凍融循環(huán)條件下的瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)

李 萍，劉 洋，念騰飛，吳 中，2，毛 昱

（1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.青海公路科研勘測(cè)設(shè)計(jì)院，青海西寧810001）

凍融循環(huán)條件下的瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)

李 萍1，劉 洋1，念騰飛1，吳 中1，2，毛 昱1

（1.蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730050；2.青海公路科研勘測(cè)設(shè)計(jì)院，青海西寧810001）

在－20～20℃的凍融循環(huán)條件下，利用自行設(shè)計(jì)的半圓彎拉試驗(yàn)，研究了分別進(jìn)行0，6，12和18次凍融循環(huán)后，SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w（SBS））分別為0，4%，5%和6%的瀝青混合料AC 16，AC 20和SMA 16的層底抗拉強(qiáng)度和抗拉應(yīng)變的影響.結(jié)果表明：凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨w（SBS）的增加，瀝青混合料的層底抗拉強(qiáng)度和抗拉應(yīng)變先逐漸增大再逐漸減?。划?dāng)w（SBS）為5%時(shí)，3種級(jí)配瀝青混合料均表現(xiàn)良好的層底抗拉強(qiáng)度和抗拉應(yīng)變；AC類瀝青混合料的層底抗拉強(qiáng)度和抗拉應(yīng)變均優(yōu)于SMA類；季節(jié)性冰凍區(qū)采用w（SBS）為5%的AC 16瀝青混合料可更好地減緩路面開裂.

瀝青混合料；凍融循環(huán)；半圓彎拉試驗(yàn)；抗拉強(qiáng)度；抗拉應(yīng)變

瀝青混凝土路面的凍融破壞是季凍區(qū)常見的道路病害現(xiàn)象［1］.這是因?yàn)橐环矫鏋r青路面面層直接暴露在空氣中，在承受行車荷載的同時(shí)，還承受著溫度荷載的作用，瀝青面層內(nèi)部隨氣溫下降而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)瀝青面層的應(yīng)力松弛特性低于應(yīng)力增長(zhǎng)速度，由此造成的路面損傷將逐漸積累，直至超過瀝青混合料極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，瀝青面層發(fā)生開裂［2］；另一方面，瀝青路面在凍融循環(huán)作用下，進(jìn)入路面空隙中的水分將產(chǎn)生動(dòng)水壓力或真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)作用，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料凍融后內(nèi)部空隙體積增大，承載力下降，由最初混合料內(nèi)部的微損傷逐漸發(fā)展為混合料的松散、開裂等破壞.由凍融作用引起的瀝青路面破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了季凍區(qū)瀝青路面的使用性能和壽命，如何準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)凍融循環(huán)作用對(duì)瀝青混合料彎拉特性的影響是目前亟待解決的問題.現(xiàn)階段，路面工程師和研究人員在評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，均廣泛采用間接拉伸試驗(yàn).而間接拉伸試驗(yàn)又存在許多不足，如：試件中部拉應(yīng)力分布不均勻；加載過程中，上下壓頭處常產(chǎn)生應(yīng)力集中造成試件局部破壞，導(dǎo)致提前結(jié)束試驗(yàn)；試驗(yàn)破壞過程中，塑性變形過大，背離了間接拉伸試驗(yàn)中關(guān)于試件的彈性變形方式及力學(xué)分析模式，沒有真正地反映混合料抗拉性能等［3］.目前，國(guó)外普遍采用SCB試驗(yàn)對(duì)多種成型方法的瀝青混合料進(jìn)行分析和評(píng)價(jià).SCB試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)如下：試件制備容易，破壞以拉伸為主，可以較好地評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗拉性能［4－5］.在低溫狀態(tài)時(shí)，對(duì)于我國(guó)廣泛使用的半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，下面層本身常常存在反射裂縫，SCB試驗(yàn)可以更好地評(píng)價(jià)存在反射裂縫的瀝青混凝土路面的抗裂性能.

為此，本研究在參考前人成果的基礎(chǔ)上，模擬瀝青路面在季凍區(qū)的凍融情況，以凍融循環(huán)條件下的SCB試驗(yàn)結(jié)果來分析瀝青混合料層底抗拉強(qiáng)度、層底抗拉應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)、級(jí)配類型及SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律，為研究瀝青混合料的抗低溫開裂能力、抗疲勞性能和瀝青路面的設(shè)計(jì)、施工提供一定參考.

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

選用的粗細(xì)集料均來自甘肅永靖采石場(chǎng).礦粉來自甘肅省蘭州市永登通溝灣水泥廠生產(chǎn)的石灰?guī)r質(zhì)礦粉.集料按照J(rèn)TG E42—2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》的規(guī)定進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求.瀝青為90號(hào)埃索石油瀝青，依據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)檢測(cè)指標(biāo)均符合JTG F40—2004規(guī)定的要求.監(jiān)測(cè)結(jié)果及指標(biāo)見表1.外加劑是由燕山石化公司通過陰離子聚合方法制得的線性熱塑性丁苯橡膠（SBS改性劑），經(jīng)檢測(cè)其密度為0.78 g·cm－3，粒徑為3～6 cm，熔點(diǎn)為146℃.

表1 90號(hào)埃索石油瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 級(jí)配類型

試驗(yàn)用瀝青混合料3種級(jí)配類型為AC 16，SMA 16和AC 20，級(jí)配組成見表2.通過馬歇爾試驗(yàn)，獲得3種級(jí)配類型的瀝青混合料體積指標(biāo)，計(jì)算得到三者的最佳油石比分別為4.7%，5.7%和4.4%.

表2 瀝青混合料級(jí)配組成

2 試件制備及試驗(yàn)方案

2.1 試件制備

試件采用大馬歇爾成型法，成型后為圓柱體試件，其直徑為150 mm，高度100 mm，再利用鉆芯取樣機(jī)，鉆取直徑100 mm、高100 mm的圓柱體試件.為保證混合料的均勻性，同時(shí)參考文獻(xiàn)［6］，可知半圓試件厚度為50 mm時(shí)，試驗(yàn)最能反映路面的真實(shí)受力情況.因此，將之前得到的圓柱體試件，用巖石切割機(jī)切割成2個(gè)高度50mm、直徑100mm的標(biāo)準(zhǔn)半圓試件（SCB試件），如圖1所示.

圖1 標(biāo)準(zhǔn)SCB試件

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)西北地區(qū)冬季平均氣溫均低于－10℃，青藏高原、祁連山和天山北疆地區(qū)均低于－15℃，年平均氣溫為0～12℃［7］，選定凍融循環(huán)試驗(yàn)溫度為－20～20℃.由于水損害是導(dǎo)致季節(jié)性冰凍地區(qū)瀝青混凝土路面早期破壞的主要原因，因此，結(jié)合JTG E20—2011，參考文獻(xiàn)［1］方法，首先將試件依次在水中浸泡不小于1 h；再將浸泡好的試件快速放置溫度為－20℃的冰箱中，冷凍不小于6 h，且完全結(jié)冰；隨后把冷凍好的試件取出，置于室溫高于20℃的室內(nèi)融化完全，作為本次試驗(yàn)的1次凍融循環(huán)；在規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)試驗(yàn)之后，將試驗(yàn)試件置于溫度15℃的烘箱保溫4 h；保溫后的試件置于長(zhǎng)沙亞星LQD 2型路基路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行試驗(yàn)，SCB試件支點(diǎn)間距為80 mm，規(guī)定加載速率為50 mm·min－1.試件加載裝置如圖2所示.

圖2 試件加載裝置

對(duì)外加劑SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，4%，5%，6%的3種瀝青混合料AC 16，AC 20和SMA 16，分別進(jìn)行0，6，12和18次凍融循環(huán)后，在溫度為15℃時(shí)進(jìn)行SCB試驗(yàn)，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次平行試驗(yàn).

2.3 結(jié)果處理方法

利用SCB試驗(yàn)系統(tǒng)收集的峰值壓力及與其對(duì)應(yīng)的撓度值，通過文獻(xiàn)［8］得到峰值壓力與試件層底抗拉強(qiáng)度、試件回彈模量之間的相互關(guān)系，通過文獻(xiàn)［9］得到的半圓試驗(yàn)豎向撓度與半圓彎曲試驗(yàn)層底抗拉強(qiáng)度與抗拉應(yīng)變的關(guān)系式，分別換算為本研究所需要的層底最大抗拉強(qiáng)度和層底最大抗拉應(yīng)變，即

式中：σt為試件層底抗拉強(qiáng)度，MPa；p為試件峰值荷載，N；t為試件厚度，mm；D為試件直徑，mm；ε為試件層底抗拉應(yīng)變；L為支座間距，mm；d為試件底部中心處撓度，mm.

3 結(jié)果與分析

3.1 SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

為研究SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)層底抗拉強(qiáng)度的影響，在不同凍融循環(huán)次數(shù)（0，6，12和18次）下，瀝青混合料SCB試驗(yàn)層底抗拉強(qiáng)度與SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系如圖3所示.

由圖3可知，在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，層底抗拉強(qiáng)度隨SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加呈拋物線變化，且在SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%附近出現(xiàn)最大值.由圖3a可知，在未受凍融循環(huán)影響的前提下，3種級(jí)配瀝青混合料在SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)的層底抗拉強(qiáng)度相近，均優(yōu)于未含SBS的瀝青混合料.由圖3b可知，3種級(jí)配瀝青混合料在SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，層底抗拉強(qiáng)度的關(guān)系為σtAC 16＞σtAC 20＞σtSMA 16，說明受凍融循環(huán)影響，集料由細(xì)到粗，由密級(jí)配到間斷級(jí)配，集料表面的比表面積逐漸減小，瀝青混合料層底抗拉強(qiáng)度逐漸降低.由圖3c，d可知，3種級(jí)配瀝青混合料在SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，層底抗拉強(qiáng)度關(guān)系為σtAC 16＞σtAC 20＞σtSMA 16，說明隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，AC 16仍表現(xiàn)出較好的抗拉性能.

為研究SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)層底抗拉應(yīng)變的影響，凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，6，12和18次時(shí)，層底抗拉應(yīng)變與SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線如圖4所示.

圖3 SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)與層底抗拉強(qiáng)度的關(guān)系曲線

圖4 SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)與層底抗拉應(yīng)變關(guān)系曲線

觀察圖4可以得出與圖3相似的結(jié)論，即在不同凍融循環(huán)次數(shù)下，層底抗拉應(yīng)變隨SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加呈拋物線變化，且均在SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%附近出現(xiàn)最大值.由圖4a可知，未經(jīng)凍融循環(huán)時(shí)，含有SBS改性劑的瀝青混合料層底抗拉應(yīng)變性能均優(yōu)于未含SBS改性劑瀝青混合料，且當(dāng)SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，AC 16的層底抗拉應(yīng)變是SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0時(shí)的1.3倍，AC 20的層底抗拉應(yīng)變是1.1倍，SMA 16的層底抗拉應(yīng)變是1.4倍.由圖4可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，不同級(jí)配瀝青混合料與未添加SBS改性劑的層底抗拉應(yīng)變相比，均有顯著提高.由此可知，AC類瀝青混合料較SMA類表現(xiàn)出了更好的層底抗拉應(yīng)變性能.

3.2 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

為研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)對(duì)層底抗拉強(qiáng)度的影響，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的瀝青混合料具有較好的抗拉性能.下面以SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的瀝青混合料為代表，進(jìn)行凍融循環(huán)次數(shù)影響的分析.當(dāng)SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，AC 16，AC 20和SMA 16的凍融循環(huán)次數(shù)與瀝青混合料SCB試驗(yàn)層底抗拉強(qiáng)度關(guān)系如圖5所示.由圖5可知：隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，3種級(jí)配瀝青混合料的層底抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì)，且凍融循環(huán)次數(shù)大于6時(shí)，層底抗拉強(qiáng)度下降趨勢(shì)較之前更快；SMA類瀝青混合料層底抗拉強(qiáng)度的下降趨勢(shì)更明顯；AC 16較AC 20而言，表現(xiàn)出更好的層底抗拉性能.

圖5 凍融循環(huán)次數(shù)與層底抗拉強(qiáng)度關(guān)系

為研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)對(duì)層底抗拉應(yīng)變的影響，探討SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，AC 16，AC 20和SMA 16的凍融循環(huán)次數(shù)與瀝青混合料SCB試驗(yàn)層底抗拉應(yīng)變的關(guān)系，如圖6所示.

圖6 凍融循環(huán)次數(shù)與層底抗拉應(yīng)變關(guān)系

由圖6可知：隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，層底抗拉應(yīng)變逐漸減??；凍融循環(huán)6～12次時(shí)層底抗拉應(yīng)變較0～6次時(shí)下降趨勢(shì)更快；不同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)，AC類瀝青混合料較SMA類層底抗拉應(yīng)變性能更好.

4 結(jié) 論

1）通過SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)SCB試驗(yàn)層底抗拉強(qiáng)度、層底抗拉應(yīng)變的影響分析發(fā)現(xiàn)：凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，層底抗拉強(qiáng)度、層底抗拉應(yīng)變先增大后減小；AC類瀝青混合料的層底抗拉強(qiáng)度、層底抗拉應(yīng)變均優(yōu)于SMA類；當(dāng)SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，AC 16，AC 20和SMA 16等3種級(jí)配瀝青混合料均表現(xiàn)出良好的層底抗拉強(qiáng)度和層底抗拉應(yīng)變.

2）通過凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)SCB試驗(yàn)層底抗拉強(qiáng)度、抗拉應(yīng)變的影響分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，3種級(jí)配瀝青混合料的層底抗拉強(qiáng)度、抗拉應(yīng)變均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，AC類瀝青混合料抵抗層底抗拉強(qiáng)度、抗拉應(yīng)變減小的力度較SMA類更強(qiáng).

3）在季節(jié)性冰凍地區(qū)，采用級(jí)配類型為AC 16、SBS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的瀝青混合料，能夠有效提高層底抗拉性能，減緩路面開裂.

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Sem i circular bending test of asphaltm ixture under freeze thaw cycles

LIPing1，LIU Yang1，NIAN Tengfei1，WU Zhong1，2，MAO Yu1
（1.School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou，Gansu 730050，China；2.Qinghai Highway Research Institute of Survey and Design，Xi′ning，Qinghai810001，China）

At the temperature range from－20 to 20℃under freeze thaw cycles，the semi circular bending test（SCB test）was designed.Three kinds of asphaltmixture of AC 16，AC 20 and SMA 16 were prepared with respective SBS content of 0，4%，5%and 6%.The effects of SBS content on bottom layer tensile strength and tensile strain were analyzed for0，6，12 and 18 times of freeze thaw cycles.The experimental results show that for the same freeze thaw cycles，with the increasing of SBS content，the tensile strength and the tensile strain at the bottom layer are gradually increased with latter decreasing.When the SBS content is 5%，3 kinds of asphaltmixture all show good bottom layer tensile strength and tensile strain.The bottom layer tensile strength and tensile strain of AC asphaltmixture are better than those of SMA asphaltmixture.In the seasonal freezing area，AC 16 asphaltmixture with SBS content of 5%can better alleviate the cracking of road surface.

asphalt mixture；freeze thaw cycle；semi circular bending test；tensile strength；tensile strain

10.3969／j.issn.1671－7775.2018.01.020

U414

A

1671－7775（2018）01－0120－05

李 萍，劉 洋，念騰飛，等.凍融循環(huán)條件下的瀝青混合料半圓彎拉試驗(yàn)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，39（1）：120－124.

2016－11－07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51668041，51108222）；甘肅省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（1504GKCA031）

李 萍（1972—），女，江蘇靖江人，教授，博士生導(dǎo)師（lzlgliping＠126.com），主要從事瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與新型材料功能特性研究.

劉 洋（1992—），男，山西太原人，碩士研究生（447946507＠qq.com），主要從事瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與新型材料功能特性研究.

（責(zé)任編輯 趙 鷗）