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娈祁
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1 第 35 卷第 3 期哈尔滨工程大学学报 Vol 年 3 月 Journal of Harbin Engineering University Mar.2014 冻融循环对沥青混合料力学性能的影响李兆生, 谭忆秋, 吴思刚, 杨福祺 ( 哈尔滨工业大学交通科学与工程学院, 黑龙江哈尔滨 ) 摘要 : 通过冻融循环作用沥青混合料力学性能的对比分析, 研究了冻融对沥青混合料力学性能的影响规律分析了冻融作用后沥青混合料的高温性能强度模量及疲劳性能的变化规律, 研究了冻融作用下沥青混合料的损伤特性研究表明, 冻融循环作用后沥青混合料稳定蠕变期的蠕变速率增大, 冻融循环作用增大了沥青混合料的高温稳定性对应力水平的敏感性 ; 沥青混合料的抗压强度及回弹模量均随冻融循环次数的增加而降低, 损伤变量的变化随冻融次数的增加分为快速损伤期稳定损伤期及损伤发展期 3 个阶段 ; 冻融作用后, 沥青混合料的抗疲劳性能降低, 疲劳寿命对应力水平的变化更为敏感关键词 : 沥青混合料 ; 冻融循环 ; 力学性能 ; 损伤 ; 疲劳寿命 doi: / j.issn 网络出版地址 :http: / / / kcms / detail / U html 中图分类号 :U416.2 文献标志码 :A 文章编号 : (2014) The effects of the freeze thaw cycle on the mechanical properties of the asphalt mixture LI Zhaosheng, TAN Yiqiu, WU Sigang, YANG Fuqi ( School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin , China) Abstract:Through a comparative analysis of the mechanical properties of asphalt mixture affected by freeze thaw cy cles, the effects of the freeze thaw cycles on the mechanical properties of the asphalt mixture were investigated. The change laws of high temperature performance, strength, the modulus and fatigue performance of the asphalt mixture after the freeze thaw cycles were analyzed, and the characteristics of the damage were also determined. The investi gation shows that the creep rate of the asphalt mixture increases at a stable creep stage after the freeze thaw cycles, and the freeze thaw cycles magnify the effects of the high temperature stability of the asphalt mixture on the sensitiv ity of the stress level. Meanwhile, with the increase of the number of freeze thaw cycles, the compressive strength and rebound modulus of the asphalt mixture decrease, and the variation of the damage variable was divided into three stages, i.e., fast damage period, stable damage period and damage development period. The fatigue perform ance of the asphalt mixture is reduced, and the fatigue life is more sensitive to the variation of stress levels after the asphalt is suffered by the freeze thaw cycles. Keywords:asphalt mixture; freeze thaw cycle; mechanical properties; damage; fatigue life 季冻区在我国有较大的面积分布, 遍及我国北方 10 余个省, 占国土面积的 50% 以上季冻区持续低温剧烈的冻融循环及大的温差等恶劣自然条件对沥青路面的正常使用产生严重影响, 季冻区的沥青路面经常出现开裂严重使用寿命短等问题收稿日期 : 网络出版时间 : :06:57. 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ). 作者简介 : 李兆生 (1974 ), 男, 工程师, 博士研究生 ; 谭忆秋 (1968 ), 女, 教授, 博士生导师. 通信作者 : 李兆生, E mail:lizhaoshenghit@ 163.com. 季节性冰冻地区, 一年之内会经受多次冻融循环作用其中既包括短期高频率冻融循环, 也包括一年乃至数年内的冻融大循环对于沥青混合料来说, 冻融作用将对其路用性能产生较大的影响 [1 3] 沥青与集料界面间的粘结力是影响混合料性能的主要因素, 界面粘结力的影响因素除材料自身特性外, 外界环境特别是水分的影响尤其重要水对沥青混合料性能的影响除了对沥青膜的置换作用之外, 在季冻区还存在水分相态变化导致的混合料的冻融损

2 第 3 期李兆生, 等 : 冻融循环对沥青混合料力学性能的影响 379 伤 [4 5] 在冻融循环的多次作用下, 沥青混凝土的性能将迅速衰减, 导致在施工完成几年后就出现大规模的早期损害现象 [6 10] 本文按照公路工程沥青混合料试验规程 (JTJ ) 中沥青混合料冻融劈裂试验 (T ) 方法对试件进行快速冻融 : 在 98.3 ~ 98.7 kpa 的真空条件下饱水 15 min, 然后在 -18 下冷冻 16 h, 最后在 60 水中保温 24 h, 作为一次冻融循环对比分析了冻融循环作用对沥青混合料力学性能的影响 1 原材料性质及配合比设计 1.1 原材料性质沥青采用 70 号基质沥青, 主要技术指标如表 1 所示粗集料及矿粉的主要技术指标如表 2 及表 3 所示主要材料的技术指标满足规范要求表 1 沥青技术指标 Table 1 Asphalt technical index 指标技术要求试验结果针入度 / 0.1 mm (100 g,5 s,25 ) 60~ 延度 (15 ) / cm 100 >100 软化点 T R&B / 表 2 粗集料技术指标 Table 2 Coarse aggregate technical index 指标试验值技术 10~ 20 mm 5~ 10 mm 要求 1 及表 4 所示沥青用量 / % 图 1 Fig. 1 表 4 Table 4 空隙率 / % 级配曲线 Grading curve 配合比设计结果 Design of mixture ratio 矿料间隙率 / % 饱和度 / % 稳定度 / kn 流值 / mm 冻融循环对沥青混合料高温性能的影响 2.1 马歇尔稳定度经过规定次数的冻融循环后, 将试件放入 60 的恒温水槽内保温 30 ~ 40 min, 然后测定其稳定度稳定度与冻融循环次数的关系如图 2 所示由图 2 可知, 随着冻融次数的增加, 稳定度呈线性下降的趋势冻融 16 次之后的残留稳定度为 83.4%, 说明冻融循环对沥青混合料的高温稳定性的影响较大压碎值 / % 磨耗值 / % 吸水率 / % 相对密度扁平颗粒含量 / % 表 3 矿粉技术指标 Table 3 Mineral powder technical index 指标实测值技术要求表观相对密度含水量 / % 粒度范围 ( <0.6 mm) / % 粒度范围 ( <0.15 mm) / % ~ 100 粒度范围 ( <0.075 mm) / % ~ 配合比设计根据公路沥青路面施工技术规范 ( JTG F ), 采用马歇尔设计方法进行 AC 16 沥青混合料的配合比设计级配曲线及最终的设计结果如图图 2 稳定度随冻融次数的变化 Fig. 2 Stability changes with freezing and thawing numbers 2.2 劈裂蠕变沥青混合料具有明显的粘弹性性质, 其主要表现为在高温情况下具有明显的蠕变行为通过高温蠕变速率来评价沥青混合料的高温抗变形能力蠕变速率是单位应力作用下, 变形等速增长的稳定期内, 单位时间内应变的增加值蠕变速率与蠕变曲线稳定变形段的变形发展速率有关, 能够反应载荷作用下沥青混合料抵抗变形的能力蠕变速率的计算公式为

3 380 哈尔滨工程大学学报第 35 卷 ε 2 - ε 1 ε s = (1) (t 2 - t 1 )σ 0 式中 :σ 0 为试件的弯拉应力,MPa; t 1 t 2 为蠕变稳定期直线段起点及终点的时间,s; ε 1 ε 2 为对应于时间 t 1 t 2 时的蠕变应变 ; ε s 为试件的蠕变速率,1/ ( s MPa -1 ) 对冻融处理的试件进行劈裂蠕变试验, 试验温度为 45 采用了 3 个应力水平, 分别为 MPa 不同应力水平情况下, 混合料试件冻融前后的蠕变曲线如图 3 所示蠕变曲线的稳定阶段明显减小, 试件很快进入破坏期, 说明冻融对试件产生了一定的损伤不同应力水平下, 冻融前后的蠕变速率如图 4 所示从图上可以看出, 冻融前后试件的蠕变速率都随着应力水平的增加而增大而在相同的应力水平下, 在应力水平为 0.02 MPa 时, 冻融后与冻融前的试件相比, 蠕变速率增加了 1 倍 ; 在应力水平为 0.03 MPa 时, 冻融后蠕变速率增加了 1.3 倍 ; 在应力水平为 0.04 MPa 时, 冻融后蠕变速率增加了 2. 5 倍说明冻融循环降低了沥青混合料的高温稳定性, 同时还增加了高温稳定性对应力水平的敏感性 (a) 应力为 0.02 MPa (b) 应力为 0.03 MPa (c) 应力为 0.04 MPa 图 3 不同应力水平下的蠕变曲线 Fig. 3 The creep curves under different stress levels 从图 3 中可以看出, 蠕变曲线可以明显的分为 3 个阶段 :1) 迁移期, 蠕变变形在加载瞬间迅速增大, 但蠕变速率随时间增加迅速减小 ;2) 稳定期, 蠕变变形呈线性稳定增长, 蠕变速率基本保持不变 ; 3) 破坏期, 蠕变变形和蠕变速率均迅速增大, 直至试件破坏对比冻融前后的蠕变曲线可知, 冻融后 Fig. 4 图 4 不同初始应力下的蠕变速率 Creep rate of different initial stresses 3 冻融循环对沥青混合料强度和模量的影响冻融循环作用会在沥青混合料内部产生损伤, 进而会影响到沥青混合料的力学性能通过冻融循环后沥青混合料抗压强度及回弹模量变化, 研究冻融循环过程中沥青混合料力学性能的损伤机理在冻融循环作用下, 沥青混合料内部会出现损伤, 随着损伤的不断发展, 会导致其力学性能发生相应的变化因此可以通过测试冻融过程中, 试件力学性能指标的变化来表征材料内部的损伤程度由损伤力学可知 [8], 损伤变量为 D = 1 - E(n) E 0 (2) 式中 : E(n) 为冻融 n 次后的抗压强度或弹性模量 ; E 0 为未冻融试件的抗压强度或弹性模量 3.1 抗压强度及回弹模量经过规定的循环次数后, 测定试件的抗压强度及回弹模量, 试验温度为 20 抗压强度回弹模量及相应的损伤变量随冻融次数的变化如图 5 所示由图 5 可知, 抗压强度及回弹模量均随着冻融循环次数的增加而降低而相应的损伤变量随着冻融次数的增加而增大这是由于沥青混合料在冻胀力的作用下, 内部出现了微观裂纹, 微观裂纹在反复的冻胀力作用下, 进一步的延伸扩展, 引起沥青混合

4 第 3 期李兆生, 等 : 冻融循环对沥青混合料力学性能的影响 381 料的损伤逐步积累, 导致沥青混合料的粘结力及内磨阻力均呈现下降的趋势, 引起沥青混合料力学性能的衰减, 使得混合料的刚度和强度均随之降低冻融循环作用 4 次之后, 沥青混合料的力学性能衰变较快, 而在 12 次冻融循环后, 抗压强度和回弹模量的变化都趋于稳定合料的剩余孔隙率, 保证沥青路面的压实度要求, 增加路面的密水性, 可以有效控制冻融损害的发生 (a) 劈裂强度 (a) 抗压强度 Fig. 6 (b) 劲度模量图 6 劈裂强度与劲度模量 ( -10 ) Cleavage strength and stiffness modulus( -10 ) (b) 回弹模量图 5 抗压强度与回弹模量 (20 ) Fig. 5 Compressive strength and resilient modulus(20 ) 3.2 劈裂强度及劲度模量冻融循环作用后沥青混合料的劈裂强度劲度模量及相应的损伤变量随冻融次数的变化如图 6 所示由图 6 可以看出, 沥青混合料的低温劈裂强度和劲度模量随着冻融循环次数的增加而减小, 而损伤变量随着冻融次数的增加而增大根据损伤变量随冻融次数的变化曲线特点, 可将沥青混合料的冻融损伤过程划分为 3 个阶段 :1) 快速损伤期, 损伤变量随冻融次数的增加迅速增大此时进入到沥青混合料内部的水滞留在材料内部, 冻胀使材料内部由无裂缝状态迅速产生微裂纹, 从而引起材料力学性能衰减较快 2) 稳定损伤期, 损伤变量随冻融次数的增加基本保持不变此时在迅速增大在冻胀力的作用下, 材料内部的微裂纹进一步扩展, 形成了一定数量的连通孔隙, 对冻胀力有一定的消散作用, 材料的损伤发展较为平稳 3) 损伤发展期, 损伤变量随冻融次数的增加进一步增大此时随着冻融的进一步延续, 形成了更多的连通孔隙, 材料内部的微裂纹进一步的扩展, 引起材料的损伤加剧通过分析可知, 减少沥青混合料水分的进入, 严格控制沥青混 4 冻融循环对沥青混合疲劳性能影响疲劳破坏是沥青路面的主要破坏模式之一, 沥青路面的疲劳破坏问题一直是道路工程领域的研究重点目前的疲劳研究主要是基于路面结构设计要求的层面上, 疲劳研究的目的主要是提出路面设计的预估模型目前对于冻融循环后沥青混合料的疲劳性能研究较少在季冻区, 沥青路面的疲劳特性与常规情况下表现出很大的不同, 抗疲劳性能下降的更快因此分析冻融循环后沥青混合料的疲劳特性, 研究季冻区的沥青混合料疲劳规律显得尤为重要对冻融循环作用后的试件进行疲劳试验疲劳试验温度为 15, 加载频率为 10 Hz 采用应力控制方式的疲劳试验, 加载波形为正弦波, 最小荷载为最大荷载的 3% 在疲劳试验前, 以最小荷载对试件进行 20 s 的预压应力水平分别为这 5 个等级沥青混合料疲劳应力与疲劳寿命一般满足如下关系式 : N = Kσ -n (3) 式中 : N 为疲劳寿命 ; σ 为拉应力 ; K n 为待定系数通过应力控制模式下的疲劳试验, 得到不同应力水平下的疲劳寿命通过拟合可以得到式 (3) 疲劳方程中的系数 K 和 n 参数 K 和 n 值反映了材料

5 382 哈尔滨工程大学学报第 35 卷的疲劳特性 n 值的大小反映了材料疲劳寿命对应力水平的敏感程度, n 值越大疲劳曲线越陡, 说明材料的疲劳寿命对应力水平的变化越敏感 ; K 值反映了材料的抗疲劳性能的强弱, K 值越大疲劳曲线的线位越高, 说明材料的抗疲劳性能越好冻融作用前后试件疲劳试验拟合结果如图 7 所示冻融前后的 K 值分别为 , 冻融后的 K 值降低了, 说明冻融作用后沥青混合料的抗疲劳性能降低了 ; 冻融前后的 n 值分别为 , 冻融后的 n 值增大了, 说明冻融作用后沥青混合料的疲劳寿命对应力水平更为敏感总之由于冻融循环引起的材料内部损伤, 导致了沥青混合料的抗疲劳性能有所下降图 7 冻融前后沥青混合料疲劳特性 Fig. 7 Asphalt mixture fatigue characteristics before and after freezing and thawing 5 结论 1) 随着冻融循环次数的增加, 马歇尔稳定度呈线性下降的趋势蠕变试验表明, 冻融循环作用后沥青混合料稳定蠕变期的蠕变速率增大, 稳定期变短, 并且冻融循环增加了沥青混合料的高温稳定性对应力水平的敏感性, 冻融作用后其高温性能变差 2) 沥青混合料的抗压强度及回弹模量均随着冻融循环次数的增加而降低, 相应的损伤变量随着冻融次数的增加而增大 ; 低温劈裂强度和劲度模量随着冻融循环次数的增加而减小, 损伤变量随冻融次数的增加大致分为快速损伤期稳定损伤期及损伤发展期 3 个阶段 3) 对比分析了冻融前后沥青混合料的疲劳性能, 得到了疲劳方程冻融作用后, 沥青混合料的抗疲劳性能降低, 疲劳寿命对应力水平的变化更为敏感参考文献 : [1] 熊锐, 陈拴发, 关博文, 等. 冻融与腐蚀耦合作用下沥青混凝土性能研究 [J]. 武汉理工大学学报,2011,33(2): XIONG Rui, CHEN Shuanfa,GUAN Bowen,et al. Research on performance of asphalt concrete under the action of freeze thaw and corrosion[ J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2011,33(2): [2] 张洪刚, 黄慧, 钱国平. 反复冻融条件下沥青混合料的间接拉伸试验研究 [J]. 公路,2012(4): ZHANG Honggang, HUANG Hui, QIAN Guoping. A study on indirect tensile test of asphalt mixtures under repeated freezing and thawing[ J]. Highway, 2012(4): [3] ATTIA M, ABDELRAHMAN M. Sensitivity of untreated re claimed asphalt pavement to moisture, density, and freeze thaw [ J]. Journal of Materials in Civil Engineering,2010, 22(12): [4] 张倩, 李创军. 沥青混合料冻融劈裂微观结构损伤特性分析 [J]. 公路交通科技,2010,27(2):6 9. ZHANG Qian, LI Chuangjun. Analysis of micro structural damage characteristics of freeze thaw split asphalt mixtures [ J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development,2010,27(2):6 9. [5]KESTLER A M, BERG R, BIGL S R, et al. Statistical sig nificance of freeze thaw related factors on cumulative dam age to flexible pavements[ J]. Transportation Research Re cord,2011,2232: [6] 田盛鼎, 刘朝晕. 沥青混合料冲刷冻融试验设计和抗水损害性能 [J]. 中外公路,2009,29(4): TIAN Shengding, LIU Chaoyun. Asphalt mixture scouring freeze thaw test design and the water damage resistance[ J]. Journal of China and Foreign Highway, 2009,29( 4): [7] 郑健龙, 张洪刚, 钱国平, 等. 水温冻融循环条件下沥青混合料性能衰变的规律 [ J]. 长沙理工大学学报 : 自然科学版,2010,7(1):7 11. ZHENG Jianlong, ZHANG Honggang, QIAN Guoping,et al. Attenuated performance of asphalt mixture under freeze thaw cycle with water and temperature [ J]. Journal of Changsha University of Science and Technology: Natural Science, 2010,7(1):7 11. [8] 余寿文, 冯西桥. 损伤力学 [ M]. 北京 : 清华大学出版社, 1997:98. YU Shouwen, FENG Xiqiao. Damage mechanics[ M]. Bei jing: Tsinghua University Press,1997:98. [9] 李东庆, 孟庆洲, 房建宏, 等. 沥青混合料抗冻融循环性能的试验研究 [J]. 公路,2007(12): LI Dongping, MENG Qingzhou, FANG Jianhong, et al. Test and research on performance of frost thawing resistance of asphalt mixture[ J]. Highway,2007(12): [10] 侯曙光, 王宏畅, 黄晓明, 等. 低温地区沥青混合料冻融疲劳特性分析 [J]. 公路交通科技,2006(4):7 10. HOU Shuguang WANG Hongchang, HUANG Xiaoming, et al. Analysis of freez thaw fatigue performance for asphalt mixture in low temperature zone [J]. Journal of Highway and Trans portation Research and Development, 2006(4):7 10.

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mm ~ 16 3 2011 6 Vol 16 No 3 JOURNAL OF HARBIN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Jun 2011 1 2 3 1 150040 2 150040 3 450052 1 3 4 > 1 ~ 3 > > U414 A 1007-2683 2011 03-0121- 06 Shrinkage Characteristics of