冻融作用下的橡胶改性沥青混合料性能试验研究*

骆 姸 李石磊 田港胜 刘一鸣

(1.河北省交通规划设计院 石家庄 610031； 2.河北雄安荣乌高速公路有限公司 保定 610031；3.西南交通大学土木工程学院 成都 610031； 4.道路工程四川省重点实验室 成都 610031)

我国东北、西南地区存在季节性冰冻地区，昼夜温差较大，南北方地区的沥青路面都存在不同程度的冻融破坏[1-5]。路面面层冻融病害最为明显，尤其是上面层的破坏最直观。但路面面层是一个整体，各层都会不同程度地受到冻融作用的影响，因此研究冻融对整个路面面层的影响十分有必要。已有研究表明，冻融循环会造成路面材料的水损害，降低其水稳定性，提高其渗透性[6-8]。为探究冻融循环使对沥青混合料的破坏机理，国内外众多学者在冻融循环条件下进行了一系列的试验。袁军伟等[9]采用冻融循环的手段增大了煤体的空隙。李智睿等[10]发现冻融循环对混凝土内部力学性能有极大的破坏。KEENY等[11]发现混凝土毛细管孔隙中的冰结晶压力是造成路面破坏的主要原因。XU B等[12]研究了多孔水泥稳定碎石冻融循环后的渗透性和力学性能，得出多孔水泥稳定碎石渗透性增强并会降低其抗压强度和间接抗拉强度。随着沥青路面的普及，沥青路面的冻融影响也受到了学者们的关注。XU H N等[13]发现经过冻融后的混合料，水分更容易渗透。周源等[14]通过对AC-13混合料进行冻融循环试验，发现混合料的抗压强度和间接拉伸拉伸强度均有不同程度的衰减。司伟等[15-16]研究得出了AC-13沥青混合料抗压性能随冻融次数增加而逐渐减小。周瑞霞[17]对比了不同油石比沥青混合料下冻融循环对其间接拉伸强度的影响，较高油石比的沥青混合料抵抗冻融破坏的能力越强。综上，针对沥青混合料的冻融研究大多是针对普通沥青混凝土路面。随着我国交通运输事业的发展，国家对路面整体的综合性能提出了更高的要求。而橡胶沥青路面因其良好的路用性(良好的高温抗变形能力和防水性能)、经济性(造价相较于普通沥青混凝土路面低)，噪声低、环保性(充分利用了废旧轮胎)在高速公路中有广泛的应用。在长距离大规模的高速路网中，水分在车辆的行驶过程中渗入路面集料界面，汇聚于面层，并在温度下降至0 ℃以下时结成冰，发生体积膨胀。为保证路面的正常通行，人为对路面进行加热除冰，如此路面反复进行着冻融过程，路面整体稳定性下降。因此对橡胶改性沥青路面的冻融研究十分有必要。

基于此，本研究拟测试橡胶改性沥青混合料在冻融循环条件下的各项物理性能，并探讨冻融循环下，混合料的渗水性与沥青混合料空隙率的变化，分析其相关性，进一步了解橡胶改性沥青混合料冻融损伤机理。

1 材料和方法

1.1 材料

采用路面面层常用的混合料级配ARHM-13、ARHM-20和ARHM-25，沥青采用橡胶改性沥青。混合料的级配见表1。橡胶沥青的技术指标见表2。

表1 沥青混合料级配表

表2 橡胶改性沥青技术指标

1.2 试验方法

采用马歇尔击实仪成型沥青混合料。冻融循环方案为在每个冻融循环过程中，试样在水溶液中以97.3～98.7 kPa的真空饱和处理45 min。由于西南和东北地区的地域差异，冬季环境温度差异较大。为满足不同地域下冬季温度下的冰冻要求，参照《公路工程抗冻设计与施工施工技术指南》中的温度-18 ℃作为试验中的冷冻温度，将试件在冰箱中冷冻16 h。然后将试样放在60 ℃的水中解冻8 h，其中采用JTG E20-2011《公路工程沥青混合料试验规程》中的试验方法(T0703)、(T0713)和(T0729)分别测定沥青混合料的渗透系数、抗压强度和间接拉伸强度。试验试样的直径和高度分别为(100±0.2)mm和(95.3±2.5)mm。

2 试验结果与分析

2.1 冻融循环对空隙率的影响

冻融循环示意图见图1。

图1 冻融循环示意图

由图1可见，冻融后试件内部的变化，经过冻融处理后，集料之间的空隙明显增大，且不可恢复。3种材料的空隙率随冻融循环次数的变化见图2。

图2 空隙率变化图

由图2可以看出混合料的空隙率一直增大。在冻融循环试验中，在低温条件下水结冰膨胀，导致沥青混合料体积增大，孔隙结构内壁产生冰负荷，空隙率增大。ARHM-25混合料的空隙率增长速度比冻融循环后的ARHM-13混合料和ARHM-20更显著。是因为试样浸入水中时，ARHM-25混合料的空隙率高于其他混合料，且ARHM-25混合料空隙结构中的冰压远高于其他混合料。此外还可以看出，ARHM-13混合料和ARHM-20的变化规律相似，这是因为ARHM-13和ARHM-20试验的空隙率较小使得试件内部含水量和冰压较小，水的渗透压力和冰的膨胀压力对混合料内部薄弱处的连通孔隙作用不明显。ARHM-13和ARHM-20的混合料空隙率在第12次冻融影响下，不再明显增加。试件在冻融12次以后，混合料内部结构薄弱的连通孔隙基本贯通，冻融带动水分产生的流动，冻胀影响有限，孔隙无法进一步扩张，因此在到24次冻融循环的过程中，空隙率变化一直趋于平稳。ARHM-25混合料在第12次冻融后，试样的高度和半径变形超过10%，混合料发生剥落。因此，本文没有讨论ARHM-25混合料在冻融循环次数超过12次时的空隙率。

2.2 冻融循环对水渗透性的影响

由图2的结果可知，与未进行冻融循环的试样相比，ARHM-13和ARHM-20在第24次冻融循环后的空隙率增长分别为33.7%和45.1%，在第12次冻融循环后的ARHM-25沥青混合料空隙率增长了59.3%。空隙率的变化对沥青混合料渗水性能产生了主要影响。由于沥青混合料自身的结构组成，水分在其中有大量的流动空间。图3显示了水渗透速率的变化。

图3 水渗透速率变化图

由图3可见，随着冻融循环次数增加，水渗透性逐渐增大。当冻融循环次数从0增加到24次时，ARHM-13混合料和ARHM-20的水渗透速率分别增加了4.7倍和6.4倍，但其渗水速率与ARHM-25混合料相比仍然很低，作为悬浮密实结构，密实程度高，水分相对难以渗透，水冻胀后扩大孔隙的效果也不明显，水渗透速率和渗透速率的增长幅度均较低。同时，ARHM-25在第12次冻融循环后，混合料的水渗透率提高了7.8倍。在相同的冻融循环次数下，ARHM-25混合料的水渗透性增加速度高于ARHM-13混合料和ARHM-20。在冻融作用下，ARHM-25混合料的渗水性变化幅度最为显著。很明显，水的渗透速率和空隙率有着相似的变化规律。绘制空隙率与混合料渗透速率相关性曲线见图4。

图4 空隙率与混合料渗水速率相关性

由图4可知，对于3种沥青混合料类型中，ARHM-25沥青混合料的渗水速率和空隙率相关性最高，ARHM-25沥青混合料中的粗集料较多，形成的骨架密实结构被冻融破坏后，混合料内部松散，会出现较大的空隙，且伴随着部分集料的剥落，极大丰富了水的流通路径。

2.3 冻融循环对抗压强度的影响

冻结后对混合料结构内部的影响示意见图5，为了进一步分析沥青混合料在冻融循环后力学性能的损伤程度，进行了抗压强度的试验。抗压强度试验结果见图6。计算抗压强度损失率见图7。

图5 冻融后混合料内部结构变化图

图6 抗压强度变化图

图7 抗压强度损失率变化图

可见在最后一次冻融循环结束后，ARHM-25、ARHM-13和ARHM-20沥青混合料的抗压强度损失率分别为61%，40.1%和49.0%。在最初的12次冻融循后，ARHM-25、ARHM-13和ARHM-20沥青混合料的抗压强度的衰减分别为61%，20.7%和26.3%。在冻的过程中，空隙中水的结冰膨胀导致沥青混合料中微裂纹的引发和扩散，导致混合料空隙含量的增加。水浴过程中，水分进入集料界面间，汇聚后形成水压，骨料颗粒之间嵌锁减少，粗骨料与沥青砂浆之间的黏附性也降低。由于相同的悬浮密实结构，ARHM-13混合料和ARHM-20混合料的抗压强度和抗压强度的损失率的变化趋势没明显的差异，同时，冻融循环对ARHM-25混合料抗压强度的负面影响比ARHM-13混合料和ARHM-20混合料更显著。ARHM-25混合料因其大骨架结构在反复冻融下，发生的已经不是内部结构的损伤，是大面积的混合料剥落，其抗压强度因此发生断崖式下跌。

2.4 冻融循环对压缩回弹模量的影响

压缩回弹模量变化见图8。

图8 压缩回弹模量变化图

由图8可见，在冻融循环过程中，压缩回弹模量均迅速下降。经过6次冻融循环后，ARHM-13混合料、ARHM-20和ARHM-25混合料的压缩回弹模量分别降低了18.9%，19.7%和24.4%。在第12次冻融结束后，ARHM-13、ARHM-20和ARHM-25混合料的压缩回弹模量分别降低了32.9%，30.0%和 59.7%。12次冻融循环对ARHM-25混合料压缩回弹模量的影响强于ARHM-13和ARHM-20混合料的压缩回弹模量。压缩回弹模量由于空隙率的增加，内部结构稳定性下降而下降，ARHM-25混合料在12次冻融后，已发生结构上的失稳。

2.5 冻融循环对间接拉伸强度的影响

间接拉伸强度和残余间接拉伸强度比的变化见图9和图10。

图9 间接抗拉强度变化图

图10 残余间接抗拉强度变化图

由图9、图10可见，2个强度指标随着冻融次数不断衰减。对于ARHM-13，其间接拉伸强度在第9次冻融循环结束后急剧下降。当冻融循环次数从12次变化到24次时，ARHM-13混合料的间接拉伸强度的变化保持相对稳定，间接拉伸强度的损失率也保持相对稳定，在第24次冻融循环后，ARHM-13混合料的间接拉伸强度损失率为32.2%。对于ARHM-20，其间接拉伸强度先减少后增加。在第12次冻融循环后，试样的间接拉伸强度开始减小，在最终第24次冻融循环后，间接拉伸强度损失比为46.1%。ARHM-25混合料的间接拉伸强度在冻融循环试验中急剧下降，在第12次冻融循环后降低了83.8%。在冻融循环初期，混合料内部产生的微裂缝带来的应力集中现象导致了间接拉伸强度的快速下降，在冻融循环后期，由于前期冻融作用下产生的微裂缝已有一定的体积空间，在水结冰体积变大挤压混合料的过程中，微裂缝起到了一定的缓冲效果，从而在冻融后期，混合料的内部力学性能下降相对平缓。冻融循环作用对ARHM-25混合料结构稳定性的影响明显大于ARHM-13和ARHM-20沥青混合料。

3 结论

1)在冻融循环作用下，ARHM-25橡胶改性沥青混合料空隙率的增长速率高于ARHM-20和ARHM-13沥青混合料。同时，冻融循环对早期沥青混合料的空隙率显著提升，对冻融后期沥青混合料空隙率影响有限，空隙率增长保持较低水平。在橡胶沥青路面配合比设计时，适量减小空隙率可加强路面抵抗水损的能力，应重点考虑ARHM-25橡胶改性沥青混合料冻融后空隙率变化带来的不利影响。

2)冻融循环使得沥青与骨料之间，骨料与骨料之间的黏附效果减弱，丰富了水的流通路径。大粒径ARHM-25混合料渗水的速率提升幅度最明显，其空隙率的变化与渗水速率的相关性最强，ARHM-20和ARHM-13沥青混合料相关性较弱。因此考虑设计橡胶沥青路面时，应以下面层ARHM-25混合料作为最不利设计条件。

3)冻融循环使得沥青混合料内部结构出现了损伤，冻融前期内部力学性能损伤的程度明显大于冻融后期，且对于不同级配沥青混合料，冻融循环对ARHM-25混合料力学性能的负面影响明显大于ARHM-20和ARHM-13沥青混合料。冻融循环对与橡胶沥青混合料的力学损伤都体现为前期发展迅速，后期趋平缓。因此在对橡胶改性沥青混合料进行冻融评价时，应以其力学响应稳定时的冻融次数作为评价指标。

该结论只是在ARHM-13、ARHM-20和ARHM-25 3种级配下橡胶改性沥青混合料试验基础上得到的，对与其他级配形式的沥青混合料的抗冻融循环性能还需进一步研究。