冻融循环对沥青混合料力学性能的影响

李兆生，谭忆秋，吴思刚，杨福祺

(哈尔滨工业大学交通科学与工程学院，黑龙江哈尔滨150090)

季冻区在我国有较大的面积分布，遍及我国北方10余个省，占国土面积的50%以上。季冻区持续低温、剧烈的冻融循环及大的温差等恶劣自然条件对沥青路面的正常使用产生严重影响，季冻区的沥青路面经常出现开裂严重、使用寿命短等问题。

季节性冰冻地区，一年之内会经受多次冻融循环作用。其中既包括短期高频率冻融循环，也包括一年乃至数年内的冻融大循环。对于沥青混合料来说，冻融作用将对其路用性能产生较大的影响［1-3］。沥青与集料界面间的粘结力是影响混合料性能的主要因素，界面粘结力的影响因素除材料自身特性外，外界环境特别是水分的影响尤其重要。水对沥青混合料性能的影响除了对沥青膜的置换作用之外，在季冻区还存在水分相态变化导致的混合料的冻融损伤［4-5］。在冻融循环的多次作用下，沥青混凝土的性能将迅速衰减，导致在施工完成几年后就出现大规模的早期损害现象［6-10］。

本文按照《公路工程沥青混合料试验规程》(JTJ 052-2000)中“沥青混合料冻融劈裂试验”(T0729-2000)方法对试件进行快速冻融:在98.3～98.7 kPa的真空条件下饱水15 min，然后在-18℃下冷冻16 h，最后在60℃水中保温24 h，作为一次冻融循环。对比分析了冻融循环作用对沥青混合料力学性能的影响。

1 原材料性质及配合比设计

1.1 原材料性质

沥青采用70号基质沥青，主要技术指标如表1所示。粗集料及矿粉的主要技术指标如表2及表3所示。主要材料的技术指标满足规范要求。

表1 沥青技术指标Table 1 Asphalt technical index

表2 粗集料技术指标Table 2 Coarse aggregate technical index

表3 矿粉技术指标Table 3 Mineral powder technical index

1.2 配合比设计

根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)，采用马歇尔设计方法进行AC-16沥青混合料的配合比设计。级配曲线及最终的设计结果如图1及表4所示。

图1 级配曲线Fig.1 Grading curve

表4 配合比设计结果Table 4 Design of mixture ratio

2 冻融循环对沥青混合料高温性能的影响

2.1 马歇尔稳定度

经过规定次数的冻融循环后，将试件放入60℃的恒温水槽内保温30～40 min，然后测定其稳定度。稳定度与冻融循环次数的关系如图2所示。

由图2可知，随着冻融次数的增加，稳定度呈线性下降的趋势。冻融16次之后的残留稳定度为83.4%，说明冻融循环对沥青混合料的高温稳定性的影响较大。

图2 稳定度随冻融次数的变化Fig.2 Stability changes with freezing and thawing numbers

2.2 劈裂蠕变

沥青混合料具有明显的粘弹性性质，其主要表现为在高温情况下具有明显的蠕变行为。通过高温蠕变速率来评价沥青混合料的高温抗变形能力。

蠕变速率是单位应力作用下，变形等速增长的稳定期内，单位时间内应变的增加值。蠕变速率与蠕变曲线稳定变形段的变形发展速率有关，能够反应载荷作用下沥青混合料抵抗变形的能力。蠕变速率的计算公式为

式中:σ0为试件的弯拉应力，MPa;t1、t2为蠕变稳定期直线段、起点及终点的时间，s;ε1、ε2为对应于时间t1、t2时的蠕变应变;εs为试件的蠕变速率，1/(s·MPa-1)。

对冻融处理的试件进行劈裂蠕变试验，试验温度为45℃。采用了 3个应力水平，分别为 0.02、0.03、0.04 MPa。不同应力水平情况下，混合料试件冻融前后的蠕变曲线如图3所示。

图3 不同应力水平下的蠕变曲线Fig.3 The creep curves under different stress levels

从图3中可以看出，蠕变曲线可以明显的分为3个阶段:1)迁移期，蠕变变形在加载瞬间迅速增大，但蠕变速率随时间增加迅速减小;2)稳定期，蠕变变形呈线性稳定增长，蠕变速率基本保持不变;3)破坏期，蠕变变形和蠕变速率均迅速增大，直至试件破坏。对比冻融前后的蠕变曲线可知，冻融后蠕变曲线的稳定阶段明显减小，试件很快进入破坏期，说明冻融对试件产生了一定的损伤。

不同应力水平下，冻融前后的蠕变速率如图4所示。从图上可以看出，冻融前后试件的蠕变速率都随着应力水平的增加而增大。而在相同的应力水平下，在应力水平为0.02 MPa时，冻融后与冻融前的试件相比，蠕变速率增加了1倍;在应力水平为0.03 MPa时，冻融后蠕变速率增加了1.3倍;在应力水平为0.04 MPa时，冻融后蠕变速率增加了2.5倍。说明冻融循环降低了沥青混合料的高温稳定性，同时还增加了高温稳定性对应力水平的敏感性。

图4 不同初始应力下的蠕变速率Fig.4 Creep rate of different initial stresses

3 冻融循环对沥青混合料强度和模量的影响

冻融循环作用会在沥青混合料内部产生损伤，进而会影响到沥青混合料的力学性能。通过冻融循环后沥青混合料抗压强度及回弹模量变化，研究冻融循环过程中沥青混合料力学性能的损伤机理。

在冻融循环作用下，沥青混合料内部会出现损伤，随着损伤的不断发展，会导致其力学性能发生相应的变化。因此可以通过测试冻融过程中，试件力学性能指标的变化来表征材料内部的损伤程度。由损伤力学可知［8］，损伤变量为

式中:E(n)为冻融n次后的抗压强度或弹性模量;E0为未冻融试件的抗压强度或弹性模量。

3.1 抗压强度及回弹模量

经过规定的循环次数后，测定试件的抗压强度及回弹模量，试验温度为20℃。抗压强度、回弹模量及相应的损伤变量随冻融次数的变化如图5所示。

由图5可知，抗压强度及回弹模量均随着冻融循环次数的增加而降低。而相应的损伤变量随着冻融次数的增加而增大。这是由于沥青混合料在冻胀力的作用下，内部出现了微观裂纹，微观裂纹在反复的冻胀力作用下，进一步的延伸扩展，引起沥青混合料的损伤逐步积累，导致沥青混合料的粘结力及内磨阻力均呈现下降的趋势，引起沥青混合料力学性能的衰减，使得混合料的刚度和强度均随之降低。冻融循环作用4次之后，沥青混合料的力学性能衰变较快，而在12次冻融循环后，抗压强度和回弹模量的变化都趋于稳定。

图5 抗压强度与回弹模量(20℃)Fig.5 Compressive strength and resilient modulus(20℃)

3.2 劈裂强度及劲度模量

冻融循环作用后沥青混合料的劈裂强度、劲度模量及相应的损伤变量随冻融次数的变化如图6所示。

由图6可以看出，沥青混合料的低温劈裂强度和劲度模量随着冻融循环次数的增加而减小，而损伤变量随着冻融次数的增加而增大。根据损伤变量随冻融次数的变化曲线特点，可将沥青混合料的冻融损伤过程划分为3个阶段:1)快速损伤期，损伤变量随冻融次数的增加迅速增大。此时进入到沥青混合料内部的水滞留在材料内部，冻胀使材料内部由无裂缝状态迅速产生微裂纹，从而引起材料力学性能衰减较快。2)稳定损伤期，损伤变量随冻融次数的增加基本保持不变。此时在迅速增大在冻胀力的作用下，材料内部的微裂纹进一步扩展，形成了一定数量的连通孔隙，对冻胀力有一定的消散作用，材料的损伤发展较为平稳。3)损伤发展期，损伤变量随冻融次数的增加进一步增大。此时随着冻融的进一步延续，形成了更多的连通孔隙，材料内部的微裂纹进一步的扩展，引起材料的损伤加剧。通过分析可知，减少沥青混合料水分的进入，严格控制沥青混合料的剩余孔隙率，保证沥青路面的压实度要求，增加路面的密水性，可以有效控制冻融损害的发生。

图6 劈裂强度与劲度模量(－10℃)Fig.6 Cleavage strength and stiffness modulus(－10℃)

4 冻融循环对沥青混合疲劳性能影响

疲劳破坏是沥青路面的主要破坏模式之一，沥青路面的疲劳破坏问题一直是道路工程领域的研究重点。目前的疲劳研究主要是基于路面结构设计要求的层面上，疲劳研究的目的主要是提出路面设计的预估模型。目前对于冻融循环后沥青混合料的疲劳性能研究较少。在季冻区，沥青路面的疲劳特性与常规情况下表现出很大的不同，抗疲劳性能下降的更快。因此分析冻融循环后沥青混合料的疲劳特性，研究季冻区的沥青混合料疲劳规律显得尤为重要。

对冻融循环作用后的试件进行疲劳试验。疲劳试验温度为15℃，加载频率为10 Hz。采用应力控制方式的疲劳试验，加载波形为正弦波，最小荷载为最大荷载的3%。在疲劳试验前，以最小荷载对试件进行 20 s的预压。应力水平分别为 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 这 5 个等级。

沥青混合料疲劳应力与疲劳寿命一般满足如下关系式:

式中:N为疲劳寿命;σ为拉应力;K、n为待定系数。

通过应力控制模式下的疲劳试验，得到不同应力水平下的疲劳寿命。通过拟合可以得到式(3)疲劳方程中的系数K和n。参数K和n值反映了材料的疲劳特性。n值的大小反映了材料疲劳寿命对应力水平的敏感程度，n值越大疲劳曲线越陡，说明材料的疲劳寿命对应力水平的变化越敏感;K值反映了材料的抗疲劳性能的强弱，K值越大疲劳曲线的线位越高，说明材料的抗疲劳性能越好。

冻融作用前后试件疲劳试验拟合结果如图7所示。冻融前后的K值分别为 664.37、480.04，冻融后的K值降低了，说明冻融作用后沥青混合料的抗疲劳性能降低了;冻融前后的n值分别为3.191 2、3.310 8，冻融后的n值增大了，说明冻融作用后沥青混合料的疲劳寿命对应力水平更为敏感。总之由于冻融循环引起的材料内部损伤，导致了沥青混合料的抗疲劳性能有所下降。

图7 冻融前后沥青混合料疲劳特性Fig.7 Asphalt mixture fatigue characteristics before and after freezing and thawing

5 结论

1)随着冻融循环次数的增加，马歇尔稳定度呈线性下降的趋势。蠕变试验表明，冻融循环作用后沥青混合料稳定蠕变期的蠕变速率增大，稳定期变短，并且冻融循环增加了沥青混合料的高温稳定性对应力水平的敏感性，冻融作用后其高温性能变差。

2)沥青混合料的抗压强度及回弹模量均随着冻融循环次数的增加而降低，相应的损伤变量随着冻融次数的增加而增大;低温劈裂强度和劲度模量随着冻融循环次数的增加而减小，损伤变量随冻融次数的增加大致分为快速损伤期、稳定损伤期及损伤发展期3个阶段。

3)对比分析了冻融前后沥青混合料的疲劳性能，得到了疲劳方程。冻融作用后，沥青混合料的抗疲劳性能降低，疲劳寿命对应力水平的变化更为敏感。

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