李永翔，賈永杰，王國(guó)忠，胡江三

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)能源與交通工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018）

1 引言

在北方冬季，由于氣溫低、晝夜溫差大，凍融循環(huán)作用頻繁發(fā)生，造成瀝青路面凍融開(kāi)裂現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，凍融破壞問(wèn)題受到許多學(xué)者的廣泛關(guān)注。

叢培良等[1]研究了除冰鹽對(duì)兩種改性混合料性能的影響，結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)鹽凍循環(huán)后，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度明顯降低。吳澤媚[2]通過(guò)研究在凍融循環(huán)條件下氯鹽濃度對(duì)瀝青混合料抗裂性能的影響，結(jié)果表明，混合料低溫抗裂性能主要受凍融循環(huán)次數(shù)和氯鹽融雪劑溶液濃度影響。周金枝等[3]通過(guò)對(duì)瀝青混合料進(jìn)行鹽凍循環(huán)研究，結(jié)果表明，隨著氯鹽濃度的增大瀝青混凝土的低溫抗裂性逐漸降低。Pan 等[4-7]研究了醋酸鹽對(duì)瀝青混合料抗裂性能的影響，結(jié)果表明，醋酸鹽會(huì)降低瀝青混合料的抗裂性能。

以上研究表明，瀝青混凝土經(jīng)過(guò)若干次凍融循環(huán)后其抗裂性能均有所降低。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，采用J 積分理論[8]，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)SBS 改性瀝青混合料（SBSMM）、膠粉改性瀝青混合料（CRMM）和復(fù)合膠粉改性瀝青混合料（CCRMM）抗裂性能的影響，基于斷裂韌度指標(biāo)研究?jī)鋈谘h(huán)次數(shù)對(duì)SBSMM、CRMM 和CCRMM抗裂性的影響。

2 試驗(yàn)材料與方案

2.1 瀝青

本文所用瀝青為90#基質(zhì)瀝青，摻配4%的SBS制成SBS 改性瀝青（SBSM），摻配20%的60 目橡膠粉顆粒制成橡膠粉改性瀝青（CRM），摻配2%的SBS 和18%的60目橡膠粉顆粒制成SBS 和橡膠粉復(fù)合改性瀝青（CCRM）。相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 SBSM、CRM和CCRM技術(shù)指標(biāo)

2.2 瀝青混合料

瀝青混合料中粗集料是由10mm～20mm、5mm～10mm、3mm～5mm 玄武巖摻配而成，細(xì)集料采用0～3mm石灰?guī)r，填料為石灰?guī)r粉，礦料級(jí)配組成見(jiàn)表2，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試驗(yàn)得到AC-16 型SBSMM、CRMM 和CCRMM的最佳油石比分別為4.6%、5.5%和5.3%。

表2 礦料級(jí)配組成

2.3 凍融試驗(yàn)方法

將所選瀝青混合料利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型為直徑和高度均為150mm 的圓柱體試件，利用直徑100mm 的取芯機(jī)取芯后再將圓柱體試件切割成厚度B 為25 mm、直徑2R 為100mm 的半圓試件。在試件中部用角磨機(jī)分別切割深度為0、1cm 和2cm 的預(yù)切口，即圖1 中的a值。將試件進(jìn)行真空飽水后按5 個(gè)一組分裝入塑料袋中，注入水至試件1/4 處，利用高低溫交變箱進(jìn)行凍融循環(huán)，冰凍溫度采用-20℃，冰凍時(shí)間設(shè)定為4h，融化溫度采用60℃，融化時(shí)間設(shè)定為6h，凍融循環(huán)次數(shù)采用5次、10次、15次、20次、25次。

圖1 SCB 試件加載

2.4 半圓彎拉試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用MTS810 系統(tǒng)采用應(yīng)變控制加載方式加載，兩支點(diǎn)間距設(shè)定為2ɑ=80mm，采用1mm/min 的加載速率，試驗(yàn)前將環(huán)境箱溫度設(shè)定為10℃，待環(huán)境箱溫度恒定后將試件放入環(huán)境箱中保溫2h，然后進(jìn)行加載試驗(yàn)，由MTS810系統(tǒng)采集荷載與位移數(shù)據(jù)。

通過(guò)采集試驗(yàn)過(guò)程中的力和位移數(shù)據(jù)即可繪制加載點(diǎn)的荷載-位移關(guān)系曲線，計(jì)算達(dá)到最大荷載時(shí)曲線下的面積即為試件破壞過(guò)程中所吸收的能量，即為斷裂能，通過(guò)斷裂能即可計(jì)算混合料的斷裂韌度Jc[9]。相關(guān)研究表明，斷裂韌度是評(píng)價(jià)低溫抗裂性能的有效指標(biāo)[10-15]。其計(jì)算公式如式（1）：

式中，U1為1cm 預(yù)切口時(shí)試件的斷裂能；U2為2cm預(yù)切口時(shí)試件的斷裂能；B1為1cm 預(yù)切口時(shí)試件厚度，25mm；B2為2cm 預(yù)切口時(shí)試件厚度，25mm；a1為1cm 預(yù)切口；a2為2cm預(yù)切口。

3 試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)分析

3.1 水凍融循環(huán)抗裂性能的影響

圖2 為SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律曲線。從圖2中可以看出，三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，達(dá)到10 次凍融循環(huán)后，SBSMM 減小1.49%，CRMM 減小1.35%，CCRMM 減小1.29%，由此可見(jiàn)，在經(jīng)過(guò)10次凍融循環(huán)后，三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度降低幅度并不明顯，這是由于凍融循環(huán)次數(shù)較少，試件破壞輕微，只是在瀝青混合料試件內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋而且并不發(fā)育，所以三種瀝青混合料的斷裂韌度減小也不明顯。在凍融循環(huán)達(dá)到20 次之后，三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度降低幅度明顯增加，其中SBSMM 減小幅度達(dá)到22.23%，CRMM 減小幅度達(dá)到20.6%，CCRMM減小幅度達(dá)到18.42%，這是由于凍融循環(huán)次數(shù)的增加加速了試件的破壞，試件內(nèi)部微裂紋進(jìn)一步發(fā)育，使得試件內(nèi)部毛細(xì)水上升作用增強(qiáng)，在冰凍時(shí)冰的體積增多，凍脹力增大，最終使試件內(nèi)部微裂紋發(fā)育為連通孔隙；在達(dá)到25 次凍融循環(huán)后，SBSMM 的斷裂韌度減小幅度為23.59%，CRMM 減小幅度為21.18%，CCRMM 減小幅度為18.97%，與20 次凍融循環(huán)相比，斷裂韌度降幅并不明顯，這主要是由于經(jīng)過(guò)20次凍融循環(huán)之后，試件內(nèi)部裂紋已經(jīng)貫通，孔隙率增加，凍脹作用減弱，因此斷裂韌度降幅較小。因此，為了避免瀝青混合料發(fā)生凍融破壞或?yàn)榱搜泳彏r青混合料發(fā)生凍融破壞，瀝青混合料的孔隙率控制至關(guān)重要，在施工時(shí)，瀝青混合料路面的壓實(shí)度必須得到保證，從而增加瀝青混合料路面的密水性。由于瀝青混合料孔隙不可避免，為滿足抗裂性要求，需要選擇抗裂性較好的材料。

圖2 三種改性瀝青混合料斷裂韌度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律曲線

對(duì)比圖2 中SBSMM、CRMM 和CCRMM 斷裂韌度變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，CCRMM 的斷裂韌度要大于CRMM 和SBSMM的斷裂韌度。這表明在相同凍融條件下，三種聚合物改性瀝青混合料的抗裂性能CCRMM 的最好，CRMM的次之，SBSMM 的最差。這是因?yàn)镾BSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料中SBSM 具有較強(qiáng)的感溫性能，溫度對(duì)其性能影響較大，所以在低溫時(shí)SBSMM 容易開(kāi)裂；而CRM 中含有橡膠粉，由于橡膠粉感溫性較低且與瀝青溶脹后大大減小了低溫勁度模量，從而使CRMM 的抗裂性能得到改善[16]；CCRM 中既含有SBS又含有橡膠粉，在改性過(guò)程中，SBS在瀝青中溶解并分散形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，橡膠粉顆粒在溶脹后填充網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不僅降低CCRM的感溫性能，而且提高了CCRMM的低溫抗裂性能。這是因?yàn)镾BS和橡膠粉共同作用，在拉伸變形過(guò)程中可以吸收大量能量，從而大大改善了CCRMM的抗裂能力。

3.2 鹽凍融循抗裂性能的影響

圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）分別為SBSMM、CRMM 和CCRMM 在不同鹽濃度條件下的斷裂韌度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律曲線。由圖可知，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度在鹽濃度相同時(shí)均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，當(dāng)達(dá)到一定凍融循環(huán)次數(shù)后斷裂韌度趨于穩(wěn)定；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度均隨鹽濃度的增加而逐漸減小。由此說(shuō)明，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料的抗裂性能在鹽凍融循環(huán)后均減小，但通過(guò)對(duì)比鹽凍循環(huán)后SBSMM、CRMM 和CCRMM的斷裂韌度值可以發(fā)現(xiàn)，CCRMM 的斷裂韌度值最大，CRMM 次之，SBSMM 最小，說(shuō)明鹽凍循環(huán)對(duì)三種聚合物改性瀝青混合料的抗裂性能影響中，SBSMM 影響最大，CRMM次之，CCRMM最小。

圖3 三種改性瀝青混合料在不同鹽濃度下斷裂韌度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律曲線

表3 為不同鹽濃度條件下SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度隨凍融循環(huán)次數(shù)的降低率。通過(guò)對(duì)比表中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，SBSMM、CRMM 和CCRMM 三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加降低幅度越來(lái)越大，對(duì)比10 次和20 次凍融循環(huán)的斷裂韌度值可以發(fā)現(xiàn)，斷裂韌度減小幅度顯著增加，說(shuō)明10 次～20 次凍融循環(huán)對(duì)混合料的破壞作用最大。這是因?yàn)閮鋈诖螖?shù)增加，凍脹作用增強(qiáng)，混合料內(nèi)部微裂紋逐漸發(fā)育貫通。對(duì)比經(jīng)過(guò)20 次和25 次凍融循環(huán)后的斷裂韌度值可以發(fā)現(xiàn)，SBSMM、CRMM 和CCRMM的斷裂韌度減小幅度并不明顯，說(shuō)明凍脹已不能增加對(duì)混合料試件的破壞作用，這是因?yàn)樵?0 次凍融循環(huán)后試件內(nèi)部微裂紋已充分發(fā)育，增加凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)試件破壞作用減弱。對(duì)比SBSMM、CRMM和CCRMM 在不同鹽濃度條件下的斷裂韌度值可以發(fā)現(xiàn)，SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度均隨鹽濃度的增加而減小，說(shuō)明鹽凍循環(huán)使混合料的抗裂性能減小，而且混合料抗裂性能隨鹽濃度的增加而降低。這是因?yàn)辂}濃度越高，在水分蒸發(fā)后鹽脹作用越強(qiáng)，對(duì)混合料的破壞作用越大。對(duì)比水凍或鹽凍斷裂韌度值發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，SBSMM＜CRMM＜CCRMM。由此說(shuō)明，CCRMM 的抗裂性能最優(yōu)，CRMM次之，SBSMM最差。

表3 聚合物改性瀝青混合料在不同鹽濃度下斷裂韌度隨凍融循環(huán)次數(shù)的降低率

由表3可知，SBSMM、CRMM和CCRMM在凍融循環(huán)次數(shù)相同而鹽濃度不同時(shí)的斷裂韌度降低率，SBSMM＞CRMM＞CCRMM，而且斷裂韌度降低率隨著鹽濃度的增加而增加。在相同條件下對(duì)比SBSMM、CRMM和CCRMM的斷裂韌度降低率可以發(fā)現(xiàn)，SBSMM＞CRMM＞CCRMM，由此說(shuō)明，鹽濃度大小對(duì)SBSMM 的抗裂性能的影響最大，CRMM 次之，SBSMM 最小。當(dāng)鹽濃度相同時(shí)，SBSMM、CRMM和CCRMM的斷裂韌度降低率均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而顯著增加，但三種聚合物改性瀝青混合料的斷裂韌度值依然是SBSMM＜CRMM＜CCRMM，可見(jiàn)凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)SBSMM 的抗裂性能影響最大，CRMM 次之，CCRMM最小。對(duì)比鹽濃度和凍融循環(huán)次數(shù)兩種因素變化對(duì)SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度降低率的影響可以發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)斷裂韌度降低率的影響要大于鹽濃度變化對(duì)斷裂韌度降低率的影響，表明凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)SBSMM、CRMM 和CCRMM 的破壞作用大于鹽濃度變化對(duì)SBSMM、CRMM和CCRMM的破壞作用。

4 結(jié)語(yǔ)

①SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小，當(dāng)達(dá)到20次凍融循環(huán)時(shí)，其斷裂韌度基本趨于穩(wěn)定。

②與水凍融循環(huán)相比，鹽凍循環(huán)增加了對(duì)SBSMM、CRMM和CCRMM的破壞作用。

③對(duì)比鹽凍循環(huán)后SBSMM、CRMM和CCRMM的斷裂韌度降低率可以發(fā)現(xiàn)，SBSMM＞CRMM＞CCRMM，鹽凍循環(huán)對(duì)SBSMM的抗裂性能影響最大，CRMM次之，CCRMM最小。

④對(duì)比相同條件下SBSMM、CRMM 和CCRMM 的斷裂韌度值可以發(fā)現(xiàn)，SBSMM＜CRMM＜CCRMM，CCRMM的抗裂性最好，CRMM次之，SBSMM最差。