凍融作用下瀝青混合料抗反射開裂性能研究

翟瑞鑫， 郝培文， 李國鋒， 曾志武， 李文輝

(1.長安大學 道路結構與材料交通運輸行業(yè)重點實驗室， 陜西 西安 710064；2.云南省交通投資建設集團有限公司， 云南 昆明 650228)

中國季節(jié)性冰凍地區(qū)的瀝青路面由于遭受多次凍融循環(huán)作用，常出現(xiàn)開裂、水損害等損傷，因此凍融循環(huán)作用對瀝青路面性能的影響不容忽視.國內(nèi)外學者從瀝青膠結料、瀝青砂漿及瀝青混合料等多方面研究凍融循環(huán)對其性能的影響規(guī)律，但針對開級配瀝青混合料的研究較少.大粒徑透水瀝青混合料(LSPM)由較大單一粒徑集料和一定量細集料組成，其中最大一檔集料含量1)占50%以上，屬于“單粒徑骨架連通孔隙結構”[1]，設計空隙率(體積分數(shù))為13%～18%，兼具高模量和良好的排水性，同時具有較好的抗疲勞性能和抗反射開裂性能[2-4].

1)文中涉及的含量、比值等除特別說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.

本文采用Overlay tester(OT)試驗，對3種改性LSPM進行不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗，分析凍融循環(huán)次數(shù)、瀝青膠結料類型對LSPM抗反射開裂性能的影響，確定適用于OT試驗的LSPM性能評價指標，為LSPM是否適用于季凍區(qū)瀝青路面提供理論依據(jù).

1 試驗

1.1 原材料

采用70#基質(zhì)瀝青，分別摻入400μm(40目)和301μm(60目)橡膠粉(摻量均為21%)制備橡膠粉改性瀝青，分別記為XJ40和XJ60，其技術指標見表1.SBS改性瀝青，其技術指標均滿足規(guī)范要求，見表1.粗集料采用石灰?guī)r，細集料采用花崗巖，礦粉為石灰?guī)r礦粉.混合料類型為LSPM25，礦料級配組成如表2所示.制備XJ40，XJ60和SBS改性瀝青混合料，分別記為XJ40-m,XJ60-m,SBS-m，根據(jù)瀝青膜有效厚度和集料比表面積來確定瀝青用量，并采用馬歇爾試驗、析漏試驗與分散試驗驗證，最終確定最佳油石比均為4.1%，瀝青膜厚度為11.4μm.

1.2 試驗方法

OT試驗在美國德克薩斯州應用較多，主要用于測試瀝青加鋪層的抗反射開裂性能.測試時采用適量環(huán)氧樹脂將試件測試面粘貼在具有一定間隙的2塊鋼板上，其中一塊鋼板固定，另一塊鋼板可以在水平方向移動，用以模擬路面下層接縫或裂縫處由于溫度或荷載引起的反復閉合運動，2塊鋼板間距為 2mm.采用意大利MATEST公司生產(chǎn)的Overlay tester試驗儀，加載模式為循環(huán)三角形位移控制，每個加載周期為10s，最大水平拉伸位移為0.625mm[5]，試驗溫度為25℃，當試驗最大加載周期達到 1200 次或荷載損失率達到93%時停止試驗.

表1 改性瀝青技術指標

表2 LSPM25級配

通過旋轉壓實儀成型直徑為150mm，高度為62mm的試件，然后將試件上下端切除，使試件高度為 38mm，再將試件左右側切除使試件寬度為 75mm，最終得到尺寸為150mm×75mm×38mm的近似長方體OT試件；也可通過現(xiàn)場鉆芯取樣切割得到相應尺寸的OT試件.由于儀器所限及簡化試驗所需，本文采用車轍板切割成型相應尺寸的OT試件.試驗前試件在恒溫箱中保溫至少4h以使試件內(nèi)部溫度均衡，其余試驗過程嚴格按照德克薩斯州規(guī)范(TxDOT Designation:Tex-248-F)進行操作[6].

中國瀝青路面水損害氣候影響分區(qū)及易受冰凍影響地區(qū)的氣象資料顯示，冰凍地區(qū)年平均晝夜溫差一般為23～26℃[7].參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的凍融劈裂試驗方法，先對OT試件進行15min真空飽水，再將飽水試件放入塑料袋中并注入30mL左右的水，扎緊塑料袋，在-18℃條件下冷凍12h，冷凍結束后在25℃下放置12h，即完成1次凍融循環(huán).對試件分別進行0，5，10，15，20，25，30次凍融循環(huán)，試件完成規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)后靜置至干燥，用環(huán)氧樹脂將試件粘貼在OT試驗儀的鋼板上，用專用模具施壓并放置24h以上使環(huán)氧樹脂完全固化，隨后進行OT試驗直到結束.每種試驗方案至少進行5次平行試驗，優(yōu)選3個差異較小的數(shù)據(jù)，結果取平均值.

2 結果及分析

以試件XJ60-m經(jīng)20次凍融循環(huán)為例，圖1顯示了該試件的荷載損失率P與OT試驗加載次數(shù)N的關系.由圖1可知，試驗初期荷載損失較快，每個加載周期中的最大荷載急速下降，由于OT試驗采用位移控制加載模式，初始位移較大，因此試件在經(jīng)過幾十次加載后即產(chǎn)生裂縫，隨后裂縫逐漸進入穩(wěn)定擴展階段，荷載損失率隨加載次數(shù)增加幾乎呈線性緩慢增長，最大荷載緩慢減小，直到反射裂縫貫穿至試件頂部.德克薩斯州規(guī)范推薦采用荷載損失率和加載次數(shù)來評價瀝青混合料的抗反射開裂性能.本文選用荷載損失率P，加載次數(shù)N，總斷裂能G和加載第1周期最大荷載F對瀝青混合料在凍融作用下的抗反射裂縫性能進行評價，以提出適用于LSPM抗反射開裂性能的評價指標.

圖1 荷載損失率P與加載次數(shù)N的關系Fig.1 Load loss rate versus number of loading

采用最大荷載-加載次數(shù)曲線下的面積來計算試件的總斷裂能G，如圖2所示.圖2給出了試件的2種破壞狀況：曲線1[8]表明混合料初期開裂時最大荷載較大，但加載次數(shù)未達到1200次時荷載損失率已達到93%；曲線2為試件XJ40-m經(jīng)20次凍融循環(huán)后的結果，表明混合料初期開裂所需荷載較小，但試件經(jīng)過1200次加載循環(huán)后荷載損失仍未達到93%.由于OT試驗設置為當荷載損失率達到93%或加載次數(shù)達到1200時即停止試驗，曲線積分面積由加載次數(shù)N和最大荷載F決定，考慮到可能出現(xiàn)2種混合料總斷裂能相近但加載次數(shù)差異明顯的情況，只采用總斷裂能來評價試件抗反射裂縫性能并不理想，因此借鑒斷裂力學指標——容許斷裂應變(fracture strain tolerance)的概念，提出容許破壞次數(shù)J這一指標，定義J為總斷裂能G與加載第1周期最大荷載F的比值，以消除上述影響.

圖2 總斷裂能GFig.2 Total fracture energy

研究表明，密級配瀝青混合料的加載次數(shù)大于300次即滿足抗反射開裂性能要求[5]，而本文采用的LSPM試件結構空隙率相對較大，應該更易受凍融作用的影響.但試驗發(fā)現(xiàn)經(jīng)過不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，3種改性瀝青混合料加載次數(shù)N均達到了 1200 次，說明3種改性瀝青混合料均具有良好的抗反射開裂性能，同時也表明德克薩斯州規(guī)范推薦指標——加載次數(shù)N無法準確表征空隙率較大的瀝青混合料抗反射開裂性能受凍融作用的影響程度.荷載損失率P表征瀝青混合料反射裂縫從產(chǎn)生至貫穿試件整個過程中的荷載變化情況，凍融作用導致瀝青混合料內(nèi)部產(chǎn)生微小裂隙，試驗初期一旦裂縫產(chǎn)生，混合料內(nèi)部損傷程度將直接影響加載過程中的荷載大小，且損傷越嚴重，荷載損失率越大，因此該指標可間接反映混合料抗反射開裂性能.而由于加載第1周期的最大荷載F只能表征反射裂縫的產(chǎn)生過程，無法表征反射裂縫的擴展過程，因此F不適用于抗反射開裂性能評價.總斷裂能G可表征試件開裂所需能量，但只有當混合料加載次數(shù)相近時才能合理區(qū)分混合料抗反射開裂性能的好壞，因此采用容許破壞次數(shù)J代替總斷裂能G來表征瀝青混合料的抗反射開裂性能.另外，試驗結果發(fā)現(xiàn)，各指標中荷載損失率P和容許破壞次數(shù)J的變異系數(shù)最小(均在10%以內(nèi))，因此采用P和J來共同評價瀝青混合料的抗反射開裂性能.P越小，J越大，表明瀝青混合料抗反射開裂性能越好.由于篇幅原因，下文僅列出這2個指標的試驗結果.

2.1 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

圖3給出了3種試件荷載損失率P與凍融循環(huán)次數(shù)n的關系.由圖3可知：隨著n的增加，3種試件的荷載損失率均逐漸增大，當凍融循環(huán)達到30次時，其荷載損失率達80%以上；荷載損失率變化趨勢基本呈S形，經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，相比未受凍融作用時，3種試件荷載損失率增長不大，但經(jīng)過 5～ 20次凍融循環(huán)后，其荷載損失率增長較快，幾乎呈線性增長，當凍融循環(huán)達到20次時，3種試件荷載損失率從未凍融時的50%左右增長到80%以上，隨著n繼續(xù)增加，荷載損失率增長減慢.由于大粒徑透水瀝青混合料LSPM具有連通空隙結構，空隙率較大，細集料較少，瀝青膜厚度較大，瀝青與集料間黏結力較強，因此凍融初期對瀝青混合料內(nèi)部結構的影響不大.只有經(jīng)過一定次數(shù)的凍融循環(huán)后，當損傷累積到一定程度時，凍融作用才使得瀝青混合料逐漸松散，外部集料剝落，水分逐漸侵入瀝青膜內(nèi)部，削弱瀝青與集料間的黏結力；同時在水分反復凍融作用下混合料內(nèi)部空隙增大，微裂隙產(chǎn)生，荷載損失率逐漸增大；凍融循環(huán)達到20次以后，試件內(nèi)部損傷幾乎達到極限，此后n繼續(xù)增加對混合料抗反射開裂性能的影響不明顯，荷載損失率增加緩慢.

圖3 荷載損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關系Fig.3 Load loss rate versus number of freeze-thaw cycle

圖4給出了容許破壞次數(shù)J與凍融循環(huán)次數(shù)n的關系.由圖4可見，隨著n的增加，初期容許破壞次數(shù)J下降較快，這是因為水分入侵引起細集料的剝落、流失，LSPM骨架嵌擠結構在凍融作用下容易遭到破壞，連通空隙路徑增大，混合料整體結構承載力迅速降低；經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，J衰減趨于平緩，混合料損傷達到極限.

圖4 容許破壞次數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關系Fig.4 Tolerance failure times versus number of freeze-thaw cycle

采用指數(shù)模型對瀝青混合料容許破壞次數(shù)J與凍融循環(huán)次數(shù)n的關系進行擬合，如式(1)所示.擬合相關系數(shù)R2均在0.93以上，表明利用指數(shù)模型可以較好地預測和反映LSPM抗反射開裂性能隨凍融作用的衰減狀況.

J=aebn

(1)

式中：a，b均為參數(shù)，a代表未受凍融作用時混合料的J值，b反映J隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的衰減速率.

2.2 瀝青膠結料類型的影響

由圖3，4可知，400μm橡膠粉和301μm橡膠粉改性瀝青混合料抗反射開裂性能差異不大，而兩者與SBS改性瀝青混合料的抗反射開裂性能差異比較明顯.由于3種改性瀝青混合料的瀝青膜厚度相近，因此性能差異主要源于瀝青膠結料本身.在不同凍融循環(huán)次數(shù)下橡膠粉改性瀝青混合料的荷載損失率均比SBS改性瀝青混合料要小，表明橡膠粉改性瀝青具有更好的黏彈韌性來抵抗凍融侵蝕.橡膠粉與基質(zhì)瀝青共混后，橡膠粉顆粒分散于瀝青中并吸收輕質(zhì)油分產(chǎn)生溶脹，從而膨脹、軟化，使瀝青具有一定的塑性和黏性，且橡膠粉與瀝青體系間相容性較高.最佳摻量下的SBS改性瀝青低溫勁度模量大于橡膠粉改性瀝青，且溫度越低，兩者勁度模量差值越大，而橡膠粉改性瀝青自身勁度模量隨溫度變化較小，其相對較低的溫度敏感性和較低的勁度模量使其具有更好的流動變形能力和低溫抗裂性[8].隨著橡膠粉粒徑的減小，單位質(zhì)量橡膠粉比表面積增大，溶脹率增加，最佳摻量下 301μm 橡膠粉相對于 400μm 橡膠粉更易與基質(zhì)瀝青融合，且低溫延度相對較大，因此受凍融作用影響相對較小，在凍融循環(huán)12次以上時XJ60-m試件的荷載損失率最小.

從容許破壞次數(shù)來看，前5次凍融循環(huán)作用下SBS改性瀝青混合料的容許破壞次數(shù)約為橡膠粉改性瀝青混合料的1.15倍，表明沒有凍融循環(huán)或在凍融影響不大的情況下，SBS改性瀝青混合料抗反射開裂性能更佳；凍融循環(huán)5次以上時，SBS改性瀝青混合料抗反射開裂性能顯著降低；經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，SBS改性瀝青混合料的容許破壞次數(shù)下降了80%.經(jīng)歷13次凍融循環(huán)后，XJ60-m試件的容許破壞次數(shù)達到最大，且隨凍融循環(huán)次數(shù)n增加其下降幅度最小，經(jīng)過30次凍融循環(huán)后其容許破壞次數(shù)相比未凍融時下降了約70%，表明XJ60-m試件受凍融影響較小，而且隨著凍融循環(huán)次數(shù)n的增加，XJ40-m試件和XJ60-m試件的容許破壞次數(shù)差異逐漸增大，表明301μm(60目)橡膠粉改性瀝青比400μm(40目)橡膠粉改性瀝青更能抵抗凍融作用，前者的低溫抗反射開裂性能最優(yōu).

對瀝青混合料抗反射開裂性能影響因素進行方差顯著性分析，結果顯示凍融循環(huán)次數(shù)和膠結料類型對其均有顯著性影響，其中前者影響最為顯著，因篇幅有限，具體結果不再列出.

3 結論

(1)OT試驗適用于評價大粒徑透水瀝青混合料在凍融作用下的抗反射開裂性能，定義容許破壞次數(shù)J為總斷裂能與加載第1周期最大荷載之比，推薦采用荷載損失率和容許破壞次數(shù)來共同評價大粒徑透水瀝青混合料的抗反射開裂性能.

(2)凍融作用使大粒徑透水瀝青混合料抗反射開裂性能顯著衰減，指數(shù)模型能很好地模擬和預測瀝青混合料容許破壞次數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加的衰減狀況.

(3)橡膠粉改性瀝青和SBS改性瀝青用于大粒徑透水瀝青混合料時，OT加載次數(shù)可達1200次，說明其具有良好的抗反射開裂性能.SBS改性瀝青混合料受凍融作用影響最大，凍融初期性能最優(yōu)，而當凍融循環(huán)次數(shù)增加時，其抗反射開裂性能不及XJ60改性瀝青混合料.橡膠粉改性瀝青混合料抗反射開裂性能受凍融循環(huán)作用影響較小，相同橡膠粉摻量(21%)下，相較于XJ40改性瀝青混合料，XJ60改性瀝青混合料的抗反射開裂性能更好，推薦長期凍融地區(qū)LSPM路面采用XJ60改性瀝青.

(4)LSPM混合料受20次凍融循環(huán)作用后，其抗反射開裂性能衰減趨于穩(wěn)定，因此推薦在研究凍融作用對混合料抗反射開裂性能影響時應至少進行20次凍融循環(huán)試驗.