冻融循环对沥青混凝土

公路 2009年2月 第2期 HIG HW A Y F eb 2009 No 2 文章编号:0451-0712(2009)02-0066-03 中图分类号:U416 217 文献标识码:A冻融循环对沥青混凝土路面全厚度车辙影响的试验研究吴瑞麟1,2,马光华1,2,李向东1,2,黄海燕3,刘意恒1,2,李 浩1,2(1 华中科技大学土木工程与力学学院 武汉市 430074;2 华中科技大学控制结构湖北省重点实验室 武汉市 430074;3 黄石市城市建设投资开发公司 黄石市 435000)摘 要:近些年全球气候异常,全国许多地区冻融现象明显。

为研究冻融循环对武汉地区沥青混凝土路面的影响程度,分别对经历过0、10、20、40次冻融循环的沥青混凝土试件进行了冻融循环试验研究,主要测定了试件的动弹性模量和质量损失等技术指标。

同时对经历过0、10、20、40次冻融循环次数的试件进行全厚度车辙试验,得出动稳定度D S和车辙深度RD随冻融循环次数增加的变化规律。

研究结果表明:冻融循环对沥青混凝土路面车辙的影响不容忽视。

关键词:冻融循环;沥青混凝土路面;全厚度车辙;动弹性模量;试验研究沥青混凝土路面车辙是湖北省武汉市等这类夏季炎热地区公路以及城市道路一种典型而又普遍的路面病害形式。

围绕车辙的成因机理及防治措施问题,国内外相关工程技术研究人员做了大量的研究工作,但通常都是针对单层材料结构来进行的[1~3]。

华中科技大学控制结构湖北省重点实验室相关课题组2002年就提出了在路面结构设计中应当控制全厚度车辙的概念[4,5],并且在全厚度车辙试验试件控制方法[6]、全厚度车辙影响因素的显著性问题[7]以及影响全厚度车辙关键因素[8]等方面做了一些探索性应用的研究工作,取得了一些研究成果。

由于近些年全球气候异常,2008年年初湖北、湖南、广东等南方地区出现了50年未遇的大雪,冻融现象十分明显,对沥青混凝土进行冻融循环后的性能分析显得十分必要。

本文是在上述研究工作的基础上,依托湖北省建设厅科技项目,针对武汉市三环线武黄高速公路共线段采用的沥青混凝土加铺结构,就冻融循环对沥青混凝土路面结构全厚度车辙的影响进行研究。

试件冻融次数分别为0、10、20、40次,研究分析了动弹性模量、质量损失、全厚度车辙动稳定度DS、车辙深度RD之间的相互关系。

1 试验设计与试验1 1 冻融次数和温度标准水泥混凝土抗冻性试验方法中提到冻融试验到达以下3种情况的任何一种时,即可停止试验:(1)冻融至300个循环;(2)试件的相对动弹性模量下降至60%以下;(3)试件的质量损失率达5%。

沥青混凝土路面的设计年限一般为10~15年。

根据武汉地区的气候特点,估计在这期间可能发生的冻融循环次数最多为40次,故选择冻融循环次数上限为40次。

本次试验主要针对武汉地区气候状况进行的。

武汉市属北亚热带湿润气候,1月份平均气温为4 3 。

为便于控制,故选择温度上限为4 5 。

根据沥青材料路用性能的气候分区,冬冷区和冬温区的分界温度为-9 。

为使该试验对其他地区也有借鉴意义,选择温度下限为-9 。

1 2 试件制作及快速冻融方法由于没有关于沥青混凝土的冻融循环的试验规程,因此试验中主要参考水泥混凝土的相关试验规程。

试件制作好后,2d拆模,再将试件在温度为15 ~20 的水中浸泡4d;试验的冻融方法按照公路基金项目:湖北省建设厅科技项目(鄂建[2006]212),项目编号K200647收稿日期:2008-06-02工程水泥及水泥混凝土试验规程!(JT G E30-2005)[9]中水泥混凝土抗冻性能试验方法(快冻法)进行。

全厚度车辙试验试件的尺寸为300mm ∀300mm ∀150m m;用于测定动弹性模量和质量损失试件的尺寸为100mm ∀100m m ∀300m m 。

试件图片如图1所示。

图1 试件图片快速冻融试验在水泥混凝土快速冻融试验机中进行。

为了对比分析,冻融循环次数分别取0、10、20、40次。

每种冻融循环次数下,至少试验3个试件。

当发现试验结果离散性较大时,适当增加试件数目,以求数据的完整、准确。

1 3 车辙试验条件本次试验在每种冻融循环次数结束后分别做了拟定沥青混凝土结构层全厚度车辙试验,试验荷载为0 7M Pa,试验温度为60 ,每组试件连续测试时间为5h 。

全厚度车辙试验对象为武汉市三环线武黄高速公路共线段采用的沥青混凝土加铺结构,其主要路面结构层[10]见图2。

改性SM A-13上面层(4cm,辉绿岩)AC-25中面层(7cm,石灰岩)AC-10I 调平层(4cm ,石灰岩)图2 设计路面结构层(15cm)1 4 试验结果按试验设计思想,与动弹性模量、质量损失等试验平行,分别做了冻融循环次数为0、10、20、40次时的全厚度车辙试验,综合结果见表1。

车辙试验曲线见图3。

2 试验数据分析由图3可以看出,车辙变形随着时间的增加而增加,冻融循环次数越多,变形越大。

但对于同一沥青混凝土路面结构,冻融循环次数越多,只是前期的变形速率(切线斜率)较大,3h 以后几乎呈线性变表1 60 、0 7M Pa 轮压下全厚度(15cm)车辙试验结果各项指标下列冻融循环次数(次)下的指标值102040DS /(mm/次)6630549046323523RD /mm2 1772 4752 7342 937动弹性模量/GPa 2273223421952176相对动弹性模量/%10098 396 695 7剩余质量/g7318733773427360图3 0 7MPa 、60 时不同冻融循环次数下变形随时间变化化,变化趋势都比较稳定且相差不大。

当荷载为0 7M Pa 、温度为60 时,冻融循环次数从0次增加到10次,动稳定度降低了17 2%,车辙深度则增加了13 7%;冻融循环次数为20次时,动稳定度降低了30 1%,车辙深度则增加了25 5%;冻融循环次数为40次时,动稳定度降低了46 8%,车辙深度则增加了34 9%。

在每次试验结束后,试件并没有明显的剥落现象。

但由于多次循环,试件出现许多微裂缝并吸入水分,加上沥青混凝土孔隙率相对水泥混凝土比较大,所以导致试件质量增加,没有#质量损失∃现象。

不过增加的幅度并不大,最大的为0 57%。

这是本次试验发现的规律现象之一,它与水泥混凝土试验结果明显不同。

沥青混凝土的动弹性模量随着冻融循环次数的增多而微弱减小:经过10次冻融循环以后,动弹性模量约减小1 7%;经过20次冻融循环以后,动弹性模量约减小3 4%;经过40次冻融循环以后,动弹性模量约减小4 3%。

用最小二乘法回归,得到不同冻融循环次数下相对动弹性模量P (P =E dn ∀100%/E d 0)随着冻融循环次数变化的关系式:P =E dn ∀100%/E d 0=(0 00003N 2-0 0022N +1 0007)∀100%%67% 2009年 第2期 吴瑞麟等:冻融循环对沥青混凝土路面全厚度车辙影响的试验研究(1)式中:P 为经N 次冻融循环后试件的相对动弹性模量,%;N 为冻融循环次数;E d 0为经0次冻融循环后沥青混凝土动弹性模量,MPa;E dn 为经N 次冻融循环后沥青混凝土动弹性模量,MPa 。

公式(1)的相关系数R 2=0 9948。

当然,对于不同的试验条件,试验结果会有所不同,但其变化规律值得借鉴。

3 结语(1)随着冻融循环次数的增加,沥青混凝土的质量没有太大的改变,没有剥落现象,没有#质量损失∃产生。

(2)相对动弹性模量随冻融循环次数N 变化比较小,即动弹性模量也没有太大改变,其变化规律见公式(1)。

动弹性模量表征的是材料在经过冻融或其他侵蚀作用后遭受破坏的程度,可用来评定其耐久性。

从这个角度来看,冻融循环对沥青混凝土强度耐久性并没有太大的影响。

(3)从全厚度车辙的试验结果来看,冻融循环次数对沥青混凝土动稳定度D S 和车辙深度RD 有较大的影响。

冻融循环次数为10次时,DS 降低了17 2%,R D 则增加了13 7%;冻融循环次数为20次时,DS 降低了30 1%,R D 则增加了25 5%;冻融循环次数为40次时,D S 降低了46 8%,RD 则增加了34 9%。

这说明冻融循环次数对沥青混凝土路面全厚度车辙的影响是不容忽视的。

参考文献:[1] 沈金安 沥青及沥青混合料路用性能[M ] 人民交通出版社,2001[2] 李娜 全厚度车辙试验研究[D] 武汉:华中科技大学,2006[3] 石立万 影响全厚度车辙RD 及D S 关键因素的试验研究[D] 武汉:华中科技大学,2007[4] 李申惠,等 超载、超高温条件下全厚式路面车辙试验研究[J] 武汉理工大学学报,2003,25(12)[5] 李娜,等 全厚度与标准厚度车辙试验对比分析[J]武汉理工大学学报,2003,25(12)[6] 李娜,吴瑞麟,李向东 全厚度车辙中对试件压实度的控制研究[J] 中国市政工程,2006,(2)[7] 吴瑞麟,等 沥青路面全厚度车辙影响因素的正交试验研究[J] 中国市政工程,2007,(2)[8] 吴瑞麟,等 影响沥青路面全厚度车辙关键因素的试验研究[J] 武汉理工大学学报,2008,30(1) [9] JT G E30-2005,公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S][10] 武汉市政工程设计研究院有限责任公司 武黄高速公路路面改造方案说明[Z] 2006Experiment and Study on Influence of Freeze Thaw Cycle onTotal Thickness Asphalt Concrete Pavement RuttingWU Rui lin 1,2,MA Guang hua 1,2,LI Xiang dong 1,2,H U ANG Hai y an 3,LI U Yi heng 1,2,LI Hao 1,2(1 Sch ool of Civil En gineering and M echanics ,Hu azh on g U nivers ity of Science an d T echnology,Wu han 430074,Chin a;2 H ubei Key Laboratory of Control Structu re,H uazhong University of Science and Techn ology,W uhan 430074,China;3 H uangshi U rban Constru ction Investment and Development Com pany Limited,H uangs hi 435000,China)Abstract:The glo bal clim ate is unusual in recent y ears,and the pheno menon of freezing and thaw ing isobvious in m any aer as of China T o study the influence of freeze thaw cycle on asphalt concr ete pavem ent of Wuhan Province,the exper im ent and study on asphalt concr ete suffering 0,10,20,40freeze thaw cycles ar e carried out,and the dynam ic elastic m odulus and the w eigh loss are measured T hrough the total thick ness rutting tests suffering 0,10,20,40freeze thaw cycles,the chang e rule of dynamic stability and rut depth by fr eeze thaw cy cle is found T he study results show that the influence of freeze thaw cy cle on as phalt rutting can not be ignoredKey words:freeze thaw cycle;asphalt concrete pavement;total thickness rutting;dynamic elastic modulus;exper im ent and study%68% 公 路2009年 第2期。