凍融循環條件下的瀝青混合料半圓彎拉試驗

李 萍，劉 洋，念騰飛，吳 中，2，毛 昱

（1.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅蘭州730050；2.青海公路科研勘測設計院，青海西寧810001）

凍融循環條件下的瀝青混合料半圓彎拉試驗

李 萍1，劉 洋1，念騰飛1，吳 中1，2，毛 昱1

（1.蘭州理工大學土木工程學院，甘肅蘭州730050；2.青海公路科研勘測設計院，青海西寧810001）

在－20～20℃的凍融循環條件下，利用自行設計的半圓彎拉試驗，研究了分別進行0，6，12和18次凍融循環后，SBS質量分數（w（SBS））分別為0，4%，5%和6%的瀝青混合料AC 16，AC 20和SMA 16的層底抗拉強度和抗拉應變的影響.結果表明：凍融循環次數相同時，隨w（SBS）的增加，瀝青混合料的層底抗拉強度和抗拉應變先逐漸增大再逐漸減??；當w（SBS）為5%時，3種級配瀝青混合料均表現良好的層底抗拉強度和抗拉應變；AC類瀝青混合料的層底抗拉強度和抗拉應變均優于SMA類；季節性冰凍區采用w（SBS）為5%的AC 16瀝青混合料可更好地減緩路面開裂.

瀝青混合料；凍融循環；半圓彎拉試驗；抗拉強度；抗拉應變

瀝青混凝土路面的凍融破壞是季凍區常見的道路病害現象［1］.這是因為一方面瀝青路面面層直接暴露在空氣中，在承受行車荷載的同時，還承受著溫度荷載的作用，瀝青面層內部隨氣溫下降而產生溫度應力，當瀝青面層的應力松弛特性低于應力增長速度，由此造成的路面損傷將逐漸積累，直至超過瀝青混合料極限抗拉強度時，瀝青面層發生開裂［2］；另一方面，瀝青路面在凍融循環作用下，進入路面空隙中的水分將產生動水壓力或真空負壓抽吸的反復作用，隨凍融循環次數的增加，瀝青混合料凍融后內部空隙體積增大，承載力下降，由最初混合料內部的微損傷逐漸發展為混合料的松散、開裂等破壞.由凍融作用引起的瀝青路面破壞現象，嚴重影響了季凍區瀝青路面的使用性能和壽命，如何準確地評價凍融循環作用對瀝青混合料彎拉特性的影響是目前亟待解決的問題.現階段，路面工程師和研究人員在評價瀝青混合料的抗拉強度時，均廣泛采用間接拉伸試驗.而間接拉伸試驗又存在許多不足，如：試件中部拉應力分布不均勻；加載過程中，上下壓頭處常產生應力集中造成試件局部破壞，導致提前結束試驗；試驗破壞過程中，塑性變形過大，背離了間接拉伸試驗中關于試件的彈性變形方式及力學分析模式，沒有真正地反映混合料抗拉性能等［3］.目前，國外普遍采用SCB試驗對多種成型方法的瀝青混合料進行分析和評價.SCB試驗的優點如下：試件制備容易，破壞以拉伸為主，可以較好地評價瀝青混合料的抗拉性能［4－5］.在低溫狀態時，對于我國廣泛使用的半剛性基層瀝青混凝土路面結構，下面層本身常常存在反射裂縫，SCB試驗可以更好地評價存在反射裂縫的瀝青混凝土路面的抗裂性能.

為此，本研究在參考前人成果的基礎上，模擬瀝青路面在季凍區的凍融情況，以凍融循環條件下的SCB試驗結果來分析瀝青混合料層底抗拉強度、層底抗拉應變隨凍融循環次數、級配類型及SBS質量分數的變化規律，為研究瀝青混合料的抗低溫開裂能力、抗疲勞性能和瀝青路面的設計、施工提供一定參考.

1 試 驗

1.1 原材料

選用的粗細集料均來自甘肅永靖采石場.礦粉來自甘肅省蘭州市永登通溝灣水泥廠生產的石灰巖質礦粉.集料按照JTG E42—2005《公路工程集料試驗規程》的規定進行測試，各項指標均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求.瀝青為90號埃索石油瀝青，依據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對瀝青相關技術指標進行檢測，各項檢測指標均符合JTG F40—2004規定的要求.監測結果及指標見表1.外加劑是由燕山石化公司通過陰離子聚合方法制得的線性熱塑性丁苯橡膠（SBS改性劑），經檢測其密度為0.78 g·cm－3，粒徑為3～6 cm，熔點為146℃.

表1 90號埃索石油瀝青技術指標

1.2 級配類型

試驗用瀝青混合料3種級配類型為AC 16，SMA 16和AC 20，級配組成見表2.通過馬歇爾試驗，獲得3種級配類型的瀝青混合料體積指標，計算得到三者的最佳油石比分別為4.7%，5.7%和4.4%.

表2 瀝青混合料級配組成

2 試件制備及試驗方案

2.1 試件制備

試件采用大馬歇爾成型法，成型后為圓柱體試件，其直徑為150 mm，高度100 mm，再利用鉆芯取樣機，鉆取直徑100 mm、高100 mm的圓柱體試件.為保證混合料的均勻性，同時參考文獻［6］，可知半圓試件厚度為50 mm時，試驗最能反映路面的真實受力情況.因此，將之前得到的圓柱體試件，用巖石切割機切割成2個高度50mm、直徑100mm的標準半圓試件（SCB試件），如圖1所示.

圖1 標準SCB試件

2.2 試驗方案

根據西北地區冬季平均氣溫均低于－10℃，青藏高原、祁連山和天山北疆地區均低于－15℃，年平均氣溫為0～12℃［7］，選定凍融循環試驗溫度為－20～20℃.由于水損害是導致季節性冰凍地區瀝青混凝土路面早期破壞的主要原因，因此，結合JTG E20—2011，參考文獻［1］方法，首先將試件依次在水中浸泡不小于1 h；再將浸泡好的試件快速放置溫度為－20℃的冰箱中，冷凍不小于6 h，且完全結冰；隨后把冷凍好的試件取出，置于室溫高于20℃的室內融化完全，作為本次試驗的1次凍融循環；在規定凍融循環次數試驗之后，將試驗試件置于溫度15℃的烘箱保溫4 h；保溫后的試件置于長沙亞星LQD 2型路基路面材料強度試驗系統上進行試驗，SCB試件支點間距為80 mm，規定加載速率為50 mm·min－1.試件加載裝置如圖2所示.

圖2 試件加載裝置

對外加劑SBS質量分數分別為0，4%，5%，6%的3種瀝青混合料AC 16，AC 20和SMA 16，分別進行0，6，12和18次凍融循環后，在溫度為15℃時進行SCB試驗，每組試驗進行3次平行試驗.

2.3 結果處理方法

利用SCB試驗系統收集的峰值壓力及與其對應的撓度值，通過文獻［8］得到峰值壓力與試件層底抗拉強度、試件回彈模量之間的相互關系，通過文獻［9］得到的半圓試驗豎向撓度與半圓彎曲試驗層底抗拉強度與抗拉應變的關系式，分別換算為本研究所需要的層底最大抗拉強度和層底最大抗拉應變，即

式中：σt為試件層底抗拉強度，MPa；p為試件峰值荷載，N；t為試件厚度，mm；D為試件直徑，mm；ε為試件層底抗拉應變；L為支座間距，mm；d為試件底部中心處撓度，mm.

3 結果與分析

3.1 SBS質量分數的影響

為研究SBS質量分數對層底抗拉強度的影響，在不同凍融循環次數（0，6，12和18次）下，瀝青混合料SCB試驗層底抗拉強度與SBS質量分數的變化關系如圖3所示.

由圖3可知，在不同凍融循環次數下，層底抗拉強度隨SBS質量分數的增加呈拋物線變化，且在SBS質量分數為5%附近出現最大值.由圖3a可知，在未受凍融循環影響的前提下，3種級配瀝青混合料在SBS質量分數為5%時的層底抗拉強度相近，均優于未含SBS的瀝青混合料.由圖3b可知，3種級配瀝青混合料在SBS質量分數為5%時，層底抗拉強度的關系為σtAC 16＞σtAC 20＞σtSMA 16，說明受凍融循環影響，集料由細到粗，由密級配到間斷級配，集料表面的比表面積逐漸減小，瀝青混合料層底抗拉強度逐漸降低.由圖3c，d可知，3種級配瀝青混合料在SBS質量分數為5%時，層底抗拉強度關系為σtAC 16＞σtAC 20＞σtSMA 16，說明隨凍融循環次數增加，AC 16仍表現出較好的抗拉性能.

為研究SBS質量分數對層底抗拉應變的影響，凍融循環次數分別為0，6，12和18次時，層底抗拉應變與SBS質量分數的關系曲線如圖4所示.

圖3 SBS質量分數與層底抗拉強度的關系曲線

圖4 SBS質量分數與層底抗拉應變關系曲線

觀察圖4可以得出與圖3相似的結論，即在不同凍融循環次數下，層底抗拉應變隨SBS質量分數增加呈拋物線變化，且均在SBS質量分數為5%附近出現最大值.由圖4a可知，未經凍融循環時，含有SBS改性劑的瀝青混合料層底抗拉應變性能均優于未含SBS改性劑瀝青混合料，且當SBS質量分數為5%時，AC 16的層底抗拉應變是SBS質量分數為0時的1.3倍，AC 20的層底抗拉應變是1.1倍，SMA 16的層底抗拉應變是1.4倍.由圖4可知，隨凍融循環次數增加，SBS質量分數為5%時，不同級配瀝青混合料與未添加SBS改性劑的層底抗拉應變相比，均有顯著提高.由此可知，AC類瀝青混合料較SMA類表現出了更好的層底抗拉應變性能.

3.2 凍融循環次數的影響

為研究凍融循環次數對層底抗拉強度的影響，對試驗數據進行分析，可知SBS質量分數為5%的瀝青混合料具有較好的抗拉性能.下面以SBS質量分數為5%的瀝青混合料為代表，進行凍融循環次數影響的分析.當SBS質量分數為5%時，AC 16，AC 20和SMA 16的凍融循環次數與瀝青混合料SCB試驗層底抗拉強度關系如圖5所示.由圖5可知：隨凍融循環次數增加，3種級配瀝青混合料的層底抗拉強度均呈下降趨勢，且凍融循環次數大于6時，層底抗拉強度下降趨勢較之前更快；SMA類瀝青混合料層底抗拉強度的下降趨勢更明顯；AC 16較AC 20而言，表現出更好的層底抗拉性能.

圖5 凍融循環次數與層底抗拉強度關系

為研究凍融循環次數對層底抗拉應變的影響，探討SBS質量分數為5%時，AC 16，AC 20和SMA 16的凍融循環次數與瀝青混合料SCB試驗層底抗拉應變的關系，如圖6所示.

圖6 凍融循環次數與層底抗拉應變關系

由圖6可知：隨凍融循環次數增加，層底抗拉應變逐漸減??；凍融循環6～12次時層底抗拉應變較0～6次時下降趨勢更快；不同凍融循環次數時，AC類瀝青混合料較SMA類層底抗拉應變性能更好.

4 結 論

1）通過SBS質量分數對SCB試驗層底抗拉強度、層底抗拉應變的影響分析發現：凍融循環次數相同時，隨SBS質量分數增加，層底抗拉強度、層底抗拉應變先增大后減??；AC類瀝青混合料的層底抗拉強度、層底抗拉應變均優于SMA類；當SBS質量分數為5%時，AC 16，AC 20和SMA 16等3種級配瀝青混合料均表現出良好的層底抗拉強度和層底抗拉應變.

2）通過凍融循環次數對SCB試驗層底抗拉強度、抗拉應變的影響分析發現，當SBS質量分數為5%時，3種級配瀝青混合料的層底抗拉強度、抗拉應變均隨著凍融循環次數的增加而逐漸減小，AC類瀝青混合料抵抗層底抗拉強度、抗拉應變減小的力度較SMA類更強.

3）在季節性冰凍地區，采用級配類型為AC 16、SBS質量分數為5%的瀝青混合料，能夠有效提高層底抗拉性能，減緩路面開裂.

（References）

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［9］ 曹軻銘.瀝青混合料半圓彎拉試驗方法研究［D］.長沙：湖南大學，2007.

Sem i circular bending test of asphaltm ixture under freeze thaw cycles

LIPing1，LIU Yang1，NIAN Tengfei1，WU Zhong1，2，MAO Yu1
（1.School of Civil Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou，Gansu 730050，China；2.Qinghai Highway Research Institute of Survey and Design，Xi′ning，Qinghai810001，China）

At the temperature range from－20 to 20℃under freeze thaw cycles，the semi circular bending test（SCB test）was designed.Three kinds of asphaltmixture of AC 16，AC 20 and SMA 16 were prepared with respective SBS content of 0，4%，5%and 6%.The effects of SBS content on bottom layer tensile strength and tensile strain were analyzed for0，6，12 and 18 times of freeze thaw cycles.The experimental results show that for the same freeze thaw cycles，with the increasing of SBS content，the tensile strength and the tensile strain at the bottom layer are gradually increased with latter decreasing.When the SBS content is 5%，3 kinds of asphaltmixture all show good bottom layer tensile strength and tensile strain.The bottom layer tensile strength and tensile strain of AC asphaltmixture are better than those of SMA asphaltmixture.In the seasonal freezing area，AC 16 asphaltmixture with SBS content of 5%can better alleviate the cracking of road surface.

asphalt mixture；freeze thaw cycle；semi circular bending test；tensile strength；tensile strain

10.3969／j.issn.1671－7775.2018.01.020

U414

A

1671－7775（2018）01－0120－05

李 萍，劉 洋，念騰飛，等.凍融循環條件下的瀝青混合料半圓彎拉試驗［J］.江蘇大學學報（自然科學版），2018，39（1）：120－124.

2016－11－07

國家自然科學基金資助項目（51668041，51108222）；甘肅省科技支撐計劃項目（1504GKCA031）

李 萍（1972—），女，江蘇靖江人，教授，博士生導師（lzlgliping＠126.com），主要從事瀝青路面結構設計與新型材料功能特性研究.

劉 洋（1992—），男，山西太原人，碩士研究生（447946507＠qq.com），主要從事瀝青路面結構設計與新型材料功能特性研究.

（責任編輯 趙 鷗）