多次凍融循環(huán)對瀝青混合料性能影響研究

穆勇攀

摘要：在我國北方寒冷地區(qū)或南方部分地區(qū)遭遇突變天氣時，路面材料長時間處于低溫冰凍狀態(tài)及溫度交替變化過程中，凍融損壞現(xiàn)象較為普遍。本文通過試驗確定了室內(nèi)凍融循環(huán)試驗方案，分析了凍融O次、5次、10次、15次、20次后瀝青混合料的空隙率、抗壓強度和凍融劈裂強度的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；凍融循環(huán)；空隙率；抗壓強度；殘留穩(wěn)定度

引言

目前。瀝青路面的早期損害現(xiàn)象仍然十分嚴重。一般認為疲勞開裂、車轍和低溫開裂是導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞的最主要形式。這些損壞均與水、溫度的作用有直接關(guān)系。

有水條件下凍融循環(huán)對瀝青混合料陛能影響的實質(zhì)。一是由于水分侵蝕引起路面結(jié)構(gòu)與材料本身的損害：二是溫度交替變化頻繁。低溫開裂和因低溫引起的水分遷移積聚和凍結(jié)對瀝青混合料性能影響較為嚴重。

1.室內(nèi)試驗方案

本次試驗中所采用的瀝青為中海油泰州SBS（I-D）改性瀝青，其常規(guī)指標如表1-1所示，其技術(shù)指標滿足規(guī)范要求?；旌狭项愋蜑锳C-13型。礦料均采用石灰?guī)r碎石。

為縮短試驗周期。短時間內(nèi)模擬出混合料受凍融循環(huán)的影響?？紤]到在凍融循環(huán)中低溫冰凍和溫度變化率是影響瀝青混合料性能的主要因素。因此將冰凍溫度設(shè)定為-20℃。融化溫度設(shè)定為60℃。為確定凍融時間及混合料內(nèi)部溫度變化率。對標準試件進行了溫度測試。靜壓成型100xl00nml的圓柱體試件。在試件內(nèi)部中心位置預(yù)埋PT100溫度感應(yīng)器。先將恒溫箱恒溫至一20℃。然后將室溫下試件放人恒溫箱。約1.5小時后試件內(nèi)部溫度降至目標溫度-20℃。繼續(xù)恒溫冰凍約4.5小時。即控制冰凍總時間6h；然后將試件移至60℃水浴箱中。經(jīng)過約30min后試件中心溫度升至60℃。繼續(xù)恒溫約3.5h。即控制水浴融化總時間約4h。至此1次凍融循環(huán)完成。

試驗結(jié)果得出四組平行試驗的結(jié)果較一致。將曲線斜率定義為在該環(huán)境下試件的溫度變化速率。通過曲線擬合可得降溫速率與升溫速率。所得溫度變化速率足以模擬實際中大幅度降溫或溫度驟降的變化速率。因此。凍融循環(huán)試驗方法確定為：將標準圓柱體試件飽水后。按上述凍融循環(huán)制度進行反復(fù)凍融。本文中循環(huán)次數(shù)為0、5、10、15、20次。

2.空隙率變化分析

空隙率是影響路面性能的重要因素。直接影響瀝青路面質(zhì)量；根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程（JTJ052-2000），利用表干法測量了不同凍融次數(shù)后同個試件的密度大小。根據(jù)規(guī)程中的計算公式得出空隙率：當凍融次數(shù)分別為0、5、10、15、20時：（1）1#試件對應(yīng)的空隙率分別為3.49、4.14、4.13、4.21、4.14；（2）2#試件對應(yīng)的空隙率分別為3.96、4.90、5.24、5.33、5.25；（3）3#試件對應(yīng)的空隙率分別為3.39、4.53、4.66、4.80、4.67；（4）4#試件對應(yīng)的空隙率分別為3.77、4.71、4.92、5.21、5.38：（5）5#試件對應(yīng)的空隙率分別為3.52、3.93、4.16、4.18、4.11；（6）6#試件對應(yīng)的空隙率分別為3.99、4.84、4.86、4.85、4.78。

由空隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線可以看出。在凍融次數(shù)小于10次時?？障堵蚀蟛糠衷鲩L接近1%。增長幅度約20%～25%；當凍融次數(shù)大于10次時。空隙率變化趨勢較為平穩(wěn)。未隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而有明顯變化。在凍融初期空隙率變大的原因是：一是瀝青混合料是多相復(fù)合材料，各種材料的溫縮持性差異較大。在溫度變化時。各材料隨溫度升降而發(fā)生的體積縮脹不同。會使材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致不均勻變形。從而使混合料空隙率變大。二是試件內(nèi)部本身存在較為薄弱的部位或是部分未連通的微小孔隙。在水分和凍融作用下。試件內(nèi)部薄弱部位松散或微小孔隙連通導(dǎo)致空隙率增大。

3.抗壓強度變化分析

根據(jù)試驗規(guī)程對凍融循環(huán)后的試件進行了抗壓強度試驗。在本試驗中。每一個凍融循環(huán)次數(shù)下，有效試件不小于3個。以平行試驗測定值的平均值作為試驗結(jié)果。根據(jù)公式計算出各個凍融次數(shù)后試件的抗壓強度，將試驗結(jié)果列于如下：當凍融次數(shù)分別為：0、5、10、15、20時；試驗相對應(yīng)的試件數(shù)量分別為：7、3、3、3、3；變異系數(shù)cv（%）為：15.3、7.2、11.1、7.2、6.6；最大破壞荷載平均值24.76、19.87、18.57、14.73、14.5；抗壓強度平均值3.15、2.53、2.37、1.88、1.85。

由試驗結(jié)果可看出。瀝青混合料抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而下降。在凍融次數(shù)小于15次時。抗壓強度隨凍融次數(shù)的增加而明顯下降。但凍融次數(shù)大于15次后?？箟簭姸扔众呌诜€(wěn)定。

4.水穩(wěn)定性

在本文中。先將瀝青混合料按前述凍融方法進行0次、5次、10次凍融，然后在按照規(guī)定進行穩(wěn)定度試驗。試驗結(jié)果如下：（1）試件1。穩(wěn)定度為13.413。浸水穩(wěn)定度為11.943，凍融5次后穩(wěn)定度為10.911。凍融10次后穩(wěn)定度為9.923；（2）試件2分別為13.413、11.943、10.911、9.923；（3）試件1和2的均值分別為13.413、11.943、10.911、9.923；（4）殘留穩(wěn)定度分別為95.9%、88.8%、82.0%；由試驗結(jié)果可知，瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度隨著凍融次數(shù)的增加而減小。說明瀝青混合料的穩(wěn)定度受凍融影響明顯。凍融作用使得瀝青混合料的穩(wěn)定度減小。因此。凍融尤其是反復(fù)凍融作用會降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性。