冻融循环对沥青混合料性能的影响研究

冻融循环对沥青混合料性能的影响研究

董立文1张兴军2王永吉2

董立文1张兴军2王永吉2

（1.甘肃省交通工程质量安全监督管理局）

（2.甘肃省交通规划勘察设计院有限责任公司，甘肃，兰州，730700）

【摘要】通过研究沥青混合料在不同冻融循环作用后性能的变化，分析其动弹性模量、剪切强度和空隙率变化率的影响规律。实验结果表明：冻融循环作用后的动弹性模量呈下降趋势，经形成期、发展期和破坏期三个阶段，且以形成期的动弹性模量降幅最大；试件上下两部分的剪切强度随着冻融次数的增加呈不同的下降幅度；随冻融次数的增加，空隙率的变化率呈台阶式增大。当冻融循环达到18次后，试件上下两部分的剪切强度和动弹性模量基本保持不变。

【关键词】沥青混合料；冻融循环；动弹性模量；剪切强度

1．引言

沥青混合料的水损害是沥青路面发生病害的主要形式之一，降低了沥青混凝土的强度，并引起了路面其它方面的破坏。沥青混合料在冻融循环的作用下，内部空隙中的水分在冻结后其体积膨胀而产生较大的膨胀力，造成结构破坏[1]。我国在水损害方面的研究起步较晚，大量的实验方法主要是通过借鉴国外比较成熟的体系，主要有集料与沥青粘附性、残留马歇尔稳定度和冻融劈裂强度比等指标。孙立军提出了以混合料的老化实验来评价各个阶段的水稳定性能[2]，国外的研究人员对于沥青混合料的水敏感性能评价做了较为详细的研究。混合料在冻融循环下的实际破坏情况非常复杂，不仅仅与混合料的空隙率相关，还与空隙的大小、形状和分布有关，所以研究混合料的水稳定性能对季节性冻土地区的沥青混合料设计具有较好的现实意义。本文结合甘肃省的实际气候特点，开展在冻融循环作用下沥青混合料的动弹性模量的实验，研究了冻融循环对混合料的变化规律，得到其对耐久性的影响，为完善季冻地区沥青路面的设计提供参考依据。

2．试验材料与方法

2.1实验材料

试验采用的集料取自兰州段高养中心，机制砂和碎石为石灰岩，填料为石灰岩矿粉，其余各项指标均满足规范要求。沥青为韩国SK90#A级沥青，技术指标如表1所示。

试验采用常用的上面层AC-13型沥青混合料，矿料级配组成采用《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）中推荐的中值，考虑到甘肃地区的实际特点和气候条件与交通状况，确定的最佳油石比为5.20%，采用旋转压实成型为Φ150mm×170mm的试件，经过切割后的尺寸为Φ100mm×150mm，空隙率控制在7.0±1.0%，最大理论密度为2.554g/cm3。

2.2试验方法

沥青混合料的冻融循环试验方法主要是参照AASHTOT283，依据甘肃省的气候条件，并结合实验周期选定为：真空饱水15min，然后在水中静置15min，使得试件中水饱和度在60~80%之间，试件用塑料薄膜密封，同时加入少量水，置入-18±2℃的冰箱18h，最后放入60℃的水中浸泡6h，即为一次循环[3]，在UTM压力试验机上测定特定循环次数下的动弹性模量。UTM压力试验机中采用动载来分别测定0.1HZ、0.5HZ、1.0HZ、5.0HZ、10.0HZ和25.0HZ下的动弹性模量，计算机自动采集数据，环境箱控制试验温度为25℃，加载力为半正弦波。

3．试验结果与分析

沥青混合料在经冻融循环作用后，通过动态压力试验机来测定不同冻融次数下的动弹性模量，分析其变化规律，同时测定不同冻融循环作用下试件的剪切强度、空隙率的变化率的变化规律。

3.1动弹性模量变化

动弹性模量是在动荷载下的弹性模量，为物体应力与应变的比值。沥青混合料在不同频率下的动弹性模量随着冻融次数的增加呈现出不同程度的下降趋势。最初几次的冻融循环后混合料的动弹性模量下降较为明显，各个频率下的动弹性模量降幅较大；在9～14次冻融循环的过程中，混合料的动弹性模量趋于平缓[4]，基本上没有较大的变化；冻融次数在15～18次时，25HZ、10HZ和5HZ下的动弹性模量急剧减小，在曲线上有一个较为明显的下降拐点；冻融循环在19次之后，混合料的动弹性模量呈平稳状态，降幅很小。

在随后的冻融过程中，大部分的水分将主要通过这些连通的空隙排除到混合料外面，使得水分膨胀所引起的动弹性模量损失极大减小，这也是后来各受力频率下的动弹性模量变化较小的主要原因。

3.2剪切强度变化

将一定冻融循环次数下的试件沿中间位置切开，分别测定其上下两个部分的剪切强度，记录最大力值并按一定的公式计算得到其剪切强度。

3.3空隙率变化率

空隙率能够反映试件内部结构的变化，将一定冻融循环次数下的试件测其体积指标并计算空隙率的变化率，并和动弹性模量的变化相对比。

动弹性模量的变化与空隙率的变化率在一定程度上存在某种对应的关系，随着动弹性模量的降低，空隙率的变化率在逐渐增大。形成期中空隙率变化率缓慢增加，从0.2%增加到8.77%，试件有轻微的膨胀；发展期中动弹性模量较形成期有所上升，这一阶段空隙率变化率迅速增大，从17.7%增大到50.0%，试件的结构遭到破坏，裂缝和孔洞出现，剪切强度显著降低。破坏期时动弹性模量略微减小，试件已经被破坏，空隙率变化率不再显著增大，其值在50%左右，原因是试件在冻融过程中冰的膨胀作用已经被试件的孔洞所抵消和缓冲。空隙率的变化率随着冻融次数的增加出现台阶式增长，与动弹性模量的变化具有很好的吻合性。

4．结论

a、冻融循环作用后各受力频率下的动弹性模量呈下降趋势。沥青混合料经历形成期、发展期和破坏期三个阶段，各阶段的动弹性模量降幅均不相同，形成期降幅最大。冻融循环达到18次后，各受力频率下的动弹性模量基本保持不变。

b、试件的上下两部分剪切强度随着冻融次数的增加呈不同的下降趋势，下部分剪切强度的减小速度远远大于上部分的，且在18次冻融循环后，上下两部分的剪切强度基本保持不变。

c、随着冻融循环次数的增加，动弹性模量降低，空隙率的变化率也逐渐增大，呈台阶式分布，与动弹性模量的变化相吻合。

参考文献：

[1]潘宝峰，王哲人，陈静云.沥青混合料抗冻融循环性能的实验研究[J].中国公路学报，2003（4）：1-4.

[2]张宏超，孙立军.沥青混合料水稳定性能全程评价方法研究[J].同济大学学报，2002，30（4）：422-426.

[3]司伟，马骉，肖楠，格桑泽仁.高原寒冷地区沥青混合料冻融循环作用下的抗压性能[J].公路交通科技，2013（4）：6-10.

[4]乔俊峰，马军，李宁，任君平.冻融作用下的沥青混合料力学特性[J].山西交通科技，2012（2）：11-15.

基金项目：

甘肃省科技厅（甘肃公路养护技术工程研究中心平台建设项目）