冻融循环对再生沥青混合料低温抗裂性能的影响研究

许西淼，刘忠根

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院 长春市 130118)

1 概述

低温缩裂是引起沥青路面各种病害的源头之一，如果不及时处理任由其发展，会对沥青路面的路用性能产生严重的影响，进而会缩短沥青路面的使用年限。我国幅员辽阔，南北温度差异很大，一半以上地区的沥青路面都会受到温度裂缝的危害。随着我国交通运输事业发展越来越完善，对道路的质量要求也越来越高，低温裂缝的产生和发展严重影响道路的使用质量，因此，要着重于对沥青混合料低温缩裂的研究，以期找到减小裂缝损害的方法。

随着绿色、可持续发展的理念深入人心，沥青路面旧料再生越来越受到关注，结合课题研究对再生沥青混合料低温抗裂性能进行试验研究。

沥青混合料低温缩裂带来的危害非常大，国内外学者对低温开裂做出了大量的研究。1966年加拿大学者提出温度应力的计算模型与公式[1]。70年代美国学者对沥青路面的温度疲劳开裂进行了大量的研究，并取得一定的成就。国内在沥青混合料低温抗裂性研究方面也取得相当大的成就，李静、袁建[2]采用Burgers模型，通过分析沥青混合料低温试验结果，得到沥青混合料粘弹性参数这一指标，并且从能量的角度来评价沥青路面的低温开裂。陈梓宁[3]通过约束试件温度应力试验和低温弯曲试验来评价再生沥青混合料的低温性能，并对约束试件温度应力试验的四个指标与弯曲应变进行相关性分析。郭博、高妮[4]通过小梁弯曲试验，利用低温破坏能来评价沥青混合料的低温性能。吴中[5]通过SCB试验评价SBS改性沥青混合料的低温抗裂性能，并与小梁弯曲试验做对比，得到SCB可以代替小梁弯曲试验用来评价沥青混合料的低温性能。侯睿、黄晓明[6]通过劈裂试验来评价再生沥青混合料的低温性能，其中评价指标为劈裂抗拉强度、破坏拉伸应变、破坏劲度模量。王巨创[7]通过对切缝与未切缝处理的小梁进行弯曲试验，以临界应变能密度作为评价沥青混合料低温抗裂性的指标。汲平、徐朝[8]通过劈裂试验，根据沥青混合料脆化点和-10℃劈裂竖向位移提出以低温指数这一指标来评价沥青混合料的低温性能。

2 沥青路面裂缝的类型及影响低温抗裂性的因素

2.1 裂缝的类型

沥青路面(包括再生路面)的裂缝可以分为三类：横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝[9]。其中横向裂缝按其形成原因可以分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝。荷载型裂缝是由于路面承载能力不足以承担车辆的荷载及反复荷载的疲劳作用引起的。非荷载裂缝是沥青路面横向裂缝的主要形式，其形成原因复杂多样。主要包括严冬期由于温度骤降出现的横向收缩裂缝、温度疲劳裂缝、反射裂缝、冻缩裂缝及综合原因造成的横向裂缝。纵向裂缝产生的原因也有许多，主要是由于承载力承担不住过大的荷载、在沥青路面摊铺时纵向接缝没处理好、路基压实度不均匀或者水对路基边缘的侵蚀等原因造成的。本文主要针对横向裂缝开展研究。

2.2 影响沥青混合料低温抗裂性的因素

影响沥青路面抗裂性的因素总的来说主要包括：材料特性、环境、路面几何尺寸等方面。可以将它们更细地划分为：沥青性质的影响、沥青混合料组成的影响、路面结构的几何尺寸、基层的影响、气候等环境因素这几个部分。其中沥青的性质主要包括：沥青的感温性、劲度、针入度、延度、感时性和老化性能。针对沥青混合料的组成，主要包括：沥青的用量、矿料性质及组成级配和剥落率；对于路面几何尺寸来说，如果路面宽度过窄，其产生的裂缝间距也比较近，沥青的质量好也会有效地降低裂缝发生的几率，沥青路面厚度大也能够减少裂缝的产生；研究发现较大的温差是直接导致裂缝产生的原因。这些因素都对沥青混合料的低温抗裂性产生影响，只有知道裂缝产生的原因，才能综合考虑从而降低裂缝造成的损害。

3 试验原料及试验方法

3.1 试验原料

在已有的研究成果基础上深入研究，已有的研究[10]对新沥青、新集料的性质进行分析，又对旧料进行抽提、蒸馏、筛分，并对旧集料和旧沥青进行性质分析，然后通过一系列的方法确定再生沥青混合料的级配、最佳油石比及最大旧料掺配率，并对其路用性能进行研究分析，其中沥青混合料的级配为AC-16和AC-20。经过计算，级配AC-16旧料的最大掺配率为24.1%，AC-20的旧料最大掺配率为24.6%，研究再生沥青混合料在不同冻融循环条件下低温性能的变化特点。选取AC-16旧料掺配率为0%、10%、20%和24.1%，AC-20旧料掺配率为0%、10%、20%和24.6%。

3.2 低温抗裂性试验方法

本次试验根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中的T 0715方法，将尺寸为300mm×300mm×50mm标准车辙板试件切割成250mm×30mm×35mm的棱柱体小梁。试验仪器采用30kN多功能液压伺服路面材料动态测试系统(DTS-30)，试验前先将试件放到冷冻箱冰冻至少3h，试验温度为-10℃，试验加载速率为50mm/min。

图1 DTS-30试验机

图2 小梁弯曲试验

3.3 冻融试验方法

目前对于冻融试验有多种方法，在沥青混合料冻融循环劈裂试验中介绍的冻融方法为：在真空为97.3～98.7kPa的条件下保持15min，然后恢复常压，把试件放在水中30min，取出试件放入塑料袋中，注入大约10mL的水，放入温度调节为-18℃±2℃的冷冻箱中，保持16h±1h，在60℃的恒温水浴中融化24h，以此为一次冻融循环。许多学者参考这一规程制定新的冻融方法。王海鹏[12]根据研究项目所在地的气候特点总结冻融方法为：真空条件下将试件充分饱水16min，取出放入塑料袋，加入少许水密封，放入冷冻箱在-20℃的条件下冷冻16h，在常温状态下融化8h，此为一次冻融循环。周瑞霞[13]参考水泥混凝土冻融试验制定冻融方法为：将试件放在真空饱水的条件下至少45min，以保证试件空隙中充满水分，取出试件放入-20℃的冰柜中冷冻6h，取出放入30℃的恒温水浴中融化6h，作为一个循环。侯曙光[14]制定的冻融试验方法为：先真空条件下15min，然后放入水中至少1h进行饱水，采用保鲜膜密封试件，立即放入-18℃的冷冻箱中冷冻至少4h，然后放入常温水槽中融化不少于4h，以此过程为一个循环。李宁、司伟[15]在冷冻时把试件放在黑塑料袋中注入大约30ml水然后把袋密封好，放入-25℃±1℃的冷冻箱冰冻12h，在融化时，把试件从黑塑料袋中取出，放入25℃±1℃的恒温水浴中融化12h，这样作为一个循环。

由于吉林冬季最低平均温度能达到-18～-20℃，夏季平均温度能达到21～23℃，在结合当地气候和参考已有的试验方案的基础上，制定的冻融试验条件如下：把试件放入室温水槽中至少2h，使其饱水，然后放入塑料袋中，注入大约10ml水，扎紧袋口放入温度为-18℃的冷冻箱中冷冻12h，然后从塑料袋中取出试件放入室温水槽中融化12h，以此为一个循环。选取的冻融循环次数为0次、6次、9次、12次，为减小水对试验结果的影响。当试件完成冻融循环试验后，把试件取出在室温条件下放置至少48h，然后再进行沥青混合料的性能试验。

4 试验结果分析

选取两个级配AC-16与AC-20，在不同旧料掺配率下经过12次冻融循环后进行小梁弯曲试验，试验结果如：

4.1 冻融循环次数对弯拉应变的影响

图3 AC-16混合料弯拉应变与冻融循环次数关系曲线

图4 AC-20混合料弯拉应变与冻融循环次数关系曲线

从图3和图4整体来看，无论是级配AC-16还是级配AC-20，其弯拉应变都随着冻融循环次数的增加而减小。这是因为随着冻融循环次数的增加侵入沥青混合料内部的水会结冰膨胀，对沥青混合料的内部结构造成损害。

仔细分析图3和图4可以看出，在没有经过冻融循环时，无论级配AC-16还是级配AC-20的初始弯拉应变都大于2300με，满足规范要求。分析级配AC-16，当不掺旧料时，经过12次冻融循环其弯拉应变仍满足要求；当旧料掺量10%和20%时，经过12次冻融循环后，其弯拉应变就已经不满足要求；当旧料掺量24.1%时，第9次冻融循环后，其弯拉应变已经不满足要求。分析级配AC-20，当旧料掺量分别为0%和10%时，经过12次冻融循环，其弯拉应变已经不能满足要求；当旧料的掺配率为20%，经过9次冻融循环以后，其弯拉应变稍微小于但是接近2300με；但是当旧料的掺配率为24.6%时，经过6次冻融循环之后其弯拉应变就不符合规范要求，其低温抗裂性能大大降低。通过分析可以得出：旧料掺配率越大，沥青混合料受冻融循环的影响越大，掺加的旧料越多，其经历较短时间冻融循环之后其弯拉应变就不满足要求。

4.2 冻融循环次数对弯拉应变损失率的影响

弯拉应变损失率定义为：

第n次冻融弯拉应变损失率=

弯拉应变损失率结果见表1和表2。

表1 AC-16混合料弯拉应变损失率(%)

表2 AC-20混合料弯拉应变损失率(%)

通过分析表1和表2 发现级配AC-16和AC-20的弯拉应变损失率都随着冻融循环次数的增加而增加。

对于级配AC-16来说，在不同旧料掺配率下经历9次冻融循环，其弯拉应变损失率相差不大，但是经历12次冻融循环后，除了不掺加旧料的那一组，剩下3组的弯拉应变损失率都会有较大幅度的增长；对于级配AC-20来说，当旧料掺量24.6%时，经过9次冻融循环后其弯拉应变损失率大于其他3组，但是在经过12次冻融循环之后，它们的弯拉应变损失率都会有较大幅度的增大。

4.3 曲线拟合

通过综合分析图3和图4，就级配AC-16而言，当旧料掺加的比例在10%～20%范围内，经过9次冻融循环其弯拉应变指标仍能满足要求，但是经过12次冻融循环之后就不满足规范要求；分析级配AC-20，经过9次冻融循环后，掺旧料10%其弯拉应变满足要求，当掺旧料20%时经过9次冻融循环其弯拉应变指标略小于规范要求值。通过表1和表2分析，当掺旧料为10%和20%时级配AC-16和AC-20经过9次冻融循环其弯拉应变损失率增长幅度不大，12次冻融循环之后都有较大幅度的增长。因此，在保证较长的使用年限前提下，得到经过9次冻融循环后其弯拉应变都满足要求的最佳掺配率。对9次冻融循环条件下的弯拉应变与掺配率进行曲线拟合，如图5、图6所示。

图5 AC-16混合料弯拉应变与掺配率拟合曲线

图6 AC-20混合料弯拉应变与掺配率拟合曲线

进行曲线拟合得到相应的曲线方程，将规范要求的最小值2300με分别代入方程中，得到级配AC-16的最佳旧料掺配率为19.8%，级配AC-20的最佳旧料掺配率为16.4%，这样既能保证道路较长时间的使用又能够较大程度地使用废旧沥青混合料。

5 结论

(1)无论是级配AC-16还是AC-20，随着冻融循环次数的增加，其低温性能都会变差，表现为弯拉应变会越来越小。并且随旧料掺量的增加，冻融循环对其影响会越明显。级配AC-16在经过6次冻融循环之后几种旧料掺配率混合料的弯拉应变都满足规范要求，9次冻融循环之后旧料掺量24.1%的混合料弯拉应变不满足规范要求，12次冻融循环之后10%旧料掺量的混合料弯拉应变已经小于规范要求值；对于级配AC-20，6次冻融循环之后旧料掺量24.6%的混合料弯拉应变低于规范值，第9次冻融循环后旧料掺量20%的混合料弯拉应变略小于2300με，第12次冻融循环之后，这几种混合料的弯拉应变都已经小于规范要求值。经过9次冻融循环之后，旧料掺量20%的AC-16混合料弯拉应变满足要求而AC-20混合料弯拉应变略小于规范要求值。公路在使用过程中都会进行中修养护，由试验结果看当旧料掺量20%时能够满足中修年限要求。对于大修或重交通荷载的道路，从抗冻性能角度出发，旧料掺量不宜超过20%。

(2)级配AC-16和级配AC-20混合料弯拉应变损失率随着冻融循环次数的增加而增加，在经过12次冻融循环之后，其弯拉应变损失率都会有较大幅度增长。

(3)通过曲线拟合得到级配AC-16的最佳旧料掺配率为19.8%，级配AC-20的最佳旧料掺配率为16.4%。