凍融循環對瀝青混合料力學性能的影響

李兆生，譚憶秋，吳思剛，楊福祺

(哈爾濱工業大學交通科學與工程學院，黑龍江哈爾濱150090)

季凍區在我國有較大的面積分布，遍及我國北方10余個省，占國土面積的50%以上。季凍區持續低溫、劇烈的凍融循環及大的溫差等惡劣自然條件對瀝青路面的正常使用產生嚴重影響，季凍區的瀝青路面經常出現開裂嚴重、使用壽命短等問題。

季節性冰凍地區，一年之內會經受多次凍融循環作用。其中既包括短期高頻率凍融循環，也包括一年乃至數年內的凍融大循環。對于瀝青混合料來說，凍融作用將對其路用性能產生較大的影響［1-3］。瀝青與集料界面間的粘結力是影響混合料性能的主要因素，界面粘結力的影響因素除材料自身特性外，外界環境特別是水分的影響尤其重要。水對瀝青混合料性能的影響除了對瀝青膜的置換作用之外，在季凍區還存在水分相態變化導致的混合料的凍融損傷［4-5］。在凍融循環的多次作用下，瀝青混凝土的性能將迅速衰減，導致在施工完成幾年后就出現大規模的早期損害現象［6-10］。

本文按照《公路工程瀝青混合料試驗規程》(JTJ 052-2000)中“瀝青混合料凍融劈裂試驗”(T0729-2000)方法對試件進行快速凍融:在98.3～98.7 kPa的真空條件下飽水15 min，然后在-18℃下冷凍16 h，最后在60℃水中保溫24 h，作為一次凍融循環。對比分析了凍融循環作用對瀝青混合料力學性能的影響。

1 原材料性質及配合比設計

1.1 原材料性質

瀝青采用70號基質瀝青，主要技術指標如表1所示。粗集料及礦粉的主要技術指標如表2及表3所示。主要材料的技術指標滿足規范要求。

表1 瀝青技術指標Table 1 Asphalt technical index

表2 粗集料技術指標Table 2 Coarse aggregate technical index

表3 礦粉技術指標Table 3 Mineral powder technical index

1.2 配合比設計

根據《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)，采用馬歇爾設計方法進行AC-16瀝青混合料的配合比設計。級配曲線及最終的設計結果如圖1及表4所示。

圖1 級配曲線Fig.1 Grading curve

表4 配合比設計結果Table 4 Design of mixture ratio

2 凍融循環對瀝青混合料高溫性能的影響

2.1 馬歇爾穩定度

經過規定次數的凍融循環后，將試件放入60℃的恒溫水槽內保溫30～40 min，然后測定其穩定度。穩定度與凍融循環次數的關系如圖2所示。

由圖2可知，隨著凍融次數的增加，穩定度呈線性下降的趨勢。凍融16次之后的殘留穩定度為83.4%，說明凍融循環對瀝青混合料的高溫穩定性的影響較大。

圖2 穩定度隨凍融次數的變化Fig.2 Stability changes with freezing and thawing numbers

2.2 劈裂蠕變

瀝青混合料具有明顯的粘彈性性質，其主要表現為在高溫情況下具有明顯的蠕變行為。通過高溫蠕變速率來評價瀝青混合料的高溫抗變形能力。

蠕變速率是單位應力作用下，變形等速增長的穩定期內，單位時間內應變的增加值。蠕變速率與蠕變曲線穩定變形段的變形發展速率有關，能夠反應載荷作用下瀝青混合料抵抗變形的能力。蠕變速率的計算公式為

式中:σ0為試件的彎拉應力，MPa;t1、t2為蠕變穩定期直線段、起點及終點的時間，s;ε1、ε2為對應于時間t1、t2時的蠕變應變;εs為試件的蠕變速率，1/(s·MPa-1)。

對凍融處理的試件進行劈裂蠕變試驗，試驗溫度為45℃。采用了 3個應力水平，分別為 0.02、0.03、0.04 MPa。不同應力水平情況下，混合料試件凍融前后的蠕變曲線如圖3所示。

圖3 不同應力水平下的蠕變曲線Fig.3 The creep curves under different stress levels

從圖3中可以看出，蠕變曲線可以明顯的分為3個階段:1)遷移期，蠕變變形在加載瞬間迅速增大，但蠕變速率隨時間增加迅速減小;2)穩定期，蠕變變形呈線性穩定增長，蠕變速率基本保持不變;3)破壞期，蠕變變形和蠕變速率均迅速增大，直至試件破壞。對比凍融前后的蠕變曲線可知，凍融后蠕變曲線的穩定階段明顯減小，試件很快進入破壞期，說明凍融對試件產生了一定的損傷。

不同應力水平下，凍融前后的蠕變速率如圖4所示。從圖上可以看出，凍融前后試件的蠕變速率都隨著應力水平的增加而增大。而在相同的應力水平下，在應力水平為0.02 MPa時，凍融后與凍融前的試件相比，蠕變速率增加了1倍;在應力水平為0.03 MPa時，凍融后蠕變速率增加了1.3倍;在應力水平為0.04 MPa時，凍融后蠕變速率增加了2.5倍。說明凍融循環降低了瀝青混合料的高溫穩定性，同時還增加了高溫穩定性對應力水平的敏感性。

圖4 不同初始應力下的蠕變速率Fig.4 Creep rate of different initial stresses

3 凍融循環對瀝青混合料強度和模量的影響

凍融循環作用會在瀝青混合料內部產生損傷，進而會影響到瀝青混合料的力學性能。通過凍融循環后瀝青混合料抗壓強度及回彈模量變化，研究凍融循環過程中瀝青混合料力學性能的損傷機理。

在凍融循環作用下，瀝青混合料內部會出現損傷，隨著損傷的不斷發展，會導致其力學性能發生相應的變化。因此可以通過測試凍融過程中，試件力學性能指標的變化來表征材料內部的損傷程度。由損傷力學可知［8］，損傷變量為

式中:E(n)為凍融n次后的抗壓強度或彈性模量;E0為未凍融試件的抗壓強度或彈性模量。

3.1 抗壓強度及回彈模量

經過規定的循環次數后，測定試件的抗壓強度及回彈模量，試驗溫度為20℃?？箟簭姸?、回彈模量及相應的損傷變量隨凍融次數的變化如圖5所示。

由圖5可知，抗壓強度及回彈模量均隨著凍融循環次數的增加而降低。而相應的損傷變量隨著凍融次數的增加而增大。這是由于瀝青混合料在凍脹力的作用下，內部出現了微觀裂紋，微觀裂紋在反復的凍脹力作用下，進一步的延伸擴展，引起瀝青混合料的損傷逐步積累，導致瀝青混合料的粘結力及內磨阻力均呈現下降的趨勢，引起瀝青混合料力學性能的衰減，使得混合料的剛度和強度均隨之降低。凍融循環作用4次之后，瀝青混合料的力學性能衰變較快，而在12次凍融循環后，抗壓強度和回彈模量的變化都趨于穩定。

圖5 抗壓強度與回彈模量(20℃)Fig.5 Compressive strength and resilient modulus(20℃)

3.2 劈裂強度及勁度模量

凍融循環作用后瀝青混合料的劈裂強度、勁度模量及相應的損傷變量隨凍融次數的變化如圖6所示。

由圖6可以看出，瀝青混合料的低溫劈裂強度和勁度模量隨著凍融循環次數的增加而減小，而損傷變量隨著凍融次數的增加而增大。根據損傷變量隨凍融次數的變化曲線特點，可將瀝青混合料的凍融損傷過程劃分為3個階段:1)快速損傷期，損傷變量隨凍融次數的增加迅速增大。此時進入到瀝青混合料內部的水滯留在材料內部，凍脹使材料內部由無裂縫狀態迅速產生微裂紋，從而引起材料力學性能衰減較快。2)穩定損傷期，損傷變量隨凍融次數的增加基本保持不變。此時在迅速增大在凍脹力的作用下，材料內部的微裂紋進一步擴展，形成了一定數量的連通孔隙，對凍脹力有一定的消散作用，材料的損傷發展較為平穩。3)損傷發展期，損傷變量隨凍融次數的增加進一步增大。此時隨著凍融的進一步延續，形成了更多的連通孔隙，材料內部的微裂紋進一步的擴展，引起材料的損傷加劇。通過分析可知，減少瀝青混合料水分的進入，嚴格控制瀝青混合料的剩余孔隙率，保證瀝青路面的壓實度要求，增加路面的密水性，可以有效控制凍融損害的發生。

圖6 劈裂強度與勁度模量(－10℃)Fig.6 Cleavage strength and stiffness modulus(－10℃)

4 凍融循環對瀝青混合疲勞性能影響

疲勞破壞是瀝青路面的主要破壞模式之一，瀝青路面的疲勞破壞問題一直是道路工程領域的研究重點。目前的疲勞研究主要是基于路面結構設計要求的層面上，疲勞研究的目的主要是提出路面設計的預估模型。目前對于凍融循環后瀝青混合料的疲勞性能研究較少。在季凍區，瀝青路面的疲勞特性與常規情況下表現出很大的不同，抗疲勞性能下降的更快。因此分析凍融循環后瀝青混合料的疲勞特性，研究季凍區的瀝青混合料疲勞規律顯得尤為重要。

對凍融循環作用后的試件進行疲勞試驗。疲勞試驗溫度為15℃，加載頻率為10 Hz。采用應力控制方式的疲勞試驗，加載波形為正弦波，最小荷載為最大荷載的3%。在疲勞試驗前，以最小荷載對試件進行 20 s的預壓。應力水平分別為 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 這 5 個等級。

瀝青混合料疲勞應力與疲勞壽命一般滿足如下關系式:

式中:N為疲勞壽命;σ為拉應力;K、n為待定系數。

通過應力控制模式下的疲勞試驗，得到不同應力水平下的疲勞壽命。通過擬合可以得到式(3)疲勞方程中的系數K和n。參數K和n值反映了材料的疲勞特性。n值的大小反映了材料疲勞壽命對應力水平的敏感程度，n值越大疲勞曲線越陡，說明材料的疲勞壽命對應力水平的變化越敏感;K值反映了材料的抗疲勞性能的強弱，K值越大疲勞曲線的線位越高，說明材料的抗疲勞性能越好。

凍融作用前后試件疲勞試驗擬合結果如圖7所示。凍融前后的K值分別為 664.37、480.04，凍融后的K值降低了，說明凍融作用后瀝青混合料的抗疲勞性能降低了;凍融前后的n值分別為3.191 2、3.310 8，凍融后的n值增大了，說明凍融作用后瀝青混合料的疲勞壽命對應力水平更為敏感。總之由于凍融循環引起的材料內部損傷，導致了瀝青混合料的抗疲勞性能有所下降。

圖7 凍融前后瀝青混合料疲勞特性Fig.7 Asphalt mixture fatigue characteristics before and after freezing and thawing

5 結論

1)隨著凍融循環次數的增加，馬歇爾穩定度呈線性下降的趨勢。蠕變試驗表明，凍融循環作用后瀝青混合料穩定蠕變期的蠕變速率增大，穩定期變短，并且凍融循環增加了瀝青混合料的高溫穩定性對應力水平的敏感性，凍融作用后其高溫性能變差。

2)瀝青混合料的抗壓強度及回彈模量均隨著凍融循環次數的增加而降低，相應的損傷變量隨著凍融次數的增加而增大;低溫劈裂強度和勁度模量隨著凍融循環次數的增加而減小，損傷變量隨凍融次數的增加大致分為快速損傷期、穩定損傷期及損傷發展期3個階段。

3)對比分析了凍融前后瀝青混合料的疲勞性能，得到了疲勞方程。凍融作用后，瀝青混合料的抗疲勞性能降低，疲勞壽命對應力水平的變化更為敏感。

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