冻融循环作用下的沥青混合料材料参数修正

【摘 要】通过沥青混合料抗压强度和劈裂强度的试验，分析了冻融循环次数和油石比对沥青混合料强度和模量的影响。引入强度冻融折减系数和模量冻融折减系数，表征冻融循环次数和油石比对沥青混合料材料参数的明显影响，并给出了上面层AC-13改性沥青混合料的折减系数计算公式，修正了多年冻土地区沥青路面设计材料参数，减小了设计与实际条件的差异。

【Abstract】 In terms of the tests on compressive strength and cleavage strength of asphalt mixture, the impact of freeze-thaw cycles and asphalt-aggregate ratio on the strength and modulus of asphalt mixture was analyzed. The reduction factors for strength and modulus were brought in to indicate the obvious effect of freeze-thaw cy-cles and asphalt-aggregate ratio, and the calculation equation for AC-13 upper course mixture was given. The parameters of material for asphalt pavement in permafrost regions were revised, and the difference between the design condition and actual condition was reduced.

【关键词】道路工程；沥青混合料；冻融循环；折减系数

【Key words】 road engineering; asphalt mixture; freeze-thaw cycle; reduction factor

中图分类号：U414.1 文献标志码：B 文章编号：1000-033X(2012)06-0055-04

0 引言

沥青路面的冻融破坏在冰冻地区普遍存在，也是长期困扰国内外道路工程界的主要问题之一。路表的降水可能会沿着沥青面层薄弱处或路缘处下渗到路面结构内部，并在面层混合料内集聚；当温度降低到负温后，沥青路面结构内部混合料的水分将冻结并发生体积膨胀，导致沥青混合料产生冻胀破坏。这种反复的冻融作用一方面使得沥青混合料的性能衰减，极限强度或抗变形能力降低，并引起路面坑槽、车辙等病害；另一方面使得外界自由水分沿着冻融损伤处下渗，进一步加速沥青面层混合料的损坏，并诱发其他沥青路面破坏。对于中国青藏高原、东北大小兴安岭以及西部的高山地区等多年冻土地区，冻融循环作用更加剧烈、频繁，沥青路面的冻融破坏更为严重［1-3］。但目前多年冻土地区沥青路面设计仍以借鉴一般地区路面设计经验和方法为主，沥青路面设计材料参数取值中仍以15 ℃的劈裂抗拉强度和15 ℃或20 ℃抗压回弹模量作为沥青混合料强度设计参数，没有考虑到频繁、剧烈的冻融循环对沥青混合料性能的影响，使面层沥青混合料的设计与使用条件差异较大，因此导致多年冻土地区沥青路面使用寿命明显短于一般地区。为此，本研究在冻融循环作用下的沥青混合料单轴压缩试验、劈裂试验分析的基础上，合理确定多年冻土地区冻融循环作用下的沥青混合料材料参数，为完善多年冻土地区沥青路面设计提供依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验原材料与混合料

沥青采用多年冻土地区常用的SBR成品改性沥青，技术指标满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中聚合物改性沥青Ⅱ-A要求；粗、细集料取自青藏公路沿线料场，碎石以石灰岩为主，均满足规范要求；填料为陕西产石灰岩磨细矿粉，其表观密度为2.743 g·cm-3，亲水系数为0.82，塑性指数为2.1，各项指标均满足规范要求。

沥青混合料为AC-13，矿料级配组成为《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）中推荐范围的中值。利用标准马歇尔试验结果，同时兼顾地区特殊的气温条件与交通状况，确定SBR改性AC-13沥青混合料的最佳油石比为5.5%。

1.2 冻融试验方法

对于沥青混合料的冻融循环试验，国内外尚没有统一的方法，均是参照水泥混凝土、半刚性材料、土等冻融试验方法，并依据各地实际使用条件自行制定试验方法［4-7］。本研究冻融试验条件为：在-20 ℃环境下冻结12 h，在25 ℃环境下融化12 h，作为一次冻融循环。

2 冻融循环对沥青混合料抗压特性的影响

2.1 抗压强度

图1为不同油石比混合料抗压强度和冻融循环次数的关系。由图1可见，随着冻融循环次数的增加，不同油石比的AC-13改性沥青混合料的抗压强度均不断减小，且油石比越小，抗压强度衰减越明显。油石比较大的沥青混合料在经历6～8次冻融循环后，其抗压强度逐渐趋于稳定；当油石比小于最佳油石比时，沥青混合料的抗压强度随冻融循环次数的增加一直呈减小趋势。

2.2 抗压回弹模量

由图2所示AC-13改性沥青混合料不同油石比下的抗压回弹模量与冻融循环次数的关系可得，不同油石比的沥青混合料的抗压回弹模量均随冻融循环次数的增加而减小，且当油石比较大时，混合料抗压回弹模量的衰减趋势缓慢。在经历最初几次冻融循环过程后，混合料抗压回弹模量的衰减较明显；大约 6～8次冻融循环后，沥青混合料的抗压回弹模量趋于稳定。

3 冻融循环对沥青混合料劈裂特性的影响

3.1 劈裂抗拉强度

图3为不同油石比的沥青混合料劈裂强度与冻融循环次数的关系。由图3可以看出，与抗压强度类似，不同油石比混合料的劈裂强度均随冻融循环次数的增加呈减小趋势；在大约9次冻融循环之前，混合料劈裂强度衰减明显，且油石比越小，衰减越明显。经历9～15次冻融循环后，沥青混合料的劈裂强度逐渐趋于稳定。