橡膠瀝青混合料在凍融作用下的性能研究

陳振超，何東坡，李洪峰

(東北林業(yè)大學土木工程學院，哈爾濱，150040)

我國的季凍區(qū)域面積分布廣，占國土面積50%以上［1］，由于季節(jié)性的溫差較大，瀝青路面經(jīng)過多次的凍脹破壞，結構強度會出現(xiàn)不同程度的降低，導致的病害形式有裂縫、松散和變形等破壞［2-3］，嚴重影響道路的正常使用。導致瀝青路面破壞的原因有兩種，一是材料因素，即瀝青膠結料發(fā)生應力松弛的速率與大小;二是水對集料表面瀝青的沖刷作用及水在混合料中相態(tài)轉換時產(chǎn)生的空隙壓力［4-5］。我國規(guī)范中對于瀝青混合料路用性能的評價偏重于高低溫、疲勞及水穩(wěn)性能，目前尚無統(tǒng)一的瀝青混合料抗凍性評價方法。其中水穩(wěn)實驗中通過測試混合料飽水凍融后與未經(jīng)過凍融的劈裂強度比值評價混合料的水穩(wěn)性能，更側重于混合料的水穩(wěn)定性能，而混合料的抗凍性實驗需要數(shù)十次甚至上百次的凍融循環(huán)。本研究以室內(nèi)劈裂實驗為基礎，揭示凍融循環(huán)對橡膠瀝青混合料劈裂特性的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料性能指標

選擇低溫拉伸性能良好、彈性恢復能力強且與集料粘附性較好的橡膠瀝青，實驗采用60目膠粉、外摻量為24%的橡膠瀝青，橡膠瀝青技術指標見表1。

表1 橡膠瀝青技術指標Tab.1 Technical specifications of rubber and asphalt mixture

試驗集料采用阿城地區(qū)所產(chǎn)的玄武巖，分別為0～3mm的石屑、3～5mm的碎石、5～10mm的碎石。礦粉由石灰?guī)r磨制而成。根據(jù)JTG E42-2005《公路工程集料試驗規(guī)程》進行指標檢測，檢測結果符合要求。合成級配見表2。

表2 級配組成Tab.2 Gradation composition

根據(jù)瀝青混合料試驗規(guī)程中馬歇爾試件的實驗方法，雙面擊實各75次制成標準馬歇爾試件［7］，其中馬歇爾試件初始體積指標見表3。

表3 橡膠瀝青混合料初始馬歇爾指標Tab.3 Initial Marshall indicators of rubber and asphalt mixture

1.2 試驗方法

在東北地區(qū)，秋冬交替時段，北部冷空氣來臨，瀝青混合料路面來不及應力松弛，導致出現(xiàn)大量的路面低溫開裂現(xiàn)象。凍融循環(huán)試驗應遵循最不利條件原則，借鑒國內(nèi)各學者采用的凍融循環(huán)實驗方法［8-11］，結合晝夜交替溫差變化。本次凍融循環(huán)條件為:將制作好的馬歇爾試件在真空條件下進行飽水15min，然后將試件取出立即放入塑料袋中，加入10 mL水并扎緊塑料袋，在冷藏室中恒溫-20℃保持16h，取出試件后在室溫條件下自然融化8h，以此為一個凍融循環(huán)，并測試出不同次數(shù)凍融條件下的技術指標。

2 試驗結果與分析

將完成凍融實驗的試件放入25℃恒溫水槽中，保溫2h后進行劈裂實驗，測得劈裂強度、拉伸應變結果見表4和表5。

表4 橡膠瀝青混合料凍融后的劈裂強度Tab.4 Splitting strength of asphalt and rubber material after freeze-thaw MPa

表5 橡膠瀝青混合料凍融后的拉伸應變Tab.5 Tensile strain of rubber and asphalt mixture after thawing MPa

2.1 凍融次數(shù)對混合料劈裂性能的影響

勁度模量可由劈裂強度與拉伸應變計算得出，不同油石比條件下混合料劈裂強度、拉伸應變、勁度模量隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律如圖1～圖3所示。

圖1 劈裂強度變化曲線Fig.1 The changes of splitting strength

圖2 拉伸應變變化曲線Fig.2 The changes of tensile strain

圖3 勁度模量變化曲線Fig.3 The changes of stiffness modulus

由圖1可以看出，橡膠瀝青混合料的劈裂強度隨凍融次數(shù)的增加呈減小的趨勢，但不同油石比的劈裂強度隨凍融次數(shù)的衰減速率有所差別，較小油石比隨凍融次數(shù)增加，強度迅速降低，在凍融4～5次時強度趨于穩(wěn)定，衰減幅度為50%左右;油石比為9.2%的混合料在凍融5次之前，強度衰減規(guī)律并不突出，之后強度逐漸減小，在凍融9～12次混合料強度達到穩(wěn)定，衰減幅度為20%左右;油石比8.5%與9.5%的混合料在前5次凍融條件下強度逐漸減小，降低速度明顯小于油石比為8.5%混合料，在7～9次凍融循環(huán)后趨于穩(wěn)定。

由圖2可以看出，混合料拉伸應變隨凍融次數(shù)的增加而減小。油石比為8.0%和8.5%的混合料在初始5次凍融過程中拉伸應變增長較快，在5～15之間增長趨勢逐漸減小，油石比9.5%、9.2%的混合料在初始5次凍融循環(huán)過程中拉伸應變增加趨勢較小，在5～9次過程中應變迅速增大，9～15凍融循環(huán)過程中拉伸應變趨于穩(wěn)定。

由圖3可以看出，橡膠瀝青混合料的勁度模量隨凍融次數(shù)的增加而減小，其中油石比8%的混合料勁度模量降低速度最快，在前3次凍融循環(huán)過程中呈直線下降，在3～5此凍融循環(huán)過程中勁度模量趨于穩(wěn)定，衰減幅度高達58%;油石比為8.5%的混合料在5次凍融循環(huán)后勁度模量趨于穩(wěn)定，衰減幅度達47%;油石比為9.2%、9.5%的混合料在3次凍融循環(huán)之前變化趨勢較小，4～9次凍融循環(huán)過程中勁度模量衰減速度增大，9次之后趨于穩(wěn)定，衰減幅度達30%。

由以上數(shù)據(jù)可知，橡膠瀝青混合料性能均隨凍融次數(shù)增加而降低。其原因在于:混合料真空飽水后，水分進入混合料內(nèi)部空隙，在降溫過程中試件外部水分首先凍結，限制試件內(nèi)部水分的流動，隨之溫度的進一步降低，試件內(nèi)部孔隙水開始凝結成冰，由于試件外部冰體的密封作用，內(nèi)部孔隙水凝結成冰所增加的體積難以釋放，對內(nèi)部空隙產(chǎn)生較大的膨脹壓力，破壞集料的空間排列，對混合料內(nèi)部造成損傷。但溫度升高時，外部冰體首先融化，空隙內(nèi)的膨脹壓力逐漸減小，混合料空隙的擴張有所恢復，但難以恢復到初始的狀態(tài)［12-15］。隨著凍融次數(shù)的增加，試件內(nèi)部微小損傷逐漸累積，表現(xiàn)為混合料性能逐漸降低［16］。

2.2 油石比對混合料劈裂性能的影響

劈裂強度、拉伸應變及勁度模量隨油石比的變化規(guī)律如圖4～圖6所示。

圖4 劈裂強度隨油石比的變化趨勢Fig.4 Variations rends of splitting strength ratio with whetstone

圖5 拉伸應變隨油石比的變化趨勢Fig.5 Variation trends of tensile strain ratio with Whetstone

圖6 勁度模量隨油石比的變化趨勢Fig.6 Variation trends of stiffness modulus ratio with Whetstone

不同凍融循環(huán)次數(shù)下的混合料劈裂強度隨油石比的變化規(guī)律相似，橡膠瀝青混合料的劈裂強度隨油石比的增大呈拋物線變化趨勢。在油石比較小的條件下，橡膠瀝青的用量對劈裂強度影響較大，隨著瀝青用量的增加，劈裂強度的增加幅度逐漸減小，在9.2%的油石比附近存在最佳油量，超過此拐點后，劈裂強度出現(xiàn)下滑趨勢。

橡膠瀝青混合料的拉伸應變隨油石比的增大而增大，凍融循環(huán)3～5次之后的拉伸應變迅速增大;油石比超過9.2%后，混合料拉伸應變增長速度開始放緩。

橡膠瀝青混合料的勁度模量。隨油石比的增大呈拋物線變化規(guī)律，在凍融循環(huán)初期，油石比的大小對勁度模量衰減影響較大，油石比在9.2%附近時，凍融條件對勁度模量的影響較小。沙慶林院士在對瀝青混合料的水穩(wěn)性研究中提出瀝青面層應采用空隙率不大于5%的密集配，根據(jù)上圖所示，橡膠瀝青混合料的抗凍融性能最好的油石比范圍為9%～9.5%，估算出空隙率約為3.5% ～5%。橡膠瀝青混合料的空隙率上限與賈慶林院士的研究結果相似，因此建議橡膠瀝青混合料的空隙率以控制在3.5%～5%。

綜上所述，在油石比較小的情況下，瀝青膠結料不足以裹附集料表面，混合料的強度很大程度上依賴于橡膠瀝青與集料的粘附力，骨架嵌擠結構在劈裂拉伸的作用下具有向外拉伸的趨勢，橡膠瀝青與細集料組成的瑪蹄脂對粗集料的移動具有約束作用，因此橡膠瀝青用量的增加提高了瑪蹄脂的抗拉勁度與粘結力，能夠提高橡膠瀝青混合料的劈裂強度和勁度。當橡膠瀝青超過一定用量時，多余的瀝青沒有足夠的集料表面可以依附，混合料受到向外拉伸的作用時，多余的自由瀝青起到了一定的潤滑作用，加速了集料的相對滑動趨勢，從而使混合料性能降低。

熱拌密集配的設計空隙率為3%～4%，施工現(xiàn)場的壓實度一般為90% ～95%，也就是說施工完成后混合料的空隙率達到7%～8%，本實驗中油石比為8%的混合料對應的空隙率為7.4%，其經(jīng)過5次凍融后的劈裂強度損失比為51%，抗凍融性能最差，與賈渝的研究結果相吻合，即最容易發(fā)生水損害的空隙率范圍為8～12%［17］。為預防路面早期破壞，混合料施工的現(xiàn)場空隙率應避開空隙率危險區(qū)，建議混合料現(xiàn)場空隙率不宜大于7%。

3 結論

(1)凍融循環(huán)對混合料的性能影響較大，其中劈裂強度與勁度模量隨凍融次數(shù)的增加逐漸減小，拉伸應變隨凍融次數(shù)的增加而增加。

(2)油石比為8.0%的混合料隨凍融次數(shù)增加，強度迅速降低，在凍融4～5次時強度趨于穩(wěn)定，衰減幅度高達58%;油石比在9.2%以上的混合料在凍融5次之前，強度衰減規(guī)律并不突出，之后強度逐漸減小，衰減幅度為20%左右，因此不宜選用低油石比、大空隙率的橡膠瀝青混合料。

(3)橡膠瀝青混合料的抗凍融性能最好的油石比范圍為9%～9.5%，估算出空隙率約為3.5%～5%;為預防路面早期破壞，混合料施工的現(xiàn)場空隙率應避開空隙率危險區(qū)，建議混合料現(xiàn)場空隙率不宜大于7%。

(4)以凍融后的劈裂強度、拉伸應變、勁度模量為指標來評價橡膠瀝青混合料的抗凍融性能，其結果層次分明，易于區(qū)分抗凍融性能的優(yōu)劣，適合評價季凍區(qū)瀝青混合料的抗凍融性能，具有指導意義。

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