凍融循環對聚合物改性瀝青混合料的抗裂性能影響

李永翔，賈永杰，王國忠，胡江三

（內蒙古農業大學能源與交通工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018）

1 引言

在北方冬季，由于氣溫低、晝夜溫差大，凍融循環作用頻繁發生，造成瀝青路面凍融開裂現象嚴重。因此，凍融破壞問題受到許多學者的廣泛關注。

叢培良等[1]研究了除冰鹽對兩種改性混合料性能的影響，結果表明，經過鹽凍循環后，瀝青混合料的劈裂強度明顯降低。吳澤媚[2]通過研究在凍融循環條件下氯鹽濃度對瀝青混合料抗裂性能的影響，結果表明，混合料低溫抗裂性能主要受凍融循環次數和氯鹽融雪劑溶液濃度影響。周金枝等[3]通過對瀝青混合料進行鹽凍循環研究，結果表明，隨著氯鹽濃度的增大瀝青混凝土的低溫抗裂性逐漸降低。Pan 等[4-7]研究了醋酸鹽對瀝青混合料抗裂性能的影響，結果表明，醋酸鹽會降低瀝青混合料的抗裂性能。

以上研究表明，瀝青混凝土經過若干次凍融循環后其抗裂性能均有所降低。本文在前人研究的基礎上，采用J 積分理論[8]，研究凍融循環對SBS 改性瀝青混合料（SBSMM）、膠粉改性瀝青混合料（CRMM）和復合膠粉改性瀝青混合料（CCRMM）抗裂性能的影響，基于斷裂韌度指標研究凍融循環次數對SBSMM、CRMM 和CCRMM抗裂性的影響。

2 試驗材料與方案

2.1 瀝青

本文所用瀝青為90#基質瀝青，摻配4%的SBS制成SBS 改性瀝青（SBSM），摻配20%的60 目橡膠粉顆粒制成橡膠粉改性瀝青（CRM），摻配2%的SBS 和18%的60目橡膠粉顆粒制成SBS 和橡膠粉復合改性瀝青（CCRM）。相應技術指標見表1。

表1 SBSM、CRM和CCRM技術指標

2.2 瀝青混合料

瀝青混合料中粗集料是由10mm～20mm、5mm～10mm、3mm～5mm 玄武巖摻配而成，細集料采用0～3mm石灰巖，填料為石灰巖粉，礦料級配組成見表2，經標準馬歇爾試驗得到AC-16 型SBSMM、CRMM 和CCRMM的最佳油石比分別為4.6%、5.5%和5.3%。

表2 礦料級配組成

2.3 凍融試驗方法

將所選瀝青混合料利用旋轉壓實儀成型為直徑和高度均為150mm 的圓柱體試件，利用直徑100mm 的取芯機取芯后再將圓柱體試件切割成厚度B 為25 mm、直徑2R 為100mm 的半圓試件。在試件中部用角磨機分別切割深度為0、1cm 和2cm 的預切口，即圖1 中的a值。將試件進行真空飽水后按5 個一組分裝入塑料袋中，注入水至試件1/4 處，利用高低溫交變箱進行凍融循環，冰凍溫度采用-20℃，冰凍時間設定為4h，融化溫度采用60℃，融化時間設定為6h，凍融循環次數采用5次、10次、15次、20次、25次。

圖1 SCB 試件加載

2.4 半圓彎拉試驗

本試驗使用MTS810 系統采用應變控制加載方式加載，兩支點間距設定為2ɑ=80mm，采用1mm/min 的加載速率，試驗前將環境箱溫度設定為10℃，待環境箱溫度恒定后將試件放入環境箱中保溫2h，然后進行加載試驗，由MTS810系統采集荷載與位移數據。

通過采集試驗過程中的力和位移數據即可繪制加載點的荷載-位移關系曲線，計算達到最大荷載時曲線下的面積即為試件破壞過程中所吸收的能量，即為斷裂能，通過斷裂能即可計算混合料的斷裂韌度Jc[9]。相關研究表明，斷裂韌度是評價低溫抗裂性能的有效指標[10-15]。其計算公式如式（1）：

式中，U1為1cm 預切口時試件的斷裂能；U2為2cm預切口時試件的斷裂能；B1為1cm 預切口時試件厚度，25mm；B2為2cm 預切口時試件厚度，25mm；a1為1cm 預切口；a2為2cm預切口。

3 試驗結果與試驗分析

3.1 水凍融循環抗裂性能的影響

圖2 為SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度隨凍融循環次數的變化規律曲線。從圖2中可以看出，三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度均隨凍融循環次數的增加逐漸減小，達到10 次凍融循環后，SBSMM 減小1.49%，CRMM 減小1.35%，CCRMM 減小1.29%，由此可見，在經過10次凍融循環后，三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度降低幅度并不明顯，這是由于凍融循環次數較少，試件破壞輕微，只是在瀝青混合料試件內部產生微裂紋而且并不發育，所以三種瀝青混合料的斷裂韌度減小也不明顯。在凍融循環達到20 次之后，三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度降低幅度明顯增加，其中SBSMM 減小幅度達到22.23%，CRMM 減小幅度達到20.6%，CCRMM減小幅度達到18.42%，這是由于凍融循環次數的增加加速了試件的破壞，試件內部微裂紋進一步發育，使得試件內部毛細水上升作用增強，在冰凍時冰的體積增多，凍脹力增大，最終使試件內部微裂紋發育為連通孔隙；在達到25 次凍融循環后，SBSMM 的斷裂韌度減小幅度為23.59%，CRMM 減小幅度為21.18%，CCRMM 減小幅度為18.97%，與20 次凍融循環相比，斷裂韌度降幅并不明顯，這主要是由于經過20次凍融循環之后，試件內部裂紋已經貫通，孔隙率增加，凍脹作用減弱，因此斷裂韌度降幅較小。因此，為了避免瀝青混合料發生凍融破壞或為了延緩瀝青混合料發生凍融破壞，瀝青混合料的孔隙率控制至關重要，在施工時，瀝青混合料路面的壓實度必須得到保證，從而增加瀝青混合料路面的密水性。由于瀝青混合料孔隙不可避免，為滿足抗裂性要求，需要選擇抗裂性較好的材料。

圖2 三種改性瀝青混合料斷裂韌度隨凍融循環次數的變化規律曲線

對比圖2 中SBSMM、CRMM 和CCRMM 斷裂韌度變化曲線可以發現，CCRMM 的斷裂韌度要大于CRMM 和SBSMM的斷裂韌度。這表明在相同凍融條件下，三種聚合物改性瀝青混合料的抗裂性能CCRMM 的最好，CRMM的次之，SBSMM 的最差。這是因為SBSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料中SBSM 具有較強的感溫性能，溫度對其性能影響較大，所以在低溫時SBSMM 容易開裂；而CRM 中含有橡膠粉，由于橡膠粉感溫性較低且與瀝青溶脹后大大減小了低溫勁度模量，從而使CRMM 的抗裂性能得到改善[16]；CCRM 中既含有SBS又含有橡膠粉，在改性過程中，SBS在瀝青中溶解并分散形成網狀結構，橡膠粉顆粒在溶脹后填充網狀結構，不僅降低CCRM的感溫性能，而且提高了CCRMM的低溫抗裂性能。這是因為SBS和橡膠粉共同作用，在拉伸變形過程中可以吸收大量能量，從而大大改善了CCRMM的抗裂能力。

3.2 鹽凍融循抗裂性能的影響

圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）分別為SBSMM、CRMM 和CCRMM 在不同鹽濃度條件下的斷裂韌度隨凍融循環次數的變化規律曲線。由圖可知，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度在鹽濃度相同時均隨凍融循環次數的增加而逐漸減小，當達到一定凍融循環次數后斷裂韌度趨于穩定；當凍融循環次數相同時，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度均隨鹽濃度的增加而逐漸減小。由此說明，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料的抗裂性能在鹽凍融循環后均減小，但通過對比鹽凍循環后SBSMM、CRMM 和CCRMM的斷裂韌度值可以發現，CCRMM 的斷裂韌度值最大，CRMM 次之，SBSMM 最小，說明鹽凍循環對三種聚合物改性瀝青混合料的抗裂性能影響中，SBSMM 影響最大，CRMM次之，CCRMM最小。

圖3 三種改性瀝青混合料在不同鹽濃度下斷裂韌度隨凍融循環次數的變化規律曲線

表3 為不同鹽濃度條件下SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度隨凍融循環次數的降低率。通過對比表中數據可以發現，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度隨凍融循環次數的增加降低幅度越來越大，對比10 次和20 次凍融循環的斷裂韌度值可以發現，斷裂韌度減小幅度顯著增加，說明10 次～20 次凍融循環對混合料的破壞作用最大。這是因為凍融次數增加，凍脹作用增強，混合料內部微裂紋逐漸發育貫通。對比經過20 次和25 次凍融循環后的斷裂韌度值可以發現，SBSMM、CRMM 和CCRMM的斷裂韌度減小幅度并不明顯，說明凍脹已不能增加對混合料試件的破壞作用，這是因為在20 次凍融循環后試件內部微裂紋已充分發育，增加凍融循環次數對試件破壞作用減弱。對比SBSMM、CRMM和CCRMM 在不同鹽濃度條件下的斷裂韌度值可以發現，SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度均隨鹽濃度的增加而減小，說明鹽凍循環使混合料的抗裂性能減小，而且混合料抗裂性能隨鹽濃度的增加而降低。這是因為鹽濃度越高，在水分蒸發后鹽脹作用越強，對混合料的破壞作用越大。對比水凍或鹽凍斷裂韌度值發現，在相同條件下，SBSMM＜CRMM＜CCRMM。由此說明，CCRMM 的抗裂性能最優，CRMM次之，SBSMM最差。

表3 聚合物改性瀝青混合料在不同鹽濃度下斷裂韌度隨凍融循環次數的降低率

由表3可知，SBSMM、CRMM和CCRMM在凍融循環次數相同而鹽濃度不同時的斷裂韌度降低率，SBSMM＞CRMM＞CCRMM，而且斷裂韌度降低率隨著鹽濃度的增加而增加。在相同條件下對比SBSMM、CRMM和CCRMM的斷裂韌度降低率可以發現，SBSMM＞CRMM＞CCRMM，由此說明，鹽濃度大小對SBSMM 的抗裂性能的影響最大，CRMM 次之，SBSMM 最小。當鹽濃度相同時，SBSMM、CRMM和CCRMM的斷裂韌度降低率均隨凍融循環次數的增加而顯著增加，但三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度值依然是SBSMM＜CRMM＜CCRMM，可見凍融循環次數對SBSMM 的抗裂性能影響最大，CRMM 次之，CCRMM最小。對比鹽濃度和凍融循環次數兩種因素變化對SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度降低率的影響可以發現，凍融循環次數對斷裂韌度降低率的影響要大于鹽濃度變化對斷裂韌度降低率的影響，表明凍融循環次數對SBSMM、CRMM 和CCRMM 的破壞作用大于鹽濃度變化對SBSMM、CRMM和CCRMM的破壞作用。

4 結語

①SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度隨著凍融循環次數的增加逐漸減小，當達到20次凍融循環時，其斷裂韌度基本趨于穩定。

②與水凍融循環相比，鹽凍循環增加了對SBSMM、CRMM和CCRMM的破壞作用。

③對比鹽凍循環后SBSMM、CRMM和CCRMM的斷裂韌度降低率可以發現，SBSMM＞CRMM＞CCRMM，鹽凍循環對SBSMM的抗裂性能影響最大，CRMM次之，CCRMM最小。

④對比相同條件下SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度值可以發現，SBSMM＜CRMM＜CCRMM，CCRMM的抗裂性最好，CRMM次之，SBSMM最差。