司 偉 馬 骉 汪海年 虎 見(jiàn)

（長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1） 西安 710064） （中交第二公路工程局2） 西安 710065）

青藏高原寒冷地區(qū)年平均氣溫低，溫差大，降溫速率快，凍融循環(huán)頻繁、劇烈，各種不利條件對(duì)瀝青混合料的力學(xué)特性、耐久性等有明顯影響，瀝青路面病害與面層瀝青混合料在特殊條件下的性能衰變相關(guān)［1］.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，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，導(dǎo)致凍融后瀝青混合料內(nèi)部空隙體積增大，承載力下降，由最初青混合料內(nèi)部的微損傷逐漸發(fā)展為混合料的松散、開(kāi)裂等破壞［2－4］.本文采用低溫劈裂試驗(yàn)，研究?jī)鋈谘h(huán)作用對(duì)瀝青混合料劈裂性能的影響，以期為提高瀝青混合料的抗低溫開(kāi)裂能力和疲勞性能，完善現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)方法中的材料參數(shù)取值提供依據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)采用青藏高原地區(qū)常用的SBR成品改性瀝青，其性能技術(shù)指標(biāo)如表1所列.集料取自青藏公路沿線料場(chǎng)，以石灰?guī)r為主，礦粉為石灰?guī)r礦粉.

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)瀝青混合料為AC－13，級(jí)配組成采用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50－2006）推薦中值.在標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，兼顧西藏地區(qū)特殊的氣候條件與交通狀況，確定了SBR改性AC－13瀝青混合料的最佳油石比為5.5%.

本文在參考國(guó)內(nèi)相關(guān)凍融循環(huán)試驗(yàn)條件的基礎(chǔ)上，依據(jù)青藏公路實(shí)際條件自行制定試驗(yàn)方法.青藏公路沿線氣象資料表明，年平均最低氣溫為－14.5～－17.4℃，最高氣溫為6.8～8.1℃，5～8月有較短的正溫環(huán)境，但最低溫度仍低于0℃；晝夜溫差可達(dá)23～26℃［5］.為此，本文提出凍融循環(huán)試驗(yàn)中，凍結(jié)時(shí)利用塑料袋將試件密封，并在塑料袋中注水30mL，凍結(jié)溫度（－25±1）℃，凍結(jié)時(shí)間12h；融化時(shí)將試件直接放入恒溫水浴，融化溫度（25±1）℃，融化時(shí)間12h；利用低溫冷凍箱與恒溫水浴模擬凍融作用［6－7］.利用馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法成型試件，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，溫度控制裝置為環(huán)境箱，溫控精度±0.1℃，試驗(yàn)溫度為25℃，加載速率為50mm／min.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

2 劈裂抗拉強(qiáng)度分析

最佳油石比5.5%對(duì)應(yīng)的瀝青混合料經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)作用后，其結(jié)果見(jiàn)圖1，2.

圖1 劈裂抗拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度損失率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

由圖1，2可見(jiàn)，瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融循次數(shù)的增加均呈減小趨勢(shì)；最初幾次凍融循環(huán)作用混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度下降明顯，在經(jīng)歷大約9次凍融循環(huán)作用后，混合料劈裂抗拉強(qiáng)度衰減趨勢(shì)減小，在9～15次凍融循環(huán)后，瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度衰減趨勢(shì)逐漸趨于平緩.瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度主要由粗集料的骨架作用和瀝青膠漿的粘結(jié)作用共同構(gòu)成.混合料在飽水凍融循環(huán)作用下，試件內(nèi)部空隙將進(jìn)入水分，水結(jié)冰后體積增大，產(chǎn)生較大的膨脹力；在反復(fù)凍融循環(huán)作用下，瀝青與集料的粘結(jié)力衰減較快，從而最初幾次凍融循環(huán)過(guò)程中混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度下降較快［8］.隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混合料內(nèi)部孔隙變大，結(jié)構(gòu)將變得松散容易脫落，使外界水分容易進(jìn)入瀝青膜內(nèi)部，減弱瀝青膜與集料的粘結(jié)力，使瀝青膠漿對(duì)混合料劈裂抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)減小.

為了直觀表征凍融循環(huán)作用對(duì)瀝青混合料劈裂抗拉特性的影響，本文提出瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度損失率，即未凍融和凍融循環(huán)后混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度差值與未凍融混合料劈裂抗拉強(qiáng)度的比值.不同油石比瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，變化趨勢(shì)與劈裂抗拉強(qiáng)度變化相對(duì)應(yīng)，經(jīng)歷9～15次凍融循環(huán)后混合料劈裂抗拉強(qiáng)度損失率變化趨于穩(wěn)定.

瀝青混合料分別在油石比4.5%，5.0%，5.5%，6.0%和6.5%下進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，4.

圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度與油石比的關(guān)系

圖4 劈裂抗拉強(qiáng)度損失率與油石比的關(guān)系

由圖3，4可見(jiàn)，最佳油石比5.5%對(duì)應(yīng)的混合料，未凍融與凍融作用后的劈裂抗拉強(qiáng)度均為最優(yōu).隨凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加，混合料劈裂抗拉強(qiáng)度衰減，當(dāng)混合料經(jīng)歷30次凍融循環(huán)作用后，油石比4.5%的混合料劈裂抗拉強(qiáng)度降低了0.15MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度損失率為26.8%；油石比6.5%的混合料劈裂抗拉強(qiáng)度降低了0.08 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度損失率為14%，說(shuō)明油石比較大的混合料經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后劈裂抗拉強(qiáng)度的衰減幅度較小.

油石比的大小與混合料的空隙率密切相關(guān).隨著油石比的增大，結(jié)構(gòu)瀝青逐漸形成，瀝青充分地粘附于礦料表面，使瀝青與礦料之間的粘附力隨著油石比的增大而增大，混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度在最佳油石比5.5%達(dá)到峰值，經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，最佳油石比對(duì)應(yīng)的混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度仍為最優(yōu).此后，混合料空隙率隨油石比增大而減小，自由瀝青逐漸增多，成為礦料發(fā)生位移滑動(dòng)的潤(rùn)滑劑，使劈裂抗拉強(qiáng)度減小.混合料空隙較小時(shí)，使飽水后進(jìn)入混合料內(nèi)部空隙的水分難以遷出，經(jīng)過(guò)數(shù)次凍融循環(huán)作用使其劈裂抗拉強(qiáng)度減小，但減小幅度小于油石比較大的混合料［9－10］.

3 破壞拉伸應(yīng)變分析

最佳油石比5.5%對(duì)應(yīng)的混合料破壞拉伸應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖5，破壞拉伸應(yīng)變隨油石比的變化見(jiàn)圖6.

圖5 破壞拉伸應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖6 破壞拉伸應(yīng)變與油石比的關(guān)系

由圖可見(jiàn)，瀝青混合料破壞拉伸應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，經(jīng)歷9～15次凍融循環(huán)后，混合料破壞拉伸應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)趨勢(shì)減小.從破壞拉伸應(yīng)變隨油石比變化關(guān)系可見(jiàn)，未凍融的瀝青混合料破壞拉伸應(yīng)變隨油石比的增加而增大；當(dāng)混合料經(jīng)歷30次凍融循環(huán)作用后，破壞拉伸應(yīng)變隨油石比的變化幅度減小，破壞拉伸應(yīng)變差值只有0.43.隨著油石比的增大，未凍融混合料與經(jīng)歷30次凍融循環(huán)混合料的破壞拉伸應(yīng)變差值逐漸減小，破壞拉伸應(yīng)變差值由油石比4.5%時(shí)的2.98減小到油石比6.5%的1.14.

瀝青混合料的破壞拉伸應(yīng)變除了與混合料中瀝青和細(xì)集料的變形有關(guān)，與粗集料骨架的變形也有一定的關(guān)系.瀝青混合料為多孔材料，在飽水凍結(jié)時(shí)，由于凍脹壓力作用，使混合料空隙開(kāi)口結(jié)構(gòu)被撐大，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混合料內(nèi)部空隙大小、結(jié)構(gòu)均發(fā)生變化，影響粗集料相互嵌擠，混合料在劈裂破壞時(shí)骨架變形增大［11］.從而使混合料經(jīng)歷凍融循環(huán)作用后，其破壞拉伸應(yīng)變反而出現(xiàn)增長(zhǎng)的變化趨勢(shì).此外，凍水滲透壓力會(huì)破壞集料表面的結(jié)構(gòu)瀝青，使得混合料內(nèi)集料之間的粘結(jié)力下降，使結(jié)構(gòu)瀝青對(duì)整個(gè)粗集料骨架的約束作用減小.

4 破壞勁度模量分析

最佳油石比5.5%對(duì)應(yīng)的混合料破壞勁度模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖7，破壞勁度模量隨油石比的變化見(jiàn)圖8.

圖7 破壞勁度模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖8 破壞勁度模量與油石比的關(guān)系

由圖可見(jiàn)，瀝青混合料破壞勁度模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，經(jīng)歷9～15次凍融循環(huán)后，混合料破壞勁度模量衰減趨勢(shì)減小.從破壞勁度模量隨油石比變化可見(jiàn)，未凍融瀝青混合料破壞勁度模量隨油石比呈近似下拋物線變化，當(dāng)油石比大于5.0%后，混合料破壞勁度模量減小趨勢(shì)明顯；當(dāng)混合料經(jīng)歷30次凍融循環(huán)作用后，破壞勁度模量隨油石比的變化仍呈下拋物線變化，在油石比6.0%時(shí)最大.其次，隨著油石比的增大，未凍融混合料與經(jīng)歷30次凍融循環(huán)混合料的破壞拉伸應(yīng)變差值逐漸縮小，破壞勁度模量差值由油石比4.5%時(shí)的87.6MPa減小到油石比6.5%的25MPa.

5 結(jié) 論

1）瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度、破壞勁度模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈減小趨勢(shì)，最初凍融循環(huán)作用使混合料的性能衰減較快，經(jīng)歷9～15次凍融循環(huán)后混合料性能衰減趨于平緩；混合料破壞拉伸應(yīng)變隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈增大趨勢(shì)；凍融循環(huán)作用對(duì)混合料的劈裂性能影響明顯.

2）油石比對(duì)瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度、破壞拉伸應(yīng)變、破壞勁度模量影響明顯；油石比較大的瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下，劈裂抗拉強(qiáng)度與破壞勁度模量衰減較小；最佳油石比5.5%對(duì)應(yīng)的混合料劈裂抗拉強(qiáng)度與破壞勁度模量較好.

3）在高原寒冷地區(qū)特殊氣候條件下，采用AC－13骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的瀝青混合料，最佳油石比為5.5%或適當(dāng)增加油石比可以提高瀝青混合料凍融循環(huán)作用下的劈裂性能，減輕面層低溫縮裂病害.

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