多次冻融循环对沥青混合料性能影响研究

穆勇攀

摘要：在我国北方寒冷地区或南方部分地区遭遇突变天气时，路面材料长时间处于低温冰冻状态及温度交替变化过程中，冻融损坏现象较为普遍。本文通过试验确定了室内冻融循环试验方案，分析了冻融O次、5次、10次、15次、20次后沥青混合料的空隙率、抗压强度和冻融劈裂强度的变化规律。

关键词：沥青混合料；冻融循环；空隙率；抗压强度；残留稳定度

引言

目前。沥青路面的早期损害现象仍然十分严重。一般认为疲劳开裂、车辙和低温开裂是导致路面结构破坏的最主要形式。这些损坏均与水、温度的作用有直接关系。

有水条件下冻融循环对沥青混合料陛能影响的实质。一是由于水分侵蚀引起路面结构与材料本身的损害：二是温度交替变化频繁。低温开裂和因低温引起的水分迁移积聚和冻结对沥青混合料性能影响较为严重。

1.室内试验方案

本次试验中所采用的沥青为中海油泰州SBS（I-D）改性沥青，其常规指标如表1-1所示，其技术指标满足规范要求。混合料类型为AC-13型。矿料均采用石灰岩碎石。

为缩短试验周期。短时间内模拟出混合料受冻融循环的影响。考虑到在冻融循环中低温冰冻和温度变化率是影响沥青混合料性能的主要因素。因此将冰冻温度设定为-20℃。融化温度设定为60℃。为确定冻融时间及混合料内部温度变化率。对标准试件进行了温度测试。静压成型100xl00nml的圆柱体试件。在试件内部中心位置预埋PT100温度感应器。先将恒温箱恒温至一20℃。然后将室温下试件放人恒温箱。约1.5小时后试件内部温度降至目标温度-20℃。继续恒温冰冻约4.5小时。即控制冰冻总时间6h；然后将试件移至60℃水浴箱中。经过约30min后试件中心温度升至60℃。继续恒温约3.5h。即控制水浴融化总时间约4h。至此1次冻融循环完成。

试验结果得出四组平行试验的结果较一致。将曲线斜率定义为在该环境下试件的温度变化速率。通过曲线拟合可得降温速率与升温速率。所得温度变化速率足以模拟实际中大幅度降温或温度骤降的变化速率。因此。冻融循环试验方法确定为：将标准圆柱体试件饱水后。按上述冻融循环制度进行反复冻融。本文中循环次数为0、5、10、15、20次。

2.空隙率变化分析

空隙率是影响路面性能的重要因素。直接影响沥青路面质量；根据公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ052-2000），利用表干法测量了不同冻融次数后同个试件的密度大小。根据规程中的计算公式得出空隙率：当冻融次数分别为0、5、10、15、20时：（1）1#试件对应的空隙率分别为3.49、4.14、4.13、4.21、4.14；（2）2#试件对应的空隙率分别为3.96、4.90、5.24、5.33、5.25；（3）3#试件对应的空隙率分别为3.39、4.53、4.66、4.80、4.67；（4）4#试件对应的空隙率分别为3.77、4.71、4.92、5.21、5.38：（5）5#试件对应的空隙率分别为3.52、3.93、4.16、4.18、4.11；（6）6#试件对应的空隙率分别为3.99、4.84、4.86、4.85、4.78。

由空隙率随冻融循环次数变化曲线可以看出。在冻融次数小于10次时。空隙率大部分增长接近1%。增长幅度约20%～25%；当冻融次数大于10次时。空隙率变化趋势较为平稳。未随冻融循环次数的增加而有明显变化。在冻融初期空隙率变大的原因是：一是沥青混合料是多相复合材料，各种材料的温缩持性差异较大。在温度变化时。各材料随温度升降而发生的体积缩胀不同。会使材料内部产生应力而导致不均匀变形。从而使混合料空隙率变大。二是试件内部本身存在较为薄弱的部位或是部分未连通的微小孔隙。在水分和冻融作用下。试件内部薄弱部位松散或微小孔隙连通导致空隙率增大。

3.抗压强度变化分析

根据试验规程对冻融循环后的试件进行了抗压强度试验。在本试验中。每一个冻融循环次数下，有效试件不小于3个。以平行试验测定值的平均值作为试验结果。根据公式计算出各个冻融次数后试件的抗压强度，将试验结果列于如下：当冻融次数分别为：0、5、10、15、20时；试验相对应的试件数量分别为：7、3、3、3、3；变异系数cv（%）为：15.3、7.2、11.1、7.2、6.6；最大破坏荷载平均值24.76、19.87、18.57、14.73、14.5；抗压强度平均值3.15、2.53、2.37、1.88、1.85。

由试验结果可看出。沥青混合料抗压强度随冻融循环次数的增加而下降。在冻融次数小于15次时。抗压强度随冻融次数的增加而明显下降。但冻融次数大于15次后。抗压强度又趋于稳定。

4.水稳定性

在本文中。先将沥青混合料按前述冻融方法进行0次、5次、10次冻融，然后在按照规定进行稳定度试验。试验结果如下：（1）试件1。稳定度为13.413。浸水稳定度为11.943，冻融5次后稳定度为10.911。冻融10次后稳定度为9.923；（2）试件2分别为13.413、11.943、10.911、9.923；（3）试件1和2的均值分别为13.413、11.943、10.911、9.923；（4）残留稳定度分别为95.9%、88.8%、82.0%；由试验结果可知，沥青混合料的残留稳定度随着冻融次数的增加而减小。说明沥青混合料的稳定度受冻融影响明显。冻融作用使得沥青混合料的稳定度减小。因此。冻融尤其是反复冻融作用会降低沥青混合料的水稳定性。