凍融作用下的橡膠改性瀝青混合料性能試驗研究*

駱 姸 李石磊 田港勝 劉一鳴

(1.河北省交通規(guī)劃設計院 石家莊 610031； 2.河北雄安榮烏高速公路有限公司 保定 610031；3.西南交通大學土木工程學院 成都 610031； 4.道路工程四川省重點實驗室 成都 610031)

我國東北、西南地區(qū)存在季節(jié)性冰凍地區(qū)，晝夜溫差較大，南北方地區(qū)的瀝青路面都存在不同程度的凍融破壞[1-5]。路面面層凍融病害最為明顯，尤其是上面層的破壞最直觀。但路面面層是一個整體，各層都會不同程度地受到凍融作用的影響，因此研究凍融對整個路面面層的影響十分有必要。已有研究表明，凍融循環(huán)會造成路面材料的水損害，降低其水穩(wěn)定性，提高其滲透性[6-8]。為探究凍融循環(huán)使對瀝青混合料的破壞機理，國內外眾多學者在凍融循環(huán)條件下進行了一系列的試驗。袁軍偉等[9]采用凍融循環(huán)的手段增大了煤體的空隙。李智睿等[10]發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對混凝土內部力學性能有極大的破壞。KEENY等[11]發(fā)現(xiàn)混凝土毛細管孔隙中的冰結晶壓力是造成路面破壞的主要原因。XU B等[12]研究了多孔水泥穩(wěn)定碎石凍融循環(huán)后的滲透性和力學性能，得出多孔水泥穩(wěn)定碎石滲透性增強并會降低其抗壓強度和間接抗拉強度。隨著瀝青路面的普及，瀝青路面的凍融影響也受到了學者們的關注。XU H N等[13]發(fā)現(xiàn)經(jīng)過凍融后的混合料，水分更容易滲透。周源等[14]通過對AC-13混合料進行凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)混合料的抗壓強度和間接拉伸拉伸強度均有不同程度的衰減。司偉等[15-16]研究得出了AC-13瀝青混合料抗壓性能隨凍融次數(shù)增加而逐漸減小。周瑞霞[17]對比了不同油石比瀝青混合料下凍融循環(huán)對其間接拉伸強度的影響，較高油石比的瀝青混合料抵抗凍融破壞的能力越強。綜上，針對瀝青混合料的凍融研究大多是針對普通瀝青混凝土路面。隨著我國交通運輸事業(yè)的發(fā)展，國家對路面整體的綜合性能提出了更高的要求。而橡膠瀝青路面因其良好的路用性(良好的高溫抗變形能力和防水性能)、經(jīng)濟性(造價相較于普通瀝青混凝土路面低)，噪聲低、環(huán)保性(充分利用了廢舊輪胎)在高速公路中有廣泛的應用。在長距離大規(guī)模的高速路網(wǎng)中，水分在車輛的行駛過程中滲入路面集料界面，匯聚于面層，并在溫度下降至0 ℃以下時結成冰，發(fā)生體積膨脹。為保證路面的正常通行，人為對路面進行加熱除冰，如此路面反復進行著凍融過程，路面整體穩(wěn)定性下降。因此對橡膠改性瀝青路面的凍融研究十分有必要。

基于此，本研究擬測試橡膠改性瀝青混合料在凍融循環(huán)條件下的各項物理性能，并探討凍融循環(huán)下，混合料的滲水性與瀝青混合料空隙率的變化，分析其相關性，進一步了解橡膠改性瀝青混合料凍融損傷機理。

1 材料和方法

1.1 材料

采用路面面層常用的混合料級配ARHM-13、ARHM-20和ARHM-25，瀝青采用橡膠改性瀝青。混合料的級配見表1。橡膠瀝青的技術指標見表2。

表1 瀝青混合料級配表

表2 橡膠改性瀝青技術指標

1.2 試驗方法

采用馬歇爾擊實儀成型瀝青混合料。凍融循環(huán)方案為在每個凍融循環(huán)過程中，試樣在水溶液中以97.3～98.7 kPa的真空飽和處理45 min。由于西南和東北地區(qū)的地域差異，冬季環(huán)境溫度差異較大。為滿足不同地域下冬季溫度下的冰凍要求，參照《公路工程抗凍設計與施工施工技術指南》中的溫度-18 ℃作為試驗中的冷凍溫度，將試件在冰箱中冷凍16 h。然后將試樣放在60 ℃的水中解凍8 h，其中采用JTG E20-2011《公路工程瀝青混合料試驗規(guī)程》中的試驗方法(T0703)、(T0713)和(T0729)分別測定瀝青混合料的滲透系數(shù)、抗壓強度和間接拉伸強度。試驗試樣的直徑和高度分別為(100±0.2)mm和(95.3±2.5)mm。

2 試驗結果與分析

2.1 凍融循環(huán)對空隙率的影響

凍融循環(huán)示意圖見圖1。

圖1 凍融循環(huán)示意圖

由圖1可見，凍融后試件內部的變化，經(jīng)過凍融處理后，集料之間的空隙明顯增大，且不可恢復。3種材料的空隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化見圖2。

圖2 空隙率變化圖

由圖2可以看出混合料的空隙率一直增大。在凍融循環(huán)試驗中，在低溫條件下水結冰膨脹，導致瀝青混合料體積增大，孔隙結構內壁產生冰負荷，空隙率增大。ARHM-25混合料的空隙率增長速度比凍融循環(huán)后的ARHM-13混合料和ARHM-20更顯著。是因為試樣浸入水中時，ARHM-25混合料的空隙率高于其他混合料，且ARHM-25混合料空隙結構中的冰壓遠高于其他混合料。此外還可以看出，ARHM-13混合料和ARHM-20的變化規(guī)律相似，這是因為ARHM-13和ARHM-20試驗的空隙率較小使得試件內部含水量和冰壓較小，水的滲透壓力和冰的膨脹壓力對混合料內部薄弱處的連通孔隙作用不明顯。ARHM-13和ARHM-20的混合料空隙率在第12次凍融影響下，不再明顯增加。試件在凍融12次以后，混合料內部結構薄弱的連通孔隙基本貫通，凍融帶動水分產生的流動，凍脹影響有限，孔隙無法進一步擴張，因此在到24次凍融循環(huán)的過程中，空隙率變化一直趨于平穩(wěn)。ARHM-25混合料在第12次凍融后，試樣的高度和半徑變形超過10%，混合料發(fā)生剝落。因此，本文沒有討論ARHM-25混合料在凍融循環(huán)次數(shù)超過12次時的空隙率。

2.2 凍融循環(huán)對水滲透性的影響

由圖2的結果可知，與未進行凍融循環(huán)的試樣相比，ARHM-13和ARHM-20在第24次凍融循環(huán)后的空隙率增長分別為33.7%和45.1%，在第12次凍融循環(huán)后的ARHM-25瀝青混合料空隙率增長了59.3%?？障堵实淖兓瘜r青混合料滲水性能產生了主要影響。由于瀝青混合料自身的結構組成，水分在其中有大量的流動空間。圖3顯示了水滲透速率的變化。

圖3 水滲透速率變化圖

由圖3可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，水滲透性逐漸增大。當凍融循環(huán)次數(shù)從0增加到24次時，ARHM-13混合料和ARHM-20的水滲透速率分別增加了4.7倍和6.4倍，但其滲水速率與ARHM-25混合料相比仍然很低，作為懸浮密實結構，密實程度高，水分相對難以滲透，水凍脹后擴大孔隙的效果也不明顯，水滲透速率和滲透速率的增長幅度均較低。同時，ARHM-25在第12次凍融循環(huán)后，混合料的水滲透率提高了7.8倍。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下，ARHM-25混合料的水滲透性增加速度高于ARHM-13混合料和ARHM-20。在凍融作用下，ARHM-25混合料的滲水性變化幅度最為顯著。很明顯，水的滲透速率和空隙率有著相似的變化規(guī)律。繪制空隙率與混合料滲透速率相關性曲線見圖4。

圖4 空隙率與混合料滲水速率相關性

由圖4可知，對于3種瀝青混合料類型中，ARHM-25瀝青混合料的滲水速率和空隙率相關性最高，ARHM-25瀝青混合料中的粗集料較多，形成的骨架密實結構被凍融破壞后，混合料內部松散，會出現(xiàn)較大的空隙，且伴隨著部分集料的剝落，極大豐富了水的流通路徑。

2.3 凍融循環(huán)對抗壓強度的影響

凍結后對混合料結構內部的影響示意見圖5，為了進一步分析瀝青混合料在凍融循環(huán)后力學性能的損傷程度，進行了抗壓強度的試驗。抗壓強度試驗結果見圖6。計算抗壓強度損失率見圖7。

圖5 凍融后混合料內部結構變化圖

圖6 抗壓強度變化圖

圖7 抗壓強度損失率變化圖

可見在最后一次凍融循環(huán)結束后，ARHM-25、ARHM-13和ARHM-20瀝青混合料的抗壓強度損失率分別為61%，40.1%和49.0%。在最初的12次凍融循后，ARHM-25、ARHM-13和ARHM-20瀝青混合料的抗壓強度的衰減分別為61%，20.7%和26.3%。在凍的過程中，空隙中水的結冰膨脹導致瀝青混合料中微裂紋的引發(fā)和擴散，導致混合料空隙含量的增加。水浴過程中，水分進入集料界面間，匯聚后形成水壓，骨料顆粒之間嵌鎖減少，粗骨料與瀝青砂漿之間的黏附性也降低。由于相同的懸浮密實結構，ARHM-13混合料和ARHM-20混合料的抗壓強度和抗壓強度的損失率的變化趨勢沒明顯的差異，同時，凍融循環(huán)對ARHM-25混合料抗壓強度的負面影響比ARHM-13混合料和ARHM-20混合料更顯著。ARHM-25混合料因其大骨架結構在反復凍融下，發(fā)生的已經(jīng)不是內部結構的損傷，是大面積的混合料剝落，其抗壓強度因此發(fā)生斷崖式下跌。

2.4 凍融循環(huán)對壓縮回彈模量的影響

壓縮回彈模量變化見圖8。

圖8 壓縮回彈模量變化圖

由圖8可見，在凍融循環(huán)過程中，壓縮回彈模量均迅速下降。經(jīng)過6次凍融循環(huán)后，ARHM-13混合料、ARHM-20和ARHM-25混合料的壓縮回彈模量分別降低了18.9%，19.7%和24.4%。在第12次凍融結束后，ARHM-13、ARHM-20和ARHM-25混合料的壓縮回彈模量分別降低了32.9%，30.0%和 59.7%。12次凍融循環(huán)對ARHM-25混合料壓縮回彈模量的影響強于ARHM-13和ARHM-20混合料的壓縮回彈模量。壓縮回彈模量由于空隙率的增加，內部結構穩(wěn)定性下降而下降，ARHM-25混合料在12次凍融后，已發(fā)生結構上的失穩(wěn)。

2.5 凍融循環(huán)對間接拉伸強度的影響

間接拉伸強度和殘余間接拉伸強度比的變化見圖9和圖10。

圖9 間接抗拉強度變化圖

圖10 殘余間接抗拉強度變化圖

由圖9、圖10可見，2個強度指標隨著凍融次數(shù)不斷衰減。對于ARHM-13，其間接拉伸強度在第9次凍融循環(huán)結束后急劇下降。當凍融循環(huán)次數(shù)從12次變化到24次時，ARHM-13混合料的間接拉伸強度的變化保持相對穩(wěn)定，間接拉伸強度的損失率也保持相對穩(wěn)定，在第24次凍融循環(huán)后，ARHM-13混合料的間接拉伸強度損失率為32.2%。對于ARHM-20，其間接拉伸強度先減少后增加。在第12次凍融循環(huán)后，試樣的間接拉伸強度開始減小，在最終第24次凍融循環(huán)后，間接拉伸強度損失比為46.1%。ARHM-25混合料的間接拉伸強度在凍融循環(huán)試驗中急劇下降，在第12次凍融循環(huán)后降低了83.8%。在凍融循環(huán)初期，混合料內部產生的微裂縫帶來的應力集中現(xiàn)象導致了間接拉伸強度的快速下降，在凍融循環(huán)后期，由于前期凍融作用下產生的微裂縫已有一定的體積空間，在水結冰體積變大擠壓混合料的過程中，微裂縫起到了一定的緩沖效果，從而在凍融后期，混合料的內部力學性能下降相對平緩。凍融循環(huán)作用對ARHM-25混合料結構穩(wěn)定性的影響明顯大于ARHM-13和ARHM-20瀝青混合料。

3 結論

1)在凍融循環(huán)作用下，ARHM-25橡膠改性瀝青混合料空隙率的增長速率高于ARHM-20和ARHM-13瀝青混合料。同時，凍融循環(huán)對早期瀝青混合料的空隙率顯著提升，對凍融后期瀝青混合料空隙率影響有限，空隙率增長保持較低水平。在橡膠瀝青路面配合比設計時，適量減小空隙率可加強路面抵抗水損的能力，應重點考慮ARHM-25橡膠改性瀝青混合料凍融后空隙率變化帶來的不利影響。

2)凍融循環(huán)使得瀝青與骨料之間，骨料與骨料之間的黏附效果減弱，豐富了水的流通路徑。大粒徑ARHM-25混合料滲水的速率提升幅度最明顯，其空隙率的變化與滲水速率的相關性最強，ARHM-20和ARHM-13瀝青混合料相關性較弱。因此考慮設計橡膠瀝青路面時，應以下面層ARHM-25混合料作為最不利設計條件。

3)凍融循環(huán)使得瀝青混合料內部結構出現(xiàn)了損傷，凍融前期內部力學性能損傷的程度明顯大于凍融后期，且對于不同級配瀝青混合料，凍融循環(huán)對ARHM-25混合料力學性能的負面影響明顯大于ARHM-20和ARHM-13瀝青混合料。凍融循環(huán)對與橡膠瀝青混合料的力學損傷都體現(xiàn)為前期發(fā)展迅速，后期趨平緩。因此在對橡膠改性瀝青混合料進行凍融評價時，應以其力學響應穩(wěn)定時的凍融次數(shù)作為評價指標。

該結論只是在ARHM-13、ARHM-20和ARHM-25 3種級配下橡膠改性瀝青混合料試驗基礎上得到的，對與其他級配形式的瀝青混合料的抗凍融循環(huán)性能還需進一步研究。