多年冻土区冻融循环作用对沥青混合料弯拉性能的影响发表时间:2017-09-25 浏览次数:227
引言
近年来,我国高速公路有向青藏高原寒冷地区年平均气温低、昼夜温差大、冻融循环频繁,对沥青路面力学性能、路用性能及耐久性能影响明显。以青藏公路大规模建设为序幕,国内相继开展了冻融循环对沥青路面耐久性的影响方面的研究。党松阳研究了橡胶粉改性沥青对沥青混合料抗冻融耐久性的影响;王岚等人分析了冻融循环次数、改性沥青种类和盐溶液浓度对沥青混合料抗裂性能的影响;司伟等人研究了沥青路面路用性能和抗压回弹模量随冻融循环的衰变规律,基于可靠度方法分析给出了沥青路面使用性能在冻融循环作用下的衰变模型中国沥青网sinoasphalt.com。田威基于CT原理研究了冻融作用下混凝土的损伤机理,初步揭示了冻融作用对水泥混凝土的损伤机理。以上研究成果表明,经若干个冻融循环后沥青混合料由损伤发展为破坏,冻融循环作用引起的开裂和松散等破坏现象严重影响了沥青的使用性能和耐久性。既有研究只是针对冻融循环作用对沥青路面单方面路用性能的影响,受试验设备和图像获取条件的限制,所得到的断层图像精度低,且数量偏少。另外,既有研究成果普遍采用二维结构空隙参数评价沥青混合料内部的空隙分布特征,评价指标对于三维空隙结构是否适用仍有待深究,已有研究成果大部分仅单方面研究了沥青混合料内部的空隙分布特征,并没有建立细微观空隙结构与宏观力学性能或路用性能之间的关系,指导意义不明确。
在各种沥青混合料中,沥青的质量分数和体积分数均不足混合料总体的10%,沥青对低温条件下荷载效应的传递、应力应变的扩散和释放起到了决定性作用,此外沥青与集料之间的黏附作用、沥青胶浆之间的黏结作用是决定沥青混合料低温性能、水稳定性和抗疲劳耐久性的关键因素。为准确评价冻融循环作用对高原寒冷地区沥青混合料弯拉性能和细微观结构的损伤机理,采用SBS、SBR、橡胶粉改性沥青和基质沥青4种沥青结合料,针对北方寒冷地区沥青路面在荷载、低温、水冻融循环作用下剩余弯拉强度和疲劳寿命进行研究,制定了适宜的冻融循环试验方案,建立了不同沥青结合料沥青混合料的空隙率、弯拉强度(弯拉应变)、劈裂强度和疲劳寿命在不同冻融循环作用次数下的衰变规律,基于工业CT无损检测分析技术,获得了不同冻融循环次数下4种沥青混合料细观空隙结构变化特征,研究了冻融循环作用对沥青混合料平均空隙直径、空隙轮廓分维数的影响规律,分析给出了冻融循环作用下沥青混合料弯拉性能的损失率计算模型,进而建立了细微观空隙结构与弯拉性能和疲劳寿命之间的拟合关系曲线。
原材料与实验方法
原材料性能
参考青海、西藏等地的工程实践经验,试验选择我国高寒区常用的SBS(I—C)改性沥青、SBR改性沥青、橡胶粉改性沥青(湿法工艺,子午轮胎胶粉掺量为18%)。集料各项指标满足规范要求。
配合比设计
考虑到高寒区沥青路面抗滑和抗裂要求,工程实践中该区一般选用密级配沥青混凝土。按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)要求采用马歇尔法进行AC—13沥青混合料配合比设计。
冻融循环试验方法
根据气象资料,青藏公路沿线最大昼夜温差可达26.4℃,年平均最低气温-19.5℃,年平均气最高气温8.5℃,在参考AASHTO和《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)冻融循环试验基础上,依据西藏高寒区实际情况自行设计试验方法。考虑到西藏地区升温与降温速率快,冻融循环时利用低温环境箱和恒温水模拟冻融循环作用,每次冻融循环结束后在密封塑料袋中加入15mL水以模拟外界水对试件受冻融循环作用的影响。每次冻融循环试验方法如下:①成型(切割)标准试件;②将试件放入常温水中浸泡5min;③取出后装于塑料袋中,并在塑料袋中注水15mL,扎紧封口;④放入-25±℃低温环境箱中,冻结时间为12h;⑤待冻结完成,取出试件放入恒温水浴箱,融化温度为25±0.5℃,融化时间为12h。按照上述试验步骤进行冻融循环试验,直至试件冻融后破坏或达到预定的30次冻融循环次数为止。
冻融循环作用沥青混合料空隙率和弯拉性能的影响
空隙率
按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)毛体积密度测试方法,经历多次冻融循环后沥青混合料的空隙率。试验结果可知,随着冻融循环次数增大,4种沥青混合料的空隙率呈先缓慢增大,再线性增大,最后趋于平缓。相同4%初始空隙率,对于基质沥青混合料经30次冻融循环后空隙率趋于9%,SBS、SBR和橡胶粉3种改性沥青混合料的最终空隙率趋于8.5%,冻融后空隙率增加了120%。研究表明,在7%~12%空隙率范围内,水可以进入路面结构内部,但不易排出,空隙率增大加剧了冻融作用下沥青路面的水损害和低温开裂,可见冻融作用导致沥青混合料内部空隙率增大,这也是高原寒冷地区沥青路面早期损害的原因之一。
弯拉性能
高原寒冷区沥青路面主要需要解决在极端最低气温和温度应力反复作用下导致的沥青路面开裂问题,在冻融循环作用下沥青混合料的内部更易于发生黏结失效和黏附失效。按试验方案进行冻融循环,低温弯曲试验严格按《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)进行。
试验结果表明:随着冻融循环次数增大,4种沥青混合料的抗弯拉强度和弯曲应变均呈减小趋势,在经历前5次冻融循环时弯拉性能下降较为平缓,5到25次冻融循环期间弯拉性能衰减较快,经历25次冻融循环后抗弯拉强度和弯曲应趋于稳定。SBR、SBR、橡胶粉和基质沥青4种混合料经历30次冻融循环后弯拉强度分别下降了52.9%、51.9%、56.7%、73.3%,弯曲应变分别下降了52.9%、52.0%、56.7%、73.3%,可见采用改性沥青可改善冻融循环作用下沥青混合料的低温抗裂性,在冻融循环过程中SBS、SBR2种改性沥青混合料抗弯拉强度和弯曲应变始终较大,在冻融循环过程中橡胶改性沥青并未呈现出优良的低温性能,初步分析以为橡胶改性沥青黏度较大,其与矿料之间的黏附性稍差,且在低温施工条件下难于压实,在冻融循环过程中更易于产生黏结失效和黏附失效问题。
劈裂强度
我国大部分冬严寒地区冻融循环时刻都在进行,由于温度梯度大,冻融循环常年发生,部分季节内路面甚至每天要经历若干次冻融循环。劈裂强度是我国计算路面结构层底拉应力重要力学参数,研究其冻融循环次数的变化规律,可为高寒区路面结构计算提供数据借鉴。成型标准马歇尔试件,冻融循环试验按试验方案执行。
试验结果表明:随着冻融循环次数增大,沥青混合料劈裂强度呈减小趋势,在经历前5次冻融循环劈裂强度下降较平缓,然后随着冻融循环次数增大,劈裂强度呈线性关系减小,经历约20次冻融循环后劈裂强度变化趋于稳定,这与低温弯曲试验结果相似。经历30次冻融循环后SBS、SBR、橡胶粉和基质沥青混合料劈裂强度分别下降43.4%、41.1%、54.3%、63.7%,30次冻融循环后基质沥青混合料劈裂强度不足0.3MPa,SBS、SBR、橡胶粉3种改性沥青混合料劈裂强度分别为0.580、0.650、0.491MPa,可见采用改性沥青是提高高原寒冷区沥青路面抗弯拉性能的有效技术途径,其中SBS改性沥青的改善效果最优,其次为SBR改性沥青。
冻融循环作用沥青混合料抗疲劳耐久性的影响
通过上述试验可以发现:在冻融循环作用下沥青混合料空隙率增大、抗弯拉性能降低,进而易于发生沥青与集料之间的粘附失效和沥青胶浆内部黏结失效问题。为了定量揭示冻融循环作用对沥青混合料抗疲劳性能的影响,采用四点弯曲疲劳试验评价沥青混合料抗疲劳性能随冻融循环作用次数的变化规律,试件制备和试验方法参考AASHTOT346标准,试件尺寸:385mm×65mm×50mm,冻融循环试验方法按照该文1.3试验方案进行,疲劳试验温度15℃,应变水平采用1000με,选择加载100次的劲度模量作为初始劲度模量,疲劳寿命确定方法采用“归一化劲度模量峰值法”。
试验结果表明:随着冻融循环次数增大4种沥青混合料疲劳寿命呈指数关系减小趋势,相同冻融循环次数,SBS、SBR、橡胶粉3种改性沥青混合料的疲劳寿命为基质沥青混合料的2倍多,其中SBS、SBR共2种沥青混合料的抗疲劳性能最优,可见采用改性沥青可显著提高沥青混合料在冻融循环作用下抗疲劳耐久性。
冻融循环作用下沥青混合料路用性能的损伤模型
通过上述试验可以发现:4种沥青混合料空隙率、疲劳寿命、弯拉性能和劈裂强度与冻融循环次数之间呈现出非线性变化,利用指数形式可以较好地模拟其变化趋势。参考既有文献资料,本研究利用非线性指数模型对混合料冻融循环作用下的沥青混合料的性能进行统计拟合。路面在服役期内路用性能和力学性能随车辆荷载作用次数、自然环境条件的冻融、温度应力等作用呈衰减趋势,为了能够预测经历若干冻融次数后沥青混合料强度的实际值,本文利用递归循环模型反映其性能随冻融循环、荷载作用的当前变化。
拟合结果表明:在冻融循环过程中沥青混合料的弯拉性能与冻融循环次数之间符合y=a+becx拟合关系,相关系数R2大于0.96。试验结果表明:随着冻融循环次数增大,沥青混合料弯拉强度损失率呈先缓慢增大,后生长速度很快,最后损失率趋于平缓,弯拉强度和抗疲劳性能衰变规律符合logistics生长曲线模型。
细微观空隙特征
工业CT(IndustrialComputerized)是一种无损检测(NDT)和无损评价(NDE)技术,以计算机断层扫描技术呈现被检测物体的材料组成、内部细微观结构和内部缺陷,目前CT技术已经被大量应用于沥青混合料内部粗集料之间的接触嵌挤、空隙组成、沥青胶浆分布等领域的研究,并取得了理想的研究成果。本文采用高精度工业CT获取大量断层图像,对经历不同冻融循环次数后沥青混合的细微观空隙结构进行研究,掌握冻融循环对沥青混合料空隙组成的影响规律,而后建立了细微观空隙结构与宏观力学性能之间的关系。试验采用德国产YHONComputerized225型工业CT。基于工业CT实测沥青里混合了空隙率试验步骤包括;①按照上述试验方法进行冻融循环试验,采用水中重法测试经历若干次冻融循环后马歇尔试件的空隙率V1;②应用工业CT进行无损扫描测试,每个马歇尔试件可获取635张CT图像;③对获取的CT图像进行图像增强处理,并利用VGStudio3.2软件进行三维重构;④将三维重构后的CT图像导入到配套的缺陷分析模块,输入试件高度、集料密度等参数,测算试件的空隙率V2;⑤建立V1与V2之间的V1=k·V2线性拟合关系,调整VG软件缺陷检测模块输入的计算参数,直至拟合斜率K接近于1,且相关系数R2≥0.9为止。
平均空隙直径是表征所有CT实测空隙直径的代表值,计算时假定空隙为球体,以同体积球的当量直径表示。按照上述试样方法进行冻融循环试验和CT扫描。
试验结果表明:相同空隙率大小,4种沥青混合料平均空隙直径差异较大,细微观空隙结构不同也是其弯拉性能和抗疲劳性能差别较大的主要原因之一。随着冻融次数增加,前5次冻融循环过程中4种沥青混合料的平均空隙直径呈先缓慢增大趋势,5到20次冻融循环过程中平均空隙直径呈线性关系增大,20次冻融循环后,随着冻融次数增大平均空隙直径增大趋势平缓。经历30次冻融循环后SBS、SBR、橡胶粉改性沥青、基质沥青4种沥青混合料的平均空隙直径分别增大了47.8%、48.7%、49.6%、56.7%,可见采用改性沥青具有维持沥青混合料平均空隙直径在冻融循环作用下变化不大的作用。
结论
结合西藏地区的气候条件,制定了适宜的冻融循环试验方案,沥青混合料的弯拉强度、最大弯拉应变、劈裂强度、疲劳寿命随冻融循环次数的增加呈减小趋势,经历25次冻融循环后弯拉性能和疲劳寿命衰减趋于平缓。随着冻融循环次数增大,沥青混合料的劈裂强度呈减小趋势,在经历前5次冻融循环劈裂强度下降较为平缓,然后随着冻融循环次数增大,劈裂强度呈线性关系减小,经历约20次冻融循环后劈裂强度变化趋于稳定,沥青混合料受冻融循环作用后弯拉强度和抗疲劳性能衰变规律符合logistics曲线模型;随着冻融循环次数增大,沥青混合料内部平均空隙直径增大,空隙轮廓分维数减小;使用改性沥青具有维持冻融循环作用下沥青混合料内部空隙直径、空隙轮廓分维数变化不大的作用,在高原寒冷地区建议优先选用SBS或SBR改性沥青。