司 偉，馬 骉，汪海年，虎 見

（1.長安大學(xué) 公路學(xué)院 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室，西安 710064；2.中交第二公路工程局有限公司技術(shù)研發(fā)中心，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］。暴露在大氣外的瀝青路面面層，直接承受溫度與行車荷載作用，氣溫下降時，瀝青面層內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，如果瀝青面層的應(yīng)力松弛特性低于應(yīng)力增長速度，由應(yīng)力造成的路面損傷將逐漸積累，超過瀝青混合料極限抗拉強度時，瀝青面層發(fā)生開裂［2］。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［3－4］。由凍融作用引起的瀝青路面破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了高原寒冷地區(qū)瀝青路面的使用性能和壽命，如何準(zhǔn)確地評價凍融循環(huán)作用對瀝青混合料彎拉特性的影響是目前亟待解決的問題。為此，本文采用小梁低溫彎曲試驗，研究凍融循環(huán)作用對瀝青混合料彎拉特性的影響，以期為提高瀝青混合料的抗低溫開裂能力和疲勞性能，完善現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計方法中的材料參數(shù)取值提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

本試驗采用青藏高原地區(qū)常用的SBR成品改性瀝青，其性能技術(shù)指標(biāo)如表1所示。集料取自青藏公路沿線料場，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)試驗結(jié)果Table 1 Test results of asphalt parameters

試驗瀝青混合料為 AC－10、AC－13、AC－16，級配組成采用《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50－2006）推薦中值。在標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗的基礎(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－10、AC－13、AC－16瀝青混合料的最佳油石比為5.0%、5.5%、6.0%。

關(guān)于瀝青混合料凍融循環(huán)試驗，國內(nèi)外尚沒有統(tǒng)一的方法，本文在參考國內(nèi)相關(guān)凍融循環(huán)試驗條件的基礎(chǔ)上，依據(jù)青藏公路實際條件自行制定試驗方法。青藏公路沿線氣象資料表明，年平均最低氣溫為－14.5℃～－17.4℃，年平均最高氣溫為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℃；晝夜溫差極值可達(dá)23℃～26℃，降溫與升溫速率快［5］。為此，本文提出凍融循環(huán)試驗中，凍結(jié)時利用塑料袋將試件密封，并在塑料袋中注水30mL，凍結(jié)溫度為（－25±1）℃，凍結(jié)時間為12h；融化時將試件直接放入恒溫水浴，融化溫度為（25±1）℃，融化時間為12h；利用低溫冷凍箱與恒溫水浴模擬凍融作用［6－7］。將新拌合熱瀝青混合料成型車轍板，切割成30mm×35mm×250mm的小梁。利用電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行試驗，計算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)，溫度控制裝置為環(huán)境箱，溫控精度為±0.1℃，試驗溫度為－10℃，加載速率為50mm／min。

2 凍融循環(huán)次數(shù)影響分析

對油石比為5.5%的SBR改性AC－13混合料，經(jīng)歷30次凍融循環(huán)作用后，其結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 抗彎拉強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship between flexural tensile strength and freeze－thaw cycles

由圖1、圖2和圖3可知，瀝青混合料彎拉強度、彎拉應(yīng)變、勁度模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加均呈下降趨勢變化。在最初幾次凍融過程中瀝青混合料性能下降明顯，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到9次后，瀝青混合料性能衰減趨于平緩；混合料在經(jīng)歷大約15～18次凍融循環(huán)之后，彎拉強度逐漸趨于穩(wěn)定。經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，混合料的性能與初始未凍融狀態(tài)相比，彎拉強度降低了4MPa，衰減了27%；彎拉應(yīng)變衰減了12.6%；勁度模量降低了523.1Pa，衰減了12.5%。

圖2 彎拉應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship between flexural tensile strain and freeze－thaw cycles

圖3 勁度模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship between stiffness modulus and freeze－thaw cycles

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)將變得松散且容易脫落，使水分容易進(jìn)入瀝青膜內(nèi)部，減弱瀝青膜與集料的粘結(jié)力?；旌狭显陲査畠鋈谘h(huán)中，試件內(nèi)部空隙將進(jìn)入水分，水結(jié)冰后體積增大很多，產(chǎn)生較大的膨脹力；在反復(fù)的凍融循環(huán)作用下，瀝青與集料的粘結(jié)力衰減較快，從而導(dǎo)致在最初的幾次凍融循環(huán)過程中混合料的彎拉強度等性能下降較快［7－8］。當(dāng)試件經(jīng)歷9次凍融循環(huán)后，彎拉強度衰減趨勢逐漸趨于平緩，說明初期的凍融循環(huán)作用對瀝青混合料的彎拉性能影響較大，這也與高原寒冷地區(qū)瀝青路面早期破壞嚴(yán)重的現(xiàn)象相一致。

觀察瀝青混合料在彎拉作用下破壞時發(fā)現(xiàn)，裂縫首先將沿著小梁表面粗集料附近的應(yīng)力集中位置發(fā)育，隨著時間的積累，裂縫最終貫穿整個小梁，使小梁發(fā)生脆性破壞。因此，混合料的彎拉強度除了與混合料的空隙率有關(guān)外，與表面粗集料的分布以及內(nèi)部構(gòu)造缺陷也有一定的關(guān)系。由于集料分布不均勻或內(nèi)部有缺陷，在凍融作用下使混合料空隙增大，而凍脹壓力和溫度應(yīng)力不能在混合料空隙中傳遞，使集料接觸位置處的應(yīng)力增大并出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致混合料內(nèi)部損傷區(qū)域面積逐漸增大發(fā)生斷裂［3，9］。圖1～圖3中，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加混合料性能總體呈衰減趨勢，但仍有一些點出現(xiàn)異常，如在某次凍融循環(huán)作用后其性能出現(xiàn)驟降，而下一次凍融循環(huán)作用后混合料性能增大，隨后混合料性能隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加又呈現(xiàn)正常的衰減趨勢；分析其原因，由于集料的分布不均勻（熱瀝青混合料拌合成型車轍板時，集料局部分布不均勻），導(dǎo)致切割后的小梁試件存在差異，由上述分析可知在加載過程中應(yīng)力應(yīng)變出現(xiàn)異常。

3 油石比影響分析

AC－13級配混合料分別在油石比為4.5%、5.0%、5.5%、6.0%和6.5%下進(jìn)行彎曲試驗，瀝青為SBR改性瀝青，油石比為5.5%是馬歇爾試驗確定的最佳值，試驗結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 抗彎拉強度與油石比的關(guān)系Fig.4 Relationship between flexural tensile strength and asphalt－aggregate ratio

由圖4和圖6可見，不同凍融循環(huán)次數(shù)下AC－13瀝青混合料的彎拉強度與勁度模量均隨著油石比的增大呈下拋物線變化，并在最佳油石比5.5%處出現(xiàn)峰值；破壞拉伸應(yīng)變隨油石比的增加也為先增大后減小，在最佳油石比5.5%達(dá)到最大，但其下拋物線變化趨勢不是十分明顯。未經(jīng)過凍融作用的瀝青混合料各項性能較好，隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加各項性能逐漸下降。凍融循環(huán)作用對油石比較大（油石比為6.0%、6.5%）的瀝青混合料性能的影響呈降低趨勢，如圖4中油石比為4.5%的混合料彎拉強度經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，彎拉強度降低了3.2MPa；而油石比為6.5%的混合料在經(jīng)歷30次凍融循環(huán)后，彎拉強度降低了1.1MPa；彎拉應(yīng)變與勁度模量在不同油石比下隨凍融循環(huán)的變化趨勢相同。

圖5 彎拉應(yīng)變與油石比的關(guān)系Fig.5 Relationship between flexural tensile strain and asphalt－aggregate ratio

圖6 勁度模量與油石比的關(guān)系Fig.6 Relationship between stiffness modulus and asphalt－aggregate ratio

油石比的大小與混合料的空隙率有密切關(guān)系，油石比較大時，說明混合料的空隙率較小。由于整個凍融循環(huán)過程中混合料一直處于飽水狀態(tài)，填充混合料內(nèi)部空隙的水分經(jīng)凍結(jié)后體積膨脹，如果混合料內(nèi)部孔隙足夠大（增大9%），則凍融作用對混合料影響較小，否則空隙內(nèi)結(jié)冰的水會產(chǎn)生很大的膨脹力，使混合料的體積膨脹而破壞［2－3］。

油石比4.5%對應(yīng)的混合料其空隙率大于其他幾組油石比下的空隙率，但其內(nèi)部空隙仍無法滿足因水分凍結(jié)膨脹而增加的對應(yīng)的體積。油石比較小時，瀝青不容易形成薄膜粘結(jié)集料顆粒，使瀝青與集料的粘結(jié)力降低，溫度梯度、壓力作用以及凍融循環(huán)作用使得混合料結(jié)構(gòu)變得松散，導(dǎo)致其彎拉特性降低［4］。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，混合料的彎拉特性在最佳油石比5.5%處達(dá)到峰值，經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，最佳油石比對應(yīng)的混合料的彎拉特性依然為最優(yōu)。此后，混合料空隙率隨油石比增大而不斷地減小，自由瀝青增多，逐漸將集料顆?！巴崎_”，成為礦料發(fā)生位移滑動的潤滑劑，使彎拉強度與勁度模量減小較快，而彎拉應(yīng)變減小緩慢。當(dāng)混合料空隙較小時，使飽水后進(jìn)入混合料內(nèi)部空隙的水分難以遷出，凍融循環(huán)作用使細(xì)小空隙中的毛細(xì)水又不斷向凍結(jié)峰面聚集，使冰凍作用加劇，在數(shù)次凍融循環(huán)后，由于凍脹作用的累積使混合料的空隙不斷地增大，導(dǎo)致其彎拉特性降低，但其降低幅度低于油石比較小的混合料［9－10］。

4 級配影響分析

為了分析級配對凍融循環(huán)作用下瀝青混合料彎拉特性的影響，對 AC－10、AC－13和 AC－16均采用油石比為5.5%進(jìn)行試驗。

由圖7可知，不同級配瀝青混合料的彎拉特性隨著凍融循環(huán)作用次數(shù)的增加，其彎拉強度、彎拉應(yīng)變、勁度模量均呈減小趨勢。AC－13瀝青混合料的彎拉強度與彎拉應(yīng)變遠(yuǎn)大于其他兩種級配，AC－10和AC－16瀝青混合料的彎拉強度相差較小，兩條曲線幾乎重合；AC－10和 AC－16瀝青混合料的彎拉應(yīng)變，在前幾次凍融循環(huán)過程中相差較小，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加到第9次凍融循環(huán)作用后，AC－10基本趨于穩(wěn)定，而 AC－16持續(xù)減小，使兩種級配的彎拉應(yīng)變差值增大。對于勁度模量，AC－10最佳，AC－13次之，AC－16最差；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，在第9次凍融循環(huán)作用后，AC－10的勁度模量衰減趨于平緩，而 AC－13和AC－16則持續(xù)降低，且AC－16的降低幅度較大。

當(dāng)試件承受荷載作用時，荷載一般沿大粒徑顆?；虼罅筋w粒分布較集中的區(qū)域傳遞，粗集料在瀝青混合料承受荷載作用時具有重要作用。瀝青混合料小梁在低溫加載破壞時，瀝青混合料的強度主要靠粗骨料的骨架支撐作用，瀝青的粘結(jié)作用相對減?。?0－11］。隨著最大粒徑的減小，使瀝青混合料變得更加密實，在一定程度上提高了瀝青混合料的低溫抗裂性能；其次，隨著最大粒徑的減小，混合料自身的缺陷減少。對于AC－13瀝青混合料，其最大公稱粒徑介于AC－10與AC－16之間，在最佳油石比5.5%下，經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后AC－13瀝青混合料的彎拉強度與彎拉應(yīng)變優(yōu)于其他兩種級配的混合料。

圖7 不同級配下的彎拉強度、彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship curve of flexural tensile strength，flexural tensile strain and stiffness modulus vs.freeze－thaw cycles

5 結(jié) 論

（1）瀝青混合料的彎拉強度、彎拉應(yīng)變、勁度模量均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈減小趨勢，在最初的幾次凍融循環(huán)作用后混合料性能衰減較快，在經(jīng)歷18～21次凍融循環(huán)作用后混合料性能衰減趨于平緩。

（2）油石比、級配組成對瀝青混合料的彎拉強度、彎拉應(yīng)變、勁度模量有明顯影響，油石比較大的瀝青混合料在凍融循環(huán)作用下，其混合料性能衰減較慢；AC－13瀝青混合料的彎拉應(yīng)變和彎拉強度均大于AC－10和AC－16瀝青混合料，表明AC－13瀝青混合料的低溫性能較好，低溫抗裂性強。

（3）在高原寒冷地區(qū)特殊氣候條件下，采用AC－13骨架密實結(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)作用下的低溫彎曲特性，減輕面層低溫縮裂病害。

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