。瀝青與集料界面間的粘結(jié)力是影響混合料性能的主要因素，界面粘結(jié)力的影響因素除材料自身特性外，外界環(huán)境特別是水分的影響尤其重要。水對瀝青混合料性能的影響除了對瀝青膜的置換作用之外，在季凍區(qū)還存在水分相態(tài)變化導(dǎo)致的混合料的凍融損傷［4-5］。在凍融循環(huán)的多次作用下，瀝青混凝土的性能將迅速衰減，導(dǎo)致在施工完成幾年后就出現(xiàn)大規(guī)模的早期損害現(xiàn)象［6-10］。

本文按照《公路工程瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ 052-2000)中“瀝青混合料凍融劈裂試驗”(T0729-2000)方法對試件進行快速凍融:在98.3～98.7 kPa的真空條件下飽水15 min，然后在-18℃下冷凍16 h，最后在60℃水中保溫24 h，作為一次凍融循環(huán)。對比分析了凍融循環(huán)作用對瀝青混合料力學(xué)性能的影響。

1 原材料性質(zhì)及配合比設(shè)計

1.1 原材料性質(zhì)

瀝青采用70號基質(zhì)瀝青，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。粗集料及礦粉的主要技術(shù)指標(biāo)如表2及表3所示。主要材料的技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Asphalt technical index

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)Table 2 Coarse aggregate technical index

表3 礦粉技術(shù)指標(biāo)Table 3 Mineral powder technical index

1.2 配合比設(shè)計

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)，采用馬歇爾設(shè)計方法進行AC-16瀝青混合料的配合比設(shè)計。級配曲線及最終的設(shè)計結(jié)果如圖1及表4所示。

圖1 級配曲線Fig.1 Grading curve

表4 配合比設(shè)計結(jié)果Table 4 Design of mixture ratio

2 凍融循環(huán)對瀝青混合料高溫性能的影響

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度

經(jīng)過規(guī)定次數(shù)的凍融循環(huán)后，將試件放入60℃的恒溫水槽內(nèi)保溫30～40 min，然后測定其穩(wěn)定度。穩(wěn)定度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，隨著凍融次數(shù)的增加，穩(wěn)定度呈線性下降的趨勢。凍融16次之后的殘留穩(wěn)定度為83.4%，說明凍融循環(huán)對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的影響較大。

圖2 穩(wěn)定度隨凍融次數(shù)的變化Fig.2 Stability changes with freezing and thawing numbers

2.2 劈裂蠕變

瀝青混合料具有明顯的粘彈性性質(zhì)，其主要表現(xiàn)為在高溫情況下具有明顯的蠕變行為。通過高溫蠕變速率來評價瀝青混合料的高溫抗變形能力。

蠕變速率是單位應(yīng)力作用下，變形等速增長的穩(wěn)定期內(nèi)，單位時間內(nèi)應(yīng)變的增加值。蠕變速率與蠕變曲線穩(wěn)定變形段的變形發(fā)展速率有關(guān)，能夠反應(yīng)載荷作用下瀝青混合料抵抗變形的能力。蠕變速率的計算公式為

式中:σ0為試件的彎拉應(yīng)力，MPa;t1、t2為蠕變穩(wěn)定期直線段、起點及終點的時間，s;ε1、ε2為對應(yīng)于時間t1、t2時的蠕變應(yīng)變;εs為試件的蠕變速率，1/(s·MPa-1)。

對凍融處理的試件進行劈裂蠕變試驗，試驗溫度為45℃。采用了 3個應(yīng)力水平，分別為 0.02、0.03、0.04 MPa。不同應(yīng)力水平情況下，混合料試件凍融前后的蠕變曲線如圖3所示。

圖3 不同應(yīng)力水平下的蠕變曲線Fig.3 The creep curves under different stress levels

從圖3中可以看出，蠕變曲線可以明顯的分為3個階段:1)遷移期，蠕變變形在加載瞬間迅速增大，但蠕變速率隨時間增加迅速減小;2)穩(wěn)定期，蠕變變形呈線性穩(wěn)定增長，蠕變速率基本保持不變;3)破壞期，蠕變變形和蠕變速率均迅速增大，直至試件破壞。對比凍融前后的蠕變曲線可知，凍融后蠕變曲線的穩(wěn)定階段明顯減小，試件很快進入破壞期，說明凍融對試件產(chǎn)生了一定的損傷。

不同應(yīng)力水平下，凍融前后的蠕變速率如圖4所示。從圖上可以看出，凍融前后試件的蠕變速率都隨著應(yīng)力水平的增加而增大。而在相同的應(yīng)力水平下，在應(yīng)力水平為0.02 MPa時，凍融后與凍融前的試件相比，蠕變速率增加了1倍;在應(yīng)力水平為0.03 MPa時，凍融后蠕變速率增加了1.3倍;在應(yīng)力水平為0.04 MPa時，凍融后蠕變速率增加了2.5倍。說明凍融循環(huán)降低了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，同時還增加了高溫穩(wěn)定性對應(yīng)力水平的敏感性。

圖4 不同初始應(yīng)力下的蠕變速率Fig.4 Creep rate of different initial stresses

3 凍融循環(huán)對瀝青混合料強度和模量的影響

凍融循環(huán)作用會在瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生損傷，進而會影響到瀝青混合料的力學(xué)性能。通過凍融循環(huán)后瀝青混合料抗壓強度及回彈模量變化，研究凍融循環(huán)過程中瀝青混合料力學(xué)性能的損傷機理。

在凍融循環(huán)作用下，瀝青混合料內(nèi)部會出現(xiàn)損傷，隨著損傷的不斷發(fā)展，會導(dǎo)致其力學(xué)性能發(fā)生相應(yīng)的變化。因此可以通過測試凍融過程中，試件力學(xué)性能指標(biāo)的變化來表征材料內(nèi)部的損傷程度。由損傷力學(xué)可知［8］，損傷變量為

式中:E(n)為凍融n次后的抗壓強度或彈性模量;E0為未凍融試件的抗壓強度或彈性模量。

3.1 抗壓強度及回彈模量

經(jīng)過規(guī)定的循環(huán)次數(shù)后，測定試件的抗壓強度及回彈模量，試驗溫度為20℃?？箟簭姸?、回彈模量及相應(yīng)的損傷變量隨凍融次數(shù)的變化如圖5所示。

由圖5可知，抗壓強度及回彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。而相應(yīng)的損傷變量隨著凍融次數(shù)的增加而增大。這是由于瀝青混合料在凍脹力的作用下，內(nèi)部出現(xiàn)了微觀裂紋，微觀裂紋在反復(fù)的凍脹力作用下，進一步的延伸擴展，引起瀝青混合料的損傷逐步積累，導(dǎo)致瀝青混合料的粘結(jié)力及內(nèi)磨阻力均呈現(xiàn)下降的趨勢，引起瀝青混合料力學(xué)性能的衰減，使得混合料的剛度和強度均隨之降低。凍融循環(huán)作用4次之后，瀝青混合料的力學(xué)性能衰變較快，而在12次凍融循環(huán)后，抗壓強度和回彈模量的變化都趨于穩(wěn)定。

圖5 抗壓強度與回彈模量(20℃)Fig.5 Compressive strength and resilient modulus(20℃)

3.2 劈裂強度及勁度模量

凍融循環(huán)作用后瀝青混合料的劈裂強度、勁度模量及相應(yīng)的損傷變量隨凍融次數(shù)的變化如圖6所示。

由圖6可以看出，瀝青混合料的低溫劈裂強度和勁度模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，而損傷變量隨著凍融次數(shù)的增加而增大。根據(jù)損傷變量隨凍融次數(shù)的變化曲線特點，可將瀝青混合料的凍融損傷過程劃分為3個階段:1)快速損傷期，損傷變量隨凍融次數(shù)的增加迅速增大。此時進入到瀝青混合料內(nèi)部的水滯留在材料內(nèi)部，凍脹使材料內(nèi)部由無裂縫狀態(tài)迅速產(chǎn)生微裂紋，從而引起材料力學(xué)性能衰減較快。2)穩(wěn)定損傷期，損傷變量隨凍融次數(shù)的增加基本保持不變。此時在迅速增大在凍脹力的作用下，材料內(nèi)部的微裂紋進一步擴展，形成了一定數(shù)量的連通孔隙，對凍脹力有一定的消散作用，材料的損傷發(fā)展較為平穩(wěn)。3)損傷發(fā)展期，損傷變量隨凍融次數(shù)的增加進一步增大。此時隨著凍融的進一步延續(xù)，形成了更多的連通孔隙，材料內(nèi)部的微裂紋進一步的擴展，引起材料的損傷加劇。通過分析可知，減少瀝青混合料水分的進入，嚴(yán)格控制瀝青混合料的剩余孔隙率，保證瀝青路面的壓實度要求，增加路面的密水性，可以有效控制凍融損害的發(fā)生。

圖6 劈裂強度與勁度模量(－10℃)Fig.6 Cleavage strength and stiffness modulus(－10℃)

4 凍融循環(huán)對瀝青混合疲勞性能影響

疲勞破壞是瀝青路面的主要破壞模式之一，瀝青路面的疲勞破壞問題一直是道路工程領(lǐng)域的研究重點。目前的疲勞研究主要是基于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計要求的層面上，疲勞研究的目的主要是提出路面設(shè)計的預(yù)估模型。目前對于凍融循環(huán)后瀝青混合料的疲勞性能研究較少。在季凍區(qū)，瀝青路面的疲勞特性與常規(guī)情況下表現(xiàn)出很大的不同，抗疲勞性能下降的更快。因此分析凍融循環(huán)后瀝青混合料的疲勞特性，研究季凍區(qū)的瀝青混合料疲勞規(guī)律顯得尤為重要。

對凍融循環(huán)作用后的試件進行疲勞試驗。疲勞試驗溫度為15℃，加載頻率為10 Hz。采用應(yīng)力控制方式的疲勞試驗，加載波形為正弦波，最小荷載為最大荷載的3%。在疲勞試驗前，以最小荷載對試件進行 20 s的預(yù)壓。應(yīng)力水平分別為 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 這 5 個等級。

瀝青混合料疲勞應(yīng)力與疲勞壽命一般滿足如下關(guān)系式:

式中:N為疲勞壽命;σ為拉應(yīng)力;K、n為待定系數(shù)。

通過應(yīng)力控制模式下的疲勞試驗，得到不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命。通過擬合可以得到式(3)疲勞方程中的系數(shù)K和n。參數(shù)K和n值反映了材料的疲勞特性。n值的大小反映了材料疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度，n值越大疲勞曲線越陡，說明材料的疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化越敏感;K值反映了材料的抗疲勞性能的強弱，K值越大疲勞曲線的線位越高，說明材料的抗疲勞性能越好。

凍融作用前后試件疲勞試驗擬合結(jié)果如圖7所示。凍融前后的K值分別為 664.37、480.04，凍融后的K值降低了，說明凍融作用后瀝青混合料的抗疲勞性能降低了;凍融前后的n值分別為3.191 2、3.310 8，凍融后的n值增大了，說明凍融作用后瀝青混合料的疲勞壽命對應(yīng)力水平更為敏感?？傊捎趦鋈谘h(huán)引起的材料內(nèi)部損傷，導(dǎo)致了瀝青混合料的抗疲勞性能有所下降。

圖7 凍融前后瀝青混合料疲勞特性Fig.7 Asphalt mixture fatigue characteristics before and after freezing and thawing

5 結(jié)論

1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，馬歇爾穩(wěn)定度呈線性下降的趨勢。蠕變試驗表明，凍融循環(huán)作用后瀝青混合料穩(wěn)定蠕變期的蠕變速率增大，穩(wěn)定期變短，并且凍融循環(huán)增加了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性對應(yīng)力水平的敏感性，凍融作用后其高溫性能變差。

2)瀝青混合料的抗壓強度及回彈模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，相應(yīng)的損傷變量隨著凍融次數(shù)的增加而增大;低溫劈裂強度和勁度模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，損傷變量隨凍融次數(shù)的增加大致分為快速損傷期、穩(wěn)定損傷期及損傷發(fā)展期3個階段。

3)對比分析了凍融前后瀝青混合料的疲勞性能，得到了疲勞方程。凍融作用后，瀝青混合料的抗疲勞性能降低，疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化更為敏感。

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