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(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱，150040)

我國(guó)的季凍區(qū)域面積分布廣，占國(guó)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(guò)多次的凍脹破壞，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)不同程度的降低，導(dǎo)致的病害形式有裂縫、松散和變形等破壞［2-3］，嚴(yán)重影響道路的正常使用。導(dǎo)致瀝青路面破壞的原因有兩種，一是材料因素，即瀝青膠結(jié)料發(fā)生應(yīng)力松弛的速率與大小;二是水對(duì)集料表面瀝青的沖刷作用及水在混合料中相態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的空隙壓力［4-5］。我國(guó)規(guī)范中對(duì)于瀝青混合料路用性能的評(píng)價(jià)偏重于高低溫、疲勞及水穩(wěn)性能，目前尚無(wú)統(tǒng)一的瀝青混合料抗凍性評(píng)價(jià)方法。其中水穩(wěn)實(shí)驗(yàn)中通過(guò)測(cè)試混合料飽水凍融后與未經(jīng)過(guò)凍融的劈裂強(qiáng)度比值評(píng)價(jià)混合料的水穩(wěn)性能，更側(cè)重于混合料的水穩(wěn)定性能，而混合料的抗凍性實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，揭示凍融循環(huán)對(duì)橡膠瀝青混合料劈裂特性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 原材料性能指標(biāo)

選擇低溫拉伸性能良好、彈性恢復(fù)能力強(qiáng)且與集料粘附性較好的橡膠瀝青，實(shí)驗(yàn)采用60目膠粉、外摻量為24%的橡膠瀝青，橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 橡膠瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical specifications of rubber and asphalt mixture

試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程》進(jìn)行指標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合要求。合成級(jí)配見(jiàn)表2。

表2 級(jí)配組成Tab.2 Gradation composition

根據(jù)瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中馬歇爾試件的實(shí)驗(yàn)方法，雙面擊實(shí)各75次制成標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件［7］，其中馬歇爾試件初始體積指標(biāo)見(jiàn)表3。

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

1.2 試驗(yàn)方法

在東北地區(qū)，秋冬交替時(shí)段，北部冷空氣來(lái)臨，瀝青混合料路面來(lái)不及應(yīng)力松弛，導(dǎo)致出現(xiàn)大量的路面低溫開(kāi)裂現(xiàn)象。凍融循環(huán)試驗(yàn)應(yīng)遵循最不利條件原則，借鑒國(guó)內(nèi)各學(xué)者采用的凍融循環(huán)實(shí)驗(yàn)方法［8-11］，結(jié)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(jìn)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(gè)凍融循環(huán)，并測(cè)試出不同次數(shù)凍融條件下的技術(shù)指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將完成凍融實(shí)驗(yàn)的試件放入25℃恒溫水槽中，保溫2h后進(jìn)行劈裂實(shí)驗(yàn)，測(cè)得劈裂強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 橡膠瀝青混合料凍融后的劈裂強(qiáng)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(yīng)變Tab.5 Tensile strain of rubber and asphalt mixture after thawing MPa

2.1 凍融次數(shù)對(duì)混合料劈裂性能的影響

勁度模量可由劈裂強(qiáng)度與拉伸應(yīng)變計(jì)算得出，不同油石比條件下混合料劈裂強(qiáng)度、拉伸應(yīng)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(qiáng)度變化曲線Fig.1 The changes of splitting strength

圖2 拉伸應(yīng)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(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加呈減小的趨勢(shì)，但不同油石比的劈裂強(qiáng)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(qiáng)度迅速降低，在凍融4～5次時(shí)強(qiáng)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(qiáng)度衰減規(guī)律并不突出，之后強(qiáng)度逐漸減小，在凍融9～12次混合料強(qiáng)度達(dá)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(qiáng)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(yīng)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(guò)程中拉伸應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，在5～15之間增長(zhǎng)趨勢(shì)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(guò)程中拉伸應(yīng)變?cè)黾于厔?shì)較小，在5～9次過(guò)程中應(yīng)變迅速增大，9～15凍融循環(huán)過(guò)程中拉伸應(yīng)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(guò)程中呈直線下降，在3～5此凍融循環(huán)過(guò)程中勁度模量趨于穩(wěn)定，衰減幅度高達(dá)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(dá)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(shì)較小，4～9次凍融循環(huán)過(guò)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(dá)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(jìn)入混合料內(nèi)部空隙，在降溫過(guò)程中試件外部水分首先凍結(jié)，限制試件內(nèi)部水分的流動(dòng)，隨之溫度的進(jìn)一步降低，試件內(nèi)部孔隙水開(kāi)始凝結(jié)成冰，由于試件外部冰體的密封作用，內(nèi)部孔隙水凝結(jié)成冰所增加的體積難以釋放，對(duì)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(duì)混合料內(nèi)部造成損傷。但溫度升高時(shí)，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(kuò)張有所恢復(fù)，但難以恢復(fù)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(duì)混合料劈裂性能的影響

劈裂強(qiáng)度、拉伸應(yīng)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(qiáng)度隨油石比的變化趨勢(shì)Fig.4 Variations rends of splitting strength ratio with whetstone

圖5 拉伸應(yīng)變隨油石比的變化趨勢(shì)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(shì)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(qiáng)度隨油石比的變化規(guī)律相似，橡膠瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨油石比的增大呈拋物線變化趨勢(shì)。在油石比較小的條件下，橡膠瀝青的用量對(duì)劈裂強(qiáng)度影響較大，隨著瀝青用量的增加，劈裂強(qiáng)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(guò)此拐點(diǎn)后，劈裂強(qiáng)度出現(xiàn)下滑趨勢(shì)。

橡膠瀝青混合料的拉伸應(yīng)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(yīng)變迅速增大;油石比超過(guò)9.2%后，混合料拉伸應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度開(kāi)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(duì)勁度模量衰減影響較大，油石比在9.2%附近時(shí)，凍融條件對(duì)勁度模量的影響較小。沙慶林院士在對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)性研究中提出瀝青面層應(yīng)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(jié)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(jié)料不足以裹附集料表面，混合料的強(qiáng)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(jié)構(gòu)在劈裂拉伸的作用下具有向外拉伸的趨勢(shì)，橡膠瀝青與細(xì)集料組成的瑪蹄脂對(duì)粗集料的移動(dòng)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(jié)力，能夠提高橡膠瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和勁度。當(dāng)橡膠瀝青超過(guò)一定用量時(shí)，多余的瀝青沒(méi)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(shí)，多余的自由瀝青起到了一定的潤(rùn)滑作用，加速了集料的相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)，從而使混合料性能降低。

熱拌密集配的設(shè)計(jì)空隙率為3%～4%，施工現(xiàn)場(chǎng)的壓實(shí)度一般為90% ～95%，也就是說(shuō)施工完成后混合料的空隙率達(dá)到7%～8%，本實(shí)驗(yàn)中油石比為8%的混合料對(duì)應(yīng)的空隙率為7.4%，其經(jīng)過(guò)5次凍融后的劈裂強(qiáng)度損失比為51%，抗凍融性能最差，與賈渝的研究結(jié)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(yù)防路面早期破壞，混合料施工的現(xiàn)場(chǎng)空隙率應(yīng)避開(kāi)空隙率危險(xiǎn)區(qū)，建議混合料現(xiàn)場(chǎng)空隙率不宜大于7%。

3 結(jié)論

(1)凍融循環(huán)對(duì)混合料的性能影響較大，其中劈裂強(qiáng)度與勁度模量隨凍融次數(shù)的增加逐漸減小，拉伸應(yīng)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(qiáng)度迅速降低，在凍融4～5次時(shí)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，衰減幅度高達(dá)58%;油石比在9.2%以上的混合料在凍融5次之前，強(qiáng)度衰減規(guī)律并不突出，之后強(qiáng)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(yù)防路面早期破壞，混合料施工的現(xiàn)場(chǎng)空隙率應(yīng)避開(kāi)空隙率危險(xiǎn)區(qū)，建議混合料現(xiàn)場(chǎng)空隙率不宜大于7%。

(4)以凍融后的劈裂強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變、勁度模量為指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)橡膠瀝青混合料的抗凍融性能，其結(jié)果層次分明，易于區(qū)分抗凍融性能的優(yōu)劣，適合評(píng)價(jià)季凍區(qū)瀝青混合料的抗凍融性能，具有指導(dǎo)意義。

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