駱 姸 李石磊 田港勝 劉一鳴

(1.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院 石家莊 610031； 2.河北雄安榮烏高速公路有限公司 保定 610031；3.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031； 4.道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)

我國(guó)東北、西南地區(qū)存在季節(jié)性冰凍地區(qū)，晝夜溫差較大，南北方地區(qū)的瀝青路面都存在不同程度的凍融破壞[1-5]。路面面層凍融病害最為明顯，尤其是上面層的破壞最直觀。但路面面層是一個(gè)整體，各層都會(huì)不同程度地受到凍融作用的影響，因此研究?jī)鋈趯?duì)整個(gè)路面面層的影響十分有必要。已有研究表明，凍融循環(huán)會(huì)造成路面材料的水損害，降低其水穩(wěn)定性，提高其滲透性[6-8]。為探究?jī)鋈谘h(huán)使對(duì)瀝青混合料的破壞機(jī)理，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者在凍融循環(huán)條件下進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。袁軍偉等[9]采用凍融循環(huán)的手段增大了煤體的空隙。李智睿等[10]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)混凝土內(nèi)部力學(xué)性能有極大的破壞。KEENY等[11]發(fā)現(xiàn)混凝土毛細(xì)管孔隙中的冰結(jié)晶壓力是造成路面破壞的主要原因。XU B等[12]研究了多孔水泥穩(wěn)定碎石凍融循環(huán)后的滲透性和力學(xué)性能，得出多孔水泥穩(wěn)定碎石滲透性增強(qiáng)并會(huì)降低其抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)度。隨著瀝青路面的普及，瀝青路面的凍融影響也受到了學(xué)者們的關(guān)注。XU H N等[13]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)凍融后的混合料，水分更容易滲透。周源等[14]通過(guò)對(duì)AC-13混合料進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混合料的抗壓強(qiáng)度和間接拉伸拉伸強(qiáng)度均有不同程度的衰減。司偉等[15-16]研究得出了AC-13瀝青混合料抗壓性能隨凍融次數(shù)增加而逐漸減小。周瑞霞[17]對(duì)比了不同油石比瀝青混合料下凍融循環(huán)對(duì)其間接拉伸強(qiáng)度的影響，較高油石比的瀝青混合料抵抗凍融破壞的能力越強(qiáng)。綜上，針對(duì)瀝青混合料的凍融研究大多是針對(duì)普通瀝青混凝土路面。隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)路面整體的綜合性能提出了更高的要求。而橡膠瀝青路面因其良好的路用性(良好的高溫抗變形能力和防水性能)、經(jīng)濟(jì)性(造價(jià)相較于普通瀝青混凝土路面低)，噪聲低、環(huán)保性(充分利用了廢舊輪胎)在高速公路中有廣泛的應(yīng)用。在長(zhǎng)距離大規(guī)模的高速路網(wǎng)中，水分在車(chē)輛的行駛過(guò)程中滲入路面集料界面，匯聚于面層，并在溫度下降至0 ℃以下時(shí)結(jié)成冰，發(fā)生體積膨脹。為保證路面的正常通行，人為對(duì)路面進(jìn)行加熱除冰，如此路面反復(fù)進(jìn)行著凍融過(guò)程，路面整體穩(wěn)定性下降。因此對(duì)橡膠改性瀝青路面的凍融研究十分有必要。

基于此，本研究擬測(cè)試橡膠改性瀝青混合料在凍融循環(huán)條件下的各項(xiàng)物理性能，并探討凍融循環(huán)下，混合料的滲水性與瀝青混合料空隙率的變化，分析其相關(guān)性，進(jìn)一步了解橡膠改性瀝青混合料凍融損傷機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 材料

采用路面面層常用的混合料級(jí)配ARHM-13、ARHM-20和ARHM-25，瀝青采用橡膠改性瀝青。混合料的級(jí)配見(jiàn)表1。橡膠瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 瀝青混合料級(jí)配表

表2 橡膠改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

采用馬歇爾擊實(shí)儀成型瀝青混合料。凍融循環(huán)方案為在每個(gè)凍融循環(huán)過(guò)程中，試樣在水溶液中以97.3～98.7 kPa的真空飽和處理45 min。由于西南和東北地區(qū)的地域差異，冬季環(huán)境溫度差異較大。為滿(mǎn)足不同地域下冬季溫度下的冰凍要求，參照《公路工程抗凍設(shè)計(jì)與施工施工技術(shù)指南》中的溫度-18 ℃作為試驗(yàn)中的冷凍溫度，將試件在冰箱中冷凍16 h。然后將試樣放在60 ℃的水中解凍8 h，其中采用JTG E20-2011《公路工程瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的試驗(yàn)方法(T0703)、(T0713)和(T0729)分別測(cè)定瀝青混合料的滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度和間接拉伸強(qiáng)度。試驗(yàn)試樣的直徑和高度分別為(100±0.2)mm和(95.3±2.5)mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)對(duì)空隙率的影響

凍融循環(huán)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 凍融循環(huán)示意圖

由圖1可見(jiàn)，凍融后試件內(nèi)部的變化，經(jīng)過(guò)凍融處理后，集料之間的空隙明顯增大，且不可恢復(fù)。3種材料的空隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見(jiàn)圖2。

圖2 空隙率變化圖

由圖2可以看出混合料的空隙率一直增大。在凍融循環(huán)試驗(yàn)中，在低溫條件下水結(jié)冰膨脹，導(dǎo)致瀝青混合料體積增大，孔隙結(jié)構(gòu)內(nèi)壁產(chǎn)生冰負(fù)荷，空隙率增大。ARHM-25混合料的空隙率增長(zhǎng)速度比凍融循環(huán)后的ARHM-13混合料和ARHM-20更顯著。是因?yàn)樵嚇咏胨袝r(shí)，ARHM-25混合料的空隙率高于其他混合料，且ARHM-25混合料空隙結(jié)構(gòu)中的冰壓遠(yuǎn)高于其他混合料。此外還可以看出，ARHM-13混合料和ARHM-20的變化規(guī)律相似，這是因?yàn)锳RHM-13和ARHM-20試驗(yàn)的空隙率較小使得試件內(nèi)部含水量和冰壓較小，水的滲透壓力和冰的膨脹壓力對(duì)混合料內(nèi)部薄弱處的連通孔隙作用不明顯。ARHM-13和ARHM-20的混合料空隙率在第12次凍融影響下，不再明顯增加。試件在凍融12次以后，混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)薄弱的連通孔隙基本貫通，凍融帶動(dòng)水分產(chǎn)生的流動(dòng)，凍脹影響有限，孔隙無(wú)法進(jìn)一步擴(kuò)張，因此在到24次凍融循環(huán)的過(guò)程中，空隙率變化一直趨于平穩(wěn)。ARHM-25混合料在第12次凍融后，試樣的高度和半徑變形超過(guò)10%，混合料發(fā)生剝落。因此，本文沒(méi)有討論ARHM-25混合料在凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)12次時(shí)的空隙率。

2.2 凍融循環(huán)對(duì)水滲透性的影響

由圖2的結(jié)果可知，與未進(jìn)行凍融循環(huán)的試樣相比，ARHM-13和ARHM-20在第24次凍融循環(huán)后的空隙率增長(zhǎng)分別為33.7%和45.1%，在第12次凍融循環(huán)后的ARHM-25瀝青混合料空隙率增長(zhǎng)了59.3%?？障堵实淖兓瘜?duì)瀝青混合料滲水性能產(chǎn)生了主要影響。由于瀝青混合料自身的結(jié)構(gòu)組成，水分在其中有大量的流動(dòng)空間。圖3顯示了水滲透速率的變化。

圖3 水滲透速率變化圖

由圖3可見(jiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，水滲透性逐漸增大。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從0增加到24次時(shí)，ARHM-13混合料和ARHM-20的水滲透速率分別增加了4.7倍和6.4倍，但其滲水速率與ARHM-25混合料相比仍然很低，作為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，密實(shí)程度高，水分相對(duì)難以滲透，水凍脹后擴(kuò)大孔隙的效果也不明顯，水滲透速率和滲透速率的增長(zhǎng)幅度均較低。同時(shí)，ARHM-25在第12次凍融循環(huán)后，混合料的水滲透率提高了7.8倍。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，ARHM-25混合料的水滲透性增加速度高于ARHM-13混合料和ARHM-20。在凍融作用下，ARHM-25混合料的滲水性變化幅度最為顯著。很明顯，水的滲透速率和空隙率有著相似的變化規(guī)律。繪制空隙率與混合料滲透速率相關(guān)性曲線見(jiàn)圖4。

圖4 空隙率與混合料滲水速率相關(guān)性

由圖4可知，對(duì)于3種瀝青混合料類(lèi)型中，ARHM-25瀝青混合料的滲水速率和空隙率相關(guān)性最高，ARHM-25瀝青混合料中的粗集料較多，形成的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)被凍融破壞后，混合料內(nèi)部松散，會(huì)出現(xiàn)較大的空隙，且伴隨著部分集料的剝落，極大豐富了水的流通路徑。

2.3 凍融循環(huán)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

凍結(jié)后對(duì)混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的影響示意見(jiàn)圖5，為了進(jìn)一步分析瀝青混合料在凍融循環(huán)后力學(xué)性能的損傷程度，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。計(jì)算抗壓強(qiáng)度損失率見(jiàn)圖7。

圖5 凍融后混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化圖

圖6 抗壓強(qiáng)度變化圖

圖7 抗壓強(qiáng)度損失率變化圖

可見(jiàn)在最后一次凍融循環(huán)結(jié)束后，ARHM-25、ARHM-13和ARHM-20瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度損失率分別為61%，40.1%和49.0%。在最初的12次凍融循后，ARHM-25、ARHM-13和ARHM-20瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度的衰減分別為61%，20.7%和26.3%。在凍的過(guò)程中，空隙中水的結(jié)冰膨脹導(dǎo)致瀝青混合料中微裂紋的引發(fā)和擴(kuò)散，導(dǎo)致混合料空隙含量的增加。水浴過(guò)程中，水分進(jìn)入集料界面間，匯聚后形成水壓，骨料顆粒之間嵌鎖減少，粗骨料與瀝青砂漿之間的黏附性也降低。由于相同的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，ARHM-13混合料和ARHM-20混合料的抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的損失率的變化趨勢(shì)沒(méi)明顯的差異，同時(shí)，凍融循環(huán)對(duì)ARHM-25混合料抗壓強(qiáng)度的負(fù)面影響比ARHM-13混合料和ARHM-20混合料更顯著。ARHM-25混合料因其大骨架結(jié)構(gòu)在反復(fù)凍融下，發(fā)生的已經(jīng)不是內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷，是大面積的混合料剝落，其抗壓強(qiáng)度因此發(fā)生斷崖式下跌。

2.4 凍融循環(huán)對(duì)壓縮回彈模量的影響

壓縮回彈模量變化見(jiàn)圖8。

圖8 壓縮回彈模量變化圖

由圖8可見(jiàn)，在凍融循環(huán)過(guò)程中，壓縮回彈模量均迅速下降。經(jīng)過(guò)6次凍融循環(huán)后，ARHM-13混合料、ARHM-20和ARHM-25混合料的壓縮回彈模量分別降低了18.9%，19.7%和24.4%。在第12次凍融結(jié)束后，ARHM-13、ARHM-20和ARHM-25混合料的壓縮回彈模量分別降低了32.9%，30.0%和 59.7%。12次凍融循環(huán)對(duì)ARHM-25混合料壓縮回彈模量的影響強(qiáng)于ARHM-13和ARHM-20混合料的壓縮回彈模量。壓縮回彈模量由于空隙率的增加，內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降而下降，ARHM-25混合料在12次凍融后，已發(fā)生結(jié)構(gòu)上的失穩(wěn)。

2.5 凍融循環(huán)對(duì)間接拉伸強(qiáng)度的影響

間接拉伸強(qiáng)度和殘余間接拉伸強(qiáng)度比的變化見(jiàn)圖9和圖10。

圖9 間接抗拉強(qiáng)度變化圖

圖10 殘余間接抗拉強(qiáng)度變化圖

由圖9、圖10可見(jiàn)，2個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)隨著凍融次數(shù)不斷衰減。對(duì)于ARHM-13，其間接拉伸強(qiáng)度在第9次凍融循環(huán)結(jié)束后急劇下降。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)從12次變化到24次時(shí)，ARHM-13混合料的間接拉伸強(qiáng)度的變化保持相對(duì)穩(wěn)定，間接拉伸強(qiáng)度的損失率也保持相對(duì)穩(wěn)定，在第24次凍融循環(huán)后，ARHM-13混合料的間接拉伸強(qiáng)度損失率為32.2%。對(duì)于ARHM-20，其間接拉伸強(qiáng)度先減少后增加。在第12次凍融循環(huán)后，試樣的間接拉伸強(qiáng)度開(kāi)始減小，在最終第24次凍融循環(huán)后，間接拉伸強(qiáng)度損失比為46.1%。ARHM-25混合料的間接拉伸強(qiáng)度在凍融循環(huán)試驗(yàn)中急劇下降，在第12次凍融循環(huán)后降低了83.8%。在凍融循環(huán)初期，混合料內(nèi)部產(chǎn)生的微裂縫帶來(lái)的應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致了間接拉伸強(qiáng)度的快速下降，在凍融循環(huán)后期，由于前期凍融作用下產(chǎn)生的微裂縫已有一定的體積空間，在水結(jié)冰體積變大擠壓混合料的過(guò)程中，微裂縫起到了一定的緩沖效果，從而在凍融后期，混合料的內(nèi)部力學(xué)性能下降相對(duì)平緩。凍融循環(huán)作用對(duì)ARHM-25混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響明顯大于ARHM-13和ARHM-20瀝青混合料。

3 結(jié)論

1)在凍融循環(huán)作用下，ARHM-25橡膠改性瀝青混合料空隙率的增長(zhǎng)速率高于ARHM-20和ARHM-13瀝青混合料。同時(shí)，凍融循環(huán)對(duì)早期瀝青混合料的空隙率顯著提升，對(duì)凍融后期瀝青混合料空隙率影響有限，空隙率增長(zhǎng)保持較低水平。在橡膠瀝青路面配合比設(shè)計(jì)時(shí)，適量減小空隙率可加強(qiáng)路面抵抗水損的能力，應(yīng)重點(diǎn)考慮ARHM-25橡膠改性瀝青混合料凍融后空隙率變化帶來(lái)的不利影響。

2)凍融循環(huán)使得瀝青與骨料之間，骨料與骨料之間的黏附效果減弱，豐富了水的流通路徑。大粒徑ARHM-25混合料滲水的速率提升幅度最明顯，其空隙率的變化與滲水速率的相關(guān)性最強(qiáng)，ARHM-20和ARHM-13瀝青混合料相關(guān)性較弱。因此考慮設(shè)計(jì)橡膠瀝青路面時(shí)，應(yīng)以下面層ARHM-25混合料作為最不利設(shè)計(jì)條件。

3)凍融循環(huán)使得瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了損傷，凍融前期內(nèi)部力學(xué)性能損傷的程度明顯大于凍融后期，且對(duì)于不同級(jí)配瀝青混合料，凍融循環(huán)對(duì)ARHM-25混合料力學(xué)性能的負(fù)面影響明顯大于ARHM-20和ARHM-13瀝青混合料。凍融循環(huán)對(duì)與橡膠瀝青混合料的力學(xué)損傷都體現(xiàn)為前期發(fā)展迅速，后期趨平緩。因此在對(duì)橡膠改性瀝青混合料進(jìn)行凍融評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)以其力學(xué)響應(yīng)穩(wěn)定時(shí)的凍融次數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

該結(jié)論只是在ARHM-13、ARHM-20和ARHM-25 3種級(jí)配下橡膠改性瀝青混合料試驗(yàn)基礎(chǔ)上得到的，對(duì)與其他級(jí)配形式的瀝青混合料的抗凍融循環(huán)性能還需進(jìn)一步研究。