DOI:10.3963/j.42-1783.T U.2011.03.015
基于冻融循环下沥青混合料温度冲击性能研究
吴钊，李文涛，秦利娟，束冬林
(武汉理工大学硅酸盐工程中心国家重点实验室，武汉430070)
摘要：道路的融雪化冰技术会加速沥青路面冻融循环，反复的升温和降温使沥青路面由于温度冲击和水腐蚀而破坏。通过设计一套实验检测方案来评价加速冻融循环对沥青路面性能的影响。试验采用马歇尔试件和小梁试件，在-18e和60e之间进行多次冻融循环，测量试样的劈裂强度和最大弯拉应变来判断多次冻融循环对沥青混合料性能的影响。结果表明：混合料的骨架结构、材料组成对沥青混合料抗冻融循环性能有很大的影响。研究内容为融雪化冰技术在沥青路面运用过程中的功能性、耐久性评价提供了研究方法。
关键词：冻融循环；抗冻融性；劈裂强度；最大弯拉应变
Rearch on Temperature Impaction Property of Asphalt Concrete
Bad on Freeze-thaw Cycling
W U Zhao,L I W en-tao,QI N L i-j uan,SH U Dong-lin
(State Key Labo rator y fo r Silicate Science and Eng ineer ing Cent re,W uhan U niver sity o f T echno log y,
W uhan430070,China)
Abstract:T he snow-melting and deicing techno log y could acceler ate Fr eeze-thaw cycling of asphalt pav ement,the pavement lead to crab becau of temperature fatigue fr om temperature up and do wn r epeatedly.A ex perimental pro-
一箭双雕g ram w as desig ned to estimate the impaction on speeding up t he F reeze-thaw cy cles t o pr operties o f asphalt pavement.
T he ex per iment ud M arshall and Beam specimen w hich was frozen and thawed r epeatedly between-18e and60 e,measur ed by the splitting str eng th and max imum bending str ain,sho wed that the influence of fr eezing and thawing t imes on asphalt concrete pro per ties.T he r esult can sho w that framew or k str uctures of mix ture and mater ial compos-i tio n has a gr eat im pactio n on ant-i freeze-t haw pr operty o f asphalt co ncr ete.It can pr ov ide a rea rch w ay for estimating the functionalit y and w ear during t his t echnolog y applied on pav ement.
Key words:fr eeze-thaw cy cles;ant-i fr eeze-thaw pr operty;splitt ing streng th;max imum bending strength
自1998年拥有第一条高速公路以来，我国的高速公路飞速发展,2010年12月底的统计显示我国目前的高速公路通车总里程已经超过7.5万公里。高速公路的发展为经济的飞速发展提供了很好的基础，同时飞速发展的经济也对高速公路的路用性能提出了更高的要求。沥青混凝土已经成为高速公路主要的构建形式。但沥青混凝土是一种典型的/温敏性0粘弹塑性材料，夏季在车辆荷载作用下易产生高温变形，冬季在低温环境下路面易产生温缩裂缝，尤其是在严寒季节路面的积雪和冰冻不仅大大降低了道路安全运输能力，而且极易引发交通事故。在冬季下雪时，路面积雪结冰导致车辆行驶困难，极易造成交通事故。据统计，路面湿润时发生的事故是干燥路面的2倍，降雪时是干燥路面的5倍，结冰时是干燥路面的8倍。在低温冰雪天气如何及时清除路面冰雪、减少交通事故的发生、延长道路的使用寿命，从而提高公路建设的投资效益一直
收稿日期:2011-03-23.
作者简介：吴钊(1986-)，硕士生.E-mail:skyicew
是世界各国交通部门和道路研究工作者迫切希望解决的问题。科学育儿知识
目前国内外开发了一系列采用热力学法来进行道路融雪化冰的材料和系统，包括导电混凝土，发热电缆及地源热泵，其中地源热泵融雪化冰技术利用太阳能蓄热，可以方便高效地进行除雪化冰。日本、美国、北欧等国家则已经有一些相关示范工程，而国内融雪化冰的课题研究也取得了一定的进展，包括其热输出功率的计算方法，热流密度分析等。融雪化冰技术的应用，加速了路面的温度变化，在水和反复的升温降温过程对沥青路面形成很高的温度冲击疲劳和水损害[5]。在夏季高温和冬季冰雪天气条件下，沥青混凝土通过换热将热量转移，实现沥青混凝土的降温和升温，路面温度始终在变化，这样反复循环，便产生温度应力，使沥青混合料的极限拉伸应变变小；与此同时，沥青的老化使沥青劲度升高，应力松弛性能降低，当温度应力大于其抗拉强度时产生温度疲劳，最终产生疲劳裂缝，使路面开裂[6]；而且，空隙率随着温度循环次数的增加而增大，同时在雨水天气条件下或是融雪化冰过程中，路面积累的大量水在行车碾压下进入空隙进一步造成水损害，这些因素都将影响沥青混凝土的服役寿命
[1]。因此，研究冻融循环过程中沥青混合料的抗温度冲击性能
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有很重要的意义。1 原材料概况和集料级配
本实验所用原材料集料为京山玄武岩，沥青为壳牌
AH -70基质沥青，矿粉为普通石灰岩矿粉。原材料基本
属性如表1所示。
本实验采用玄武岩集料和普通的石灰岩矿粉,9.5~
13.2cm 集料的表观相对密度为2.982,4.75~9.5cm
汉语的魅力集料的表观相对密度为2.987,2.36~ 4.75cm 集料的表表1 AH -70基质沥青的基本指标试验项目针入度(25e ,100g ,5s)/(0.1mm)68延度(5cm/min,15e )/cm >150软化点(环球法)/e 47.4观密度为2.991,0~2.36cm 集料的表观相对密度为2.964。普通石灰岩矿粉的表观相对密度为2.702。由于主要研究路面上面层受长期冻融循环过程中的温度疲劳性能，因此该文沥青混合料采用AC -13型沥青混合料继配类型，继配曲线图如图1
所示。
2 试验方案
对热疲劳开裂可能性的研究始于20世纪70年代，美国西部德克萨斯州路面发生严重横向开裂[2]，日本北海道大学对沥青混合料试件进行了温度循环作用下的温度应力测定，结果表明，尽管温差不是很大，但随着循环次数的增加，收缩应力及应力变化幅度逐渐减小，最后也将导致破坏。交通部公路科学研究所也做了类似的试验，证明沥青混合料弯曲柔量增长率越大，回弹模量越大，其抗裂性越好。而低温柔性越好，残余变形越大，破断次数越少，温度疲劳寿命越长[7]
。
研究温度疲劳的试验方法可分为两类：一类是直接对试件进行温度循环作用，进行约束试件温度应力试验(T SRST)，可以测试沥青混凝土因温度变化产生的任何变形；一类是间接作用，进行低温低频疲劳试验，温度循环反复作用实际上相当于试件内应力的反复作用。将温度应力转化为荷载应力，可以缩短试验耗
时[1]，将采用低温低频疲劳的试验方法来研究沥青混合料的低温抗疲劳性能。
试验方案借鉴了5公路工程抗冻设计与施工技术指南6里面关于沥青混合料抗冻性研究的规范。
试件成型标准马歇尔试件和车辙试样，马歇尔试件尺寸为高度63.5cm?1.3cm、直径101.3cm，车辙试
样尺寸为300mm@300m m@50m m。对车辙试样进行切割得到尺寸为250mm@35m m@30mm的小梁试件。对马歇尔试件进行分组,4个试件为一组，先饱水浸泡0.5h，然后真空饱水15min，放入塑料袋中，加入清水10m L。将试件在-18e下冰冻18h，然后将试件放入60e水浴箱融化6h，此为一次循环。将小梁试件在25e水浴中饱水7h。在-18e下冰冻18h，然后将试件放入60e水浴箱融化6h，此为一次循环。
该文将进行马歇尔试件的冻融劈裂试验和小梁3点弯曲试验。
对于冻融劈裂实验所得数据，按照公式(1)进行数据处理，得到各个试件的劈裂强度数据。其中h为马歇尔试件的实测高度,d为劈裂试验所用夹具的宽度，对于直径为100cm的试件，夹具的宽度为12.7m m。
R T1=0.006287P T1/h1R T2=0.006287P T2/h2(1)其中,R T1为未进行冻融循环过程的试件的劈裂抗拉强度,MPa;R T2为经受冻融循环过程的试件的劈裂抗拉强度,MPa;P T1为未进行冻融循环过程的试件的试验荷载的最大值,N;P T2为经受冻融循环过程的试件的试验荷载的最大值,N;h1为未进行冻融循环过程的试件的高度,mm;h2为经受冻融循环过程的试件的高度, mm。默歌曲
对于小梁3点弯曲试验所得数据，按照公式(2)、式(3)和式(4)对数据进行处理，得到试件的弯曲劲度模量。
部队士官述职报告
R B=3LP B
2bh2
(2)
S B=R B
E B(3)
E B=6hd
L2
(4)式中,R B为试件破坏时的抗弯拉强度,M Pa;E B为试件破坏时的最大弯拉应变;S B为试件破坏时的弯曲劲度模量,MPa;b为跨中断面试件的宽度,m m;h为跨中断面试件的高度,mm;L为试件的跨径,mm;P B为试件破坏时的最大荷载,N;d为试件破坏时的跨中挠度,m m。
3冻融劈裂性能试验结果与分析
新铺的沥青混合料面层的孔隙率范围在5%~8%之间[3]，对路面性能的研究表明路面空隙率范围在3%~
5%之间[4]。因此选择空隙率为5%左右的马歇尔试件来进行冻融循环试件。
为了评价温度冲击下沥青混合料的性能，对沥青混合料分别进行10次,20次和30次的循环。所有循环完成后，按照规范T0716)1993和T0729)2000进行沥青混合料劈裂和冻融劈裂试验。按照空隙率将试件分为两组，一组空隙率在4%~ 4.5%之间，另一组空隙率在5%~ 5.5%之间，所得冻融劈裂强度试验结果如图2和图3所示。
由图2和图3可以看出，空隙率的变化对试件冻融
智慧江苏劈裂强度变化趋势的影响不大，但是对冻融劈裂强度的
基础数值有较大的影响。因此选用较好的骨架结构和合
适的空隙率是必要的。
冻融循环过程完成后冻融劈裂强度比与冻融循环次
数的结果如图4所示。
从图4可以看出，冻融循环过程对沥青混合料的性
能影响很明显，特别是对于冻融循环次数过多的混合料。
而且随着冻融次数的增加，沥青混合料经过3次以上的
冻融循环，性能已经降低至原样的80%。
4低温小梁弯曲性能试验结果与分析
按照规范T0715)1993进行混合料弯曲试验。由于小梁试件的脆性，对小梁试件进行2次循环和3次循环，所得数据如图5所示。
韩先楚从上面数据结果可以看出，冻融循环对沥青混合料
小梁试件的性能影响很大,2次循环过程就使得沥青混合
料的弯曲劲度模量下降至85%以下。
5结论
a.混合料的骨架结构对混合料的性能影响很大，但
是对混合料的性能随冻融循环的变化趋势影响不明显。
但是选择好的骨架结构和合适的空隙率还是很有必要
的。
b.随着冻融次数的增加，对沥青混凝土的体积性能、
力学性能均有较大的影响。综合各项性能指标，性能降低至原样性能80%，冻融次数大约为3、4次。
c.随着冻融次数的增多，沥青混合料的低温性能也受到较大的影响,2次冻融循环过程就使得沥青混合料弯曲劲度模量降低至原样的85%以下。
参考文献
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