凍融循環(huán)對再生瀝青混合料低溫抗裂性能的影響研究

許西淼，劉忠根

(吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院 長春市 130118)

1 概述

低溫縮裂是引起瀝青路面各種病害的源頭之一，如果不及時(shí)處理任由其發(fā)展，會(huì)對瀝青路面的路用性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，進(jìn)而會(huì)縮短瀝青路面的使用年限。我國幅員遼闊，南北溫度差異很大，一半以上地區(qū)的瀝青路面都會(huì)受到溫度裂縫的危害。隨著我國交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展越來越完善，對道路的質(zhì)量要求也越來越高，低溫裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展嚴(yán)重影響道路的使用質(zhì)量，因此，要著重于對瀝青混合料低溫縮裂的研究，以期找到減小裂縫損害的方法。

隨著綠色、可持續(xù)發(fā)展的理念深入人心，瀝青路面舊料再生越來越受到關(guān)注，結(jié)合課題研究對再生瀝青混合料低溫抗裂性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

瀝青混合料低溫縮裂帶來的危害非常大，國內(nèi)外學(xué)者對低溫開裂做出了大量的研究。1966年加拿大學(xué)者提出溫度應(yīng)力的計(jì)算模型與公式[1]。70年代美國學(xué)者對瀝青路面的溫度疲勞開裂進(jìn)行了大量的研究，并取得一定的成就。國內(nèi)在瀝青混合料低溫抗裂性研究方面也取得相當(dāng)大的成就，李靜、袁建[2]采用Burgers模型，通過分析瀝青混合料低溫試驗(yàn)結(jié)果，得到瀝青混合料粘彈性參數(shù)這一指標(biāo)，并且從能量的角度來評(píng)價(jià)瀝青路面的低溫開裂。陳梓寧[3]通過約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)和低溫彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的低溫性能，并對約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)的四個(gè)指標(biāo)與彎曲應(yīng)變進(jìn)行相關(guān)性分析。郭博、高妮[4]通過小梁彎曲試驗(yàn)，利用低溫破壞能來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能。吳中[5]通過SCB試驗(yàn)評(píng)價(jià)SBS改性瀝青混合料的低溫抗裂性能，并與小梁彎曲試驗(yàn)做對比，得到SCB可以代替小梁彎曲試驗(yàn)用來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能。侯睿、黃曉明[6]通過劈裂試驗(yàn)來評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的低溫性能，其中評(píng)價(jià)指標(biāo)為劈裂抗拉強(qiáng)度、破壞拉伸應(yīng)變、破壞勁度模量。王巨創(chuàng)[7]通過對切縫與未切縫處理的小梁進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，以臨界應(yīng)變能密度作為評(píng)價(jià)瀝青混合料低溫抗裂性的指標(biāo)。汲平、徐朝[8]通過劈裂試驗(yàn)，根據(jù)瀝青混合料脆化點(diǎn)和-10℃劈裂豎向位移提出以低溫指數(shù)這一指標(biāo)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能。

2 瀝青路面裂縫的類型及影響低溫抗裂性的因素

2.1 裂縫的類型

瀝青路面(包括再生路面)的裂縫可以分為三類：橫向裂縫、縱向裂縫和網(wǎng)狀裂縫[9]。其中橫向裂縫按其形成原因可以分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫。荷載型裂縫是由于路面承載能力不足以承擔(dān)車輛的荷載及反復(fù)荷載的疲勞作用引起的。非荷載裂縫是瀝青路面橫向裂縫的主要形式，其形成原因復(fù)雜多樣。主要包括嚴(yán)冬期由于溫度驟降出現(xiàn)的橫向收縮裂縫、溫度疲勞裂縫、反射裂縫、凍縮裂縫及綜合原因造成的橫向裂縫?？v向裂縫產(chǎn)生的原因也有許多，主要是由于承載力承擔(dān)不住過大的荷載、在瀝青路面攤鋪時(shí)縱向接縫沒處理好、路基壓實(shí)度不均勻或者水對路基邊緣的侵蝕等原因造成的。本文主要針對橫向裂縫開展研究。

2.2 影響瀝青混合料低溫抗裂性的因素

影響瀝青路面抗裂性的因素總的來說主要包括：材料特性、環(huán)境、路面幾何尺寸等方面?？梢詫⑺鼈兏?xì)地劃分為：瀝青性質(zhì)的影響、瀝青混合料組成的影響、路面結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、基層的影響、氣候等環(huán)境因素這幾個(gè)部分。其中瀝青的性質(zhì)主要包括：瀝青的感溫性、勁度、針入度、延度、感時(shí)性和老化性能。針對瀝青混合料的組成，主要包括：瀝青的用量、礦料性質(zhì)及組成級(jí)配和剝落率；對于路面幾何尺寸來說，如果路面寬度過窄，其產(chǎn)生的裂縫間距也比較近，瀝青的質(zhì)量好也會(huì)有效地降低裂縫發(fā)生的幾率，瀝青路面厚度大也能夠減少裂縫的產(chǎn)生；研究發(fā)現(xiàn)較大的溫差是直接導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的原因。這些因素都對瀝青混合料的低溫抗裂性產(chǎn)生影響，只有知道裂縫產(chǎn)生的原因，才能綜合考慮從而降低裂縫造成的損害。

3 試驗(yàn)原料及試驗(yàn)方法

3.1 試驗(yàn)原料

在已有的研究成果基礎(chǔ)上深入研究，已有的研究[10]對新瀝青、新集料的性質(zhì)進(jìn)行分析，又對舊料進(jìn)行抽提、蒸餾、篩分，并對舊集料和舊瀝青進(jìn)行性質(zhì)分析，然后通過一系列的方法確定再生瀝青混合料的級(jí)配、最佳油石比及最大舊料摻配率，并對其路用性能進(jìn)行研究分析，其中瀝青混合料的級(jí)配為AC-16和AC-20。經(jīng)過計(jì)算，級(jí)配AC-16舊料的最大摻配率為24.1%，AC-20的舊料最大摻配率為24.6%，研究再生瀝青混合料在不同凍融循環(huán)條件下低溫性能的變化特點(diǎn)。選取AC-16舊料摻配率為0%、10%、20%和24.1%，AC-20舊料摻配率為0%、10%、20%和24.6%。

3.2 低溫抗裂性試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)中的T 0715方法，將尺寸為300mm×300mm×50mm標(biāo)準(zhǔn)車轍板試件切割成250mm×30mm×35mm的棱柱體小梁。試驗(yàn)儀器采用30kN多功能液壓伺服路面材料動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng)(DTS-30)，試驗(yàn)前先將試件放到冷凍箱冰凍至少3h，試驗(yàn)溫度為-10℃，試驗(yàn)加載速率為50mm/min。

圖1 DTS-30試驗(yàn)機(jī)

圖2 小梁彎曲試驗(yàn)

3.3 凍融試驗(yàn)方法

目前對于凍融試驗(yàn)有多種方法，在瀝青混合料凍融循環(huán)劈裂試驗(yàn)中介紹的凍融方法為：在真空為97.3～98.7kPa的條件下保持15min，然后恢復(fù)常壓，把試件放在水中30min，取出試件放入塑料袋中，注入大約10mL的水，放入溫度調(diào)節(jié)為-18℃±2℃的冷凍箱中，保持16h±1h，在60℃的恒溫水浴中融化24h，以此為一次凍融循環(huán)。許多學(xué)者參考這一規(guī)程制定新的凍融方法。王海鵬[12]根據(jù)研究項(xiàng)目所在地的氣候特點(diǎn)總結(jié)凍融方法為：真空條件下將試件充分飽水16min，取出放入塑料袋，加入少許水密封，放入冷凍箱在-20℃的條件下冷凍16h，在常溫狀態(tài)下融化8h，此為一次凍融循環(huán)。周瑞霞[13]參考水泥混凝土凍融試驗(yàn)制定凍融方法為：將試件放在真空飽水的條件下至少45min，以保證試件空隙中充滿水分，取出試件放入-20℃的冰柜中冷凍6h，取出放入30℃的恒溫水浴中融化6h，作為一個(gè)循環(huán)。侯曙光[14]制定的凍融試驗(yàn)方法為：先真空條件下15min，然后放入水中至少1h進(jìn)行飽水，采用保鮮膜密封試件，立即放入-18℃的冷凍箱中冷凍至少4h，然后放入常溫水槽中融化不少于4h，以此過程為一個(gè)循環(huán)。李寧、司偉[15]在冷凍時(shí)把試件放在黑塑料袋中注入大約30ml水然后把袋密封好，放入-25℃±1℃的冷凍箱冰凍12h，在融化時(shí)，把試件從黑塑料袋中取出，放入25℃±1℃的恒溫水浴中融化12h，這樣作為一個(gè)循環(huán)。

由于吉林冬季最低平均溫度能達(dá)到-18～-20℃，夏季平均溫度能達(dá)到21～23℃，在結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蚝蛥⒖家延械脑囼?yàn)方案的基礎(chǔ)上，制定的凍融試驗(yàn)條件如下：把試件放入室溫水槽中至少2h，使其飽水，然后放入塑料袋中，注入大約10ml水，扎緊袋口放入溫度為-18℃的冷凍箱中冷凍12h，然后從塑料袋中取出試件放入室溫水槽中融化12h，以此為一個(gè)循環(huán)。選取的凍融循環(huán)次數(shù)為0次、6次、9次、12次，為減小水對試驗(yàn)結(jié)果的影響。當(dāng)試件完成凍融循環(huán)試驗(yàn)后，把試件取出在室溫條件下放置至少48h，然后再進(jìn)行瀝青混合料的性能試驗(yàn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取兩個(gè)級(jí)配AC-16與AC-20，在不同舊料摻配率下經(jīng)過12次凍融循環(huán)后進(jìn)行小梁彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如：

4.1 凍融循環(huán)次數(shù)對彎拉應(yīng)變的影響

圖3 AC-16混合料彎拉應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖4 AC-20混合料彎拉應(yīng)變與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

從圖3和圖4整體來看，無論是級(jí)配AC-16還是級(jí)配AC-20，其彎拉應(yīng)變都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。這是因?yàn)殡S著凍融循環(huán)次數(shù)的增加侵入瀝青混合料內(nèi)部的水會(huì)結(jié)冰膨脹，對瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損害。

仔細(xì)分析圖3和圖4可以看出，在沒有經(jīng)過凍融循環(huán)時(shí)，無論級(jí)配AC-16還是級(jí)配AC-20的初始彎拉應(yīng)變都大于2300με，滿足規(guī)范要求。分析級(jí)配AC-16，當(dāng)不摻舊料時(shí)，經(jīng)過12次凍融循環(huán)其彎拉應(yīng)變?nèi)詽M足要求；當(dāng)舊料摻量10%和20%時(shí)，經(jīng)過12次凍融循環(huán)后，其彎拉應(yīng)變就已經(jīng)不滿足要求；當(dāng)舊料摻量24.1%時(shí)，第9次凍融循環(huán)后，其彎拉應(yīng)變已經(jīng)不滿足要求。分析級(jí)配AC-20，當(dāng)舊料摻量分別為0%和10%時(shí)，經(jīng)過12次凍融循環(huán)，其彎拉應(yīng)變已經(jīng)不能滿足要求；當(dāng)舊料的摻配率為20%，經(jīng)過9次凍融循環(huán)以后，其彎拉應(yīng)變稍微小于但是接近2300με；但是當(dāng)舊料的摻配率為24.6%時(shí)，經(jīng)過6次凍融循環(huán)之后其彎拉應(yīng)變就不符合規(guī)范要求，其低溫抗裂性能大大降低。通過分析可以得出：舊料摻配率越大，瀝青混合料受凍融循環(huán)的影響越大，摻加的舊料越多，其經(jīng)歷較短時(shí)間凍融循環(huán)之后其彎拉應(yīng)變就不滿足要求。

4.2 凍融循環(huán)次數(shù)對彎拉應(yīng)變損失率的影響

彎拉應(yīng)變損失率定義為：

第n次凍融彎拉應(yīng)變損失率=

彎拉應(yīng)變損失率結(jié)果見表1和表2。

表1 AC-16混合料彎拉應(yīng)變損失率(%)

表2 AC-20混合料彎拉應(yīng)變損失率(%)

通過分析表1和表2 發(fā)現(xiàn)級(jí)配AC-16和AC-20的彎拉應(yīng)變損失率都隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。

對于級(jí)配AC-16來說，在不同舊料摻配率下經(jīng)歷9次凍融循環(huán)，其彎拉應(yīng)變損失率相差不大，但是經(jīng)歷12次凍融循環(huán)后，除了不摻加舊料的那一組，剩下3組的彎拉應(yīng)變損失率都會(huì)有較大幅度的增長；對于級(jí)配AC-20來說，當(dāng)舊料摻量24.6%時(shí)，經(jīng)過9次凍融循環(huán)后其彎拉應(yīng)變損失率大于其他3組，但是在經(jīng)過12次凍融循環(huán)之后，它們的彎拉應(yīng)變損失率都會(huì)有較大幅度的增大。

4.3 曲線擬合

通過綜合分析圖3和圖4，就級(jí)配AC-16而言，當(dāng)舊料摻加的比例在10%～20%范圍內(nèi)，經(jīng)過9次凍融循環(huán)其彎拉應(yīng)變指標(biāo)仍能滿足要求，但是經(jīng)過12次凍融循環(huán)之后就不滿足規(guī)范要求；分析級(jí)配AC-20，經(jīng)過9次凍融循環(huán)后，摻舊料10%其彎拉應(yīng)變滿足要求，當(dāng)摻舊料20%時(shí)經(jīng)過9次凍融循環(huán)其彎拉應(yīng)變指標(biāo)略小于規(guī)范要求值。通過表1和表2分析，當(dāng)摻舊料為10%和20%時(shí)級(jí)配AC-16和AC-20經(jīng)過9次凍融循環(huán)其彎拉應(yīng)變損失率增長幅度不大，12次凍融循環(huán)之后都有較大幅度的增長。因此，在保證較長的使用年限前提下，得到經(jīng)過9次凍融循環(huán)后其彎拉應(yīng)變都滿足要求的最佳摻配率。對9次凍融循環(huán)條件下的彎拉應(yīng)變與摻配率進(jìn)行曲線擬合，如圖5、圖6所示。

圖5 AC-16混合料彎拉應(yīng)變與摻配率擬合曲線

圖6 AC-20混合料彎拉應(yīng)變與摻配率擬合曲線

進(jìn)行曲線擬合得到相應(yīng)的曲線方程，將規(guī)范要求的最小值2300με分別代入方程中，得到級(jí)配AC-16的最佳舊料摻配率為19.8%，級(jí)配AC-20的最佳舊料摻配率為16.4%，這樣既能保證道路較長時(shí)間的使用又能夠較大程度地使用廢舊瀝青混合料。

5 結(jié)論

(1)無論是級(jí)配AC-16還是AC-20，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其低溫性能都會(huì)變差，表現(xiàn)為彎拉應(yīng)變會(huì)越來越小。并且隨舊料摻量的增加，凍融循環(huán)對其影響會(huì)越明顯。級(jí)配AC-16在經(jīng)過6次凍融循環(huán)之后幾種舊料摻配率混合料的彎拉應(yīng)變都滿足規(guī)范要求，9次凍融循環(huán)之后舊料摻量24.1%的混合料彎拉應(yīng)變不滿足規(guī)范要求，12次凍融循環(huán)之后10%舊料摻量的混合料彎拉應(yīng)變已經(jīng)小于規(guī)范要求值；對于級(jí)配AC-20，6次凍融循環(huán)之后舊料摻量24.6%的混合料彎拉應(yīng)變低于規(guī)范值，第9次凍融循環(huán)后舊料摻量20%的混合料彎拉應(yīng)變略小于2300με，第12次凍融循環(huán)之后，這幾種混合料的彎拉應(yīng)變都已經(jīng)小于規(guī)范要求值。經(jīng)過9次凍融循環(huán)之后，舊料摻量20%的AC-16混合料彎拉應(yīng)變滿足要求而AC-20混合料彎拉應(yīng)變略小于規(guī)范要求值。公路在使用過程中都會(huì)進(jìn)行中修養(yǎng)護(hù)，由試驗(yàn)結(jié)果看當(dāng)舊料摻量20%時(shí)能夠滿足中修年限要求。對于大修或重交通荷載的道路，從抗凍性能角度出發(fā)，舊料摻量不宜超過20%。

(2)級(jí)配AC-16和級(jí)配AC-20混合料彎拉應(yīng)變損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，在經(jīng)過12次凍融循環(huán)之后，其彎拉應(yīng)變損失率都會(huì)有較大幅度增長。

(3)通過曲線擬合得到級(jí)配AC-16的最佳舊料摻配率為19.8%，級(jí)配AC-20的最佳舊料摻配率為16.4%。