冻融循环条件下的沥青混合料半圆弯拉试验

李 萍，刘 洋，念腾飞，吴 中，2，毛 昱

（1.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050；2.青海公路科研勘测设计院，青海西宁810001）

冻融循环条件下的沥青混合料半圆弯拉试验

李 萍1，刘 洋1，念腾飞1，吴 中1，2，毛 昱1

（1.兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050；2.青海公路科研勘测设计院，青海西宁810001）

在－20～20℃的冻融循环条件下，利用自行设计的半圆弯拉试验，研究了分别进行0，6，12和18次冻融循环后，SBS质量分数（w（SBS））分别为0，4%，5%和6%的沥青混合料AC 16，AC 20和SMA 16的层底抗拉强度和抗拉应变的影响.结果表明：冻融循环次数相同时，随w（SBS）的增加，沥青混合料的层底抗拉强度和抗拉应变先逐渐增大再逐渐减小；当w（SBS）为5%时，3种级配沥青混合料均表现良好的层底抗拉强度和抗拉应变；AC类沥青混合料的层底抗拉强度和抗拉应变均优于SMA类；季节性冰冻区采用w（SBS）为5%的AC 16沥青混合料可更好地减缓路面开裂.

沥青混合料；冻融循环；半圆弯拉试验；抗拉强度；抗拉应变

沥青混凝土路面的冻融破坏是季冻区常见的道路病害现象［1］.这是因为一方面沥青路面面层直接暴露在空气中，在承受行车荷载的同时，还承受着温度荷载的作用，沥青面层内部随气温下降而产生温度应力，当沥青面层的应力松弛特性低于应力增长速度，由此造成的路面损伤将逐渐积累，直至超过沥青混合料极限抗拉强度时，沥青面层发生开裂［2］；另一方面，沥青路面在冻融循环作用下，进入路面空隙中的水分将产生动水压力或真空负压抽吸的反复作用，随冻融循环次数的增加，沥青混合料冻融后内部空隙体积增大，承载力下降，由最初混合料内部的微损伤逐渐发展为混合料的松散、开裂等破坏.由冻融作用引起的沥青路面破坏现象，严重影响了季冻区沥青路面的使用性能和寿命，如何准确地评价冻融循环作用对沥青混合料弯拉特性的影响是目前亟待解决的问题.现阶段，路面工程师和研究人员在评价沥青混合料的抗拉强度时，均广泛采用间接拉伸试验.而间接拉伸试验又存在许多不足，如：试件中部拉应力分布不均匀；加载过程中，上下压头处常产生应力集中造成试件局部破坏，导致提前结束试验；试验破坏过程中，塑性变形过大，背离了间接拉伸试验中关于试件的弹性变形方式及力学分析模式，没有真正地反映混合料抗拉性能等［3］.目前，国外普遍采用SCB试验对多种成型方法的沥青混合料进行分析和评价.SCB试验的优点如下：试件制备容易，破坏以拉伸为主，可以较好地评价沥青混合料的抗拉性能［4－5］.在低温状态时，对于我国广泛使用的半刚性基层沥青混凝土路面结构，下面层本身常常存在反射裂缝，SCB试验可以更好地评价存在反射裂缝的沥青混凝土路面的抗裂性能.

为此，本研究在参考前人成果的基础上，模拟沥青路面在季冻区的冻融情况，以冻融循环条件下的SCB试验结果来分析沥青混合料层底抗拉强度、层底抗拉应变随冻融循环次数、级配类型及SBS质量分数的变化规律，为研究沥青混合料的抗低温开裂能力、抗疲劳性能和沥青路面的设计、施工提供一定参考.

1 试 验

1.1 原材料

选用的粗细集料均来自甘肃永靖采石场.矿粉来自甘肃省兰州市永登通沟湾水泥厂生产的石灰岩质矿粉.集料按照JTG E42—2005《公路工程集料试验规程》的规定进行测试，各项指标均满足JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求.沥青为90号埃索石油沥青，依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对沥青相关技术指标进行检测，各项检测指标均符合JTG F40—2004规定的要求.监测结果及指标见表1.外加剂是由燕山石化公司通过阴离子聚合方法制得的线性热塑性丁苯橡胶（SBS改性剂），经检测其密度为0.78 g·cm－3，粒径为3～6 cm，熔点为146℃.

表1 90号埃索石油沥青技术指标

1.2 级配类型

试验用沥青混合料3种级配类型为AC 16，SMA 16和AC 20，级配组成见表2.通过马歇尔试验，获得3种级配类型的沥青混合料体积指标，计算得到三者的最佳油石比分别为4.7%，5.7%和4.4%.

表2 沥青混合料级配组成

2 试件制备及试验方案

2.1 试件制备

试件采用大马歇尔成型法，成型后为圆柱体试件，其直径为150 mm，高度100 mm，再利用钻芯取样机，钻取直径100 mm、高100 mm的圆柱体试件.为保证混合料的均匀性，同时参考文献［6］，可知半圆试件厚度为50 mm时，试验最能反映路面的真实受力情况.因此，将之前得到的圆柱体试件，用岩石切割机切割成2个高度50mm、直径100mm的标准半圆试件（SCB试件），如图1所示.

图1 标准SCB试件

2.2 试验方案

根据西北地区冬季平均气温均低于－10℃，青藏高原、祁连山和天山北疆地区均低于－15℃，年平均气温为0～12℃［7］，选定冻融循环试验温度为－20～20℃.由于水损害是导致季节性冰冻地区沥青混凝土路面早期破坏的主要原因，因此，结合JTG E20—2011，参考文献［1］方法，首先将试件依次在水中浸泡不小于1 h；再将浸泡好的试件快速放置温度为－20℃的冰箱中，冷冻不小于6 h，且完全结冰；随后把冷冻好的试件取出，置于室温高于20℃的室内融化完全，作为本次试验的1次冻融循环；在规定冻融循环次数试验之后，将试验试件置于温度15℃的烘箱保温4 h；保温后的试件置于长沙亚星LQD 2型路基路面材料强度试验系统上进行试验，SCB试件支点间距为80 mm，规定加载速率为50 mm·min－1.试件加载装置如图2所示.

图2 试件加载装置

对外加剂SBS质量分数分别为0，4%，5%，6%的3种沥青混合料AC 16，AC 20和SMA 16，分别进行0，6，12和18次冻融循环后，在温度为15℃时进行SCB试验，每组试验进行3次平行试验.

2.3 结果处理方法

利用SCB试验系统收集的峰值压力及与其对应的挠度值，通过文献［8］得到峰值压力与试件层底抗拉强度、试件回弹模量之间的相互关系，通过文献［9］得到的半圆试验竖向挠度与半圆弯曲试验层底抗拉强度与抗拉应变的关系式，分别换算为本研究所需要的层底最大抗拉强度和层底最大抗拉应变，即

式中：σt为试件层底抗拉强度，MPa；p为试件峰值荷载，N；t为试件厚度，mm；D为试件直径，mm；ε为试件层底抗拉应变；L为支座间距，mm；d为试件底部中心处挠度，mm.

3 结果与分析

3.1 SBS质量分数的影响

为研究SBS质量分数对层底抗拉强度的影响，在不同冻融循环次数（0，6，12和18次）下，沥青混合料SCB试验层底抗拉强度与SBS质量分数的变化关系如图3所示.

由图3可知，在不同冻融循环次数下，层底抗拉强度随SBS质量分数的增加呈抛物线变化，且在SBS质量分数为5%附近出现最大值.由图3a可知，在未受冻融循环影响的前提下，3种级配沥青混合料在SBS质量分数为5%时的层底抗拉强度相近，均优于未含SBS的沥青混合料.由图3b可知，3种级配沥青混合料在SBS质量分数为5%时，层底抗拉强度的关系为σtAC 16＞σtAC 20＞σtSMA 16，说明受冻融循环影响，集料由细到粗，由密级配到间断级配，集料表面的比表面积逐渐减小，沥青混合料层底抗拉强度逐渐降低.由图3c，d可知，3种级配沥青混合料在SBS质量分数为5%时，层底抗拉强度关系为σtAC 16＞σtAC 20＞σtSMA 16，说明随冻融循环次数增加，AC 16仍表现出较好的抗拉性能.

为研究SBS质量分数对层底抗拉应变的影响，冻融循环次数分别为0，6，12和18次时，层底抗拉应变与SBS质量分数的关系曲线如图4所示.

图3 SBS质量分数与层底抗拉强度的关系曲线

图4 SBS质量分数与层底抗拉应变关系曲线

观察图4可以得出与图3相似的结论，即在不同冻融循环次数下，层底抗拉应变随SBS质量分数增加呈抛物线变化，且均在SBS质量分数为5%附近出现最大值.由图4a可知，未经冻融循环时，含有SBS改性剂的沥青混合料层底抗拉应变性能均优于未含SBS改性剂沥青混合料，且当SBS质量分数为5%时，AC 16的层底抗拉应变是SBS质量分数为0时的1.3倍，AC 20的层底抗拉应变是1.1倍，SMA 16的层底抗拉应变是1.4倍.由图4可知，随冻融循环次数增加，SBS质量分数为5%时，不同级配沥青混合料与未添加SBS改性剂的层底抗拉应变相比，均有显著提高.由此可知，AC类沥青混合料较SMA类表现出了更好的层底抗拉应变性能.

3.2 冻融循环次数的影响

为研究冻融循环次数对层底抗拉强度的影响，对试验数据进行分析，可知SBS质量分数为5%的沥青混合料具有较好的抗拉性能.下面以SBS质量分数为5%的沥青混合料为代表，进行冻融循环次数影响的分析.当SBS质量分数为5%时，AC 16，AC 20和SMA 16的冻融循环次数与沥青混合料SCB试验层底抗拉强度关系如图5所示.由图5可知：随冻融循环次数增加，3种级配沥青混合料的层底抗拉强度均呈下降趋势，且冻融循环次数大于6时，层底抗拉强度下降趋势较之前更快；SMA类沥青混合料层底抗拉强度的下降趋势更明显；AC 16较AC 20而言，表现出更好的层底抗拉性能.

图5 冻融循环次数与层底抗拉强度关系

为研究冻融循环次数对层底抗拉应变的影响，探讨SBS质量分数为5%时，AC 16，AC 20和SMA 16的冻融循环次数与沥青混合料SCB试验层底抗拉应变的关系，如图6所示.

图6 冻融循环次数与层底抗拉应变关系

由图6可知：随冻融循环次数增加，层底抗拉应变逐渐减小；冻融循环6～12次时层底抗拉应变较0～6次时下降趋势更快；不同冻融循环次数时，AC类沥青混合料较SMA类层底抗拉应变性能更好.

4 结 论

1）通过SBS质量分数对SCB试验层底抗拉强度、层底抗拉应变的影响分析发现：冻融循环次数相同时，随SBS质量分数增加，层底抗拉强度、层底抗拉应变先增大后减小；AC类沥青混合料的层底抗拉强度、层底抗拉应变均优于SMA类；当SBS质量分数为5%时，AC 16，AC 20和SMA 16等3种级配沥青混合料均表现出良好的层底抗拉强度和层底抗拉应变.

2）通过冻融循环次数对SCB试验层底抗拉强度、抗拉应变的影响分析发现，当SBS质量分数为5%时，3种级配沥青混合料的层底抗拉强度、抗拉应变均随着冻融循环次数的增加而逐渐减小，AC类沥青混合料抵抗层底抗拉强度、抗拉应变减小的力度较SMA类更强.

3）在季节性冰冻地区，采用级配类型为AC 16、SBS质量分数为5%的沥青混合料，能够有效提高层底抗拉性能，减缓路面开裂.

（References）

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［7］ 汪宝龙，张明军，魏军林，等.西北地区近50 a气温和降水极端事件的变化特征［J］.自然资源学报，2012，27（10）：1720－1733.WANG B L，ZHANGM J，WEIJL，et al.The change in extreme events of temperature and precipitation over Northwest China in recent50 years［J］.Journal of Natu ral Resources，2012，27（10）：1720－1733.（in Chi nese）

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［9］ 曹轲铭.沥青混合料半圆弯拉试验方法研究［D］.长沙：湖南大学，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，刘 洋，念腾飞，等.冻融循环条件下的沥青混合料半圆弯拉试验［J］.江苏大学学报（自然科学版），2018，39（1）：120－124.

2016－11－07

国家自然科学基金资助项目（51668041，51108222）；甘肃省科技支撑计划项目（1504GKCA031）

李 萍（1972—），女，江苏靖江人，教授，博士生导师（lzlgliping＠126.com），主要从事沥青路面结构设计与新型材料功能特性研究.

刘 洋（1992—），男，山西太原人，硕士研究生（447946507＠qq.com），主要从事沥青路面结构设计与新型材料功能特性研究.

（责任编辑 赵 鸥）