基于冻融循环下沥青混合料温度冲击性能研究

DOI:10.3963/.42-1783.T U.2011.03.015

基于冻融循环下沥青混合料温度冲击性能研究

吴钊,李文涛,秦利娟,束冬林

(武汉理工大学硅酸盐工程中心国家重点实验室,武汉430070)

摘要:道路的融雪化冰技术会加速沥青路面冻融循环,反复的升温和降温使沥青路面由于温度冲击和水腐蚀而破坏。通过设计一套实验检测方案来评价加速冻融循环对沥青路面性能的影响。试验采用马歇尔试件和小梁试件,在-18e和60e之间进行多次冻融循环,测量试样的劈裂强度和最大弯拉应变来判断多次冻融循环对沥青混合料性能的影响。结果表明:混合料的骨架结构、材料组成对沥青混合料抗冻融循环性能有很大的影响。研究内容为融雪化冰技术在沥青路面运用过程中的功能性、耐久性评价提供了研究方法。

关键词:冻融循环;抗冻融性;劈裂强度;最大弯拉应变

Research on Temperature Impaction Property of Asphalt Concrete

Based on Freeze-thaw Cycling

W U Zhao,L I W en-tao,QI N L i-j uan,SH U Dong-lin

(State Key Labo rator y fo r Silicate Science and Eng ineer ing Cent re,W uhan U niver sity o f T echno log y,

W uhan430070,China)

Abstract:T he snow-melting and deicing techno log y could acceler ate Fr eeze-thaw cycling of asphalt pav ement,the pavement lead to crab because of temperature fatigue fr om temperature up and do wn r epeatedly.A ex perimental pro-

g ram w as desig ned to estimate the impaction on speeding up t he F reeze-thaw cy cles t o pr operties o f asphalt pavement.

T he ex per iment used M arshall and Beam specimen w hich was frozen and thawed r epeatedly between-18e and60 e,measur ed by the splitting str eng th and max imum bending str ain,sho wed that the influence of fr eezing and thawing t imes on asphalt concrete pro per ties.T he r esult can sho w that framew or k str uctures of mix ture and mater ial compos-i tio n has a gr eat im pactio n on ant-i freeze-t haw pr operty o f asphalt co ncr ete.It can pr ov ide a resea rch w ay for estimating the functionalit y and w ear during t his t echnolog y applied on pav ement.

Key words:fr eeze-thaw cy cles;ant-i fr eeze-thaw pr operty;splitt ing streng th;max imum bending strength

自1998年拥有第一条高速公路以来,我国的高速公路飞速发展,2010年12月底的统计显示我国目前的高速公路通车总里程已经超过7.5万公里。高速公路的发展为经济的飞速发展提供了很好的基础,同时飞速发展的经济也对高速公路的路用性能提出了更高的要求。沥青混凝土已经成为高速公路主要的构建形式。但沥青混凝土是一种典型的/温敏性0粘弹塑性材料,夏季在车辆荷载作用下易产生高温变形,冬季在低温环境下路面易产生温缩裂缝,尤其是在严寒季节路面的积雪和冰冻不仅大大降低了道路安全运输能力,而且极易引发交通事故。在冬季下雪时,路面积雪结冰导致车辆行驶困难,极易造成交通事故。据统计,路面湿润时发生的事故是干燥路面的2倍,降雪时是干燥路面的5倍,结冰时是干燥路面的8倍。在低温冰雪天气如何及时清除路面冰雪、减少交通事故的发生、延长道路的使用寿命,从而提高公路建设的投资效益一直

收稿日期:2011-03-23.

作者简介:吴钊(1986-),硕士生.E-mail:skyicew z@

是世界各国交通部门和道路研究工作者迫切希望解决的问题。

目前国内外开发了一系列采用热力学法来进行道路融雪化冰的材料和系统,包括导电混凝土,发热电缆及地源热泵,其中地源热泵融雪化冰技术利用太阳能蓄热,可以方便高效地进行除雪化冰。日本、美国、北欧等国家则已经有一些相关示范工程,而国内融雪化冰的课题研究也取得了一定的进展,包括其热输出功率的计算方法,热流密度分析等。融雪化冰技术的应用,加速了路面的温度变化,在水和反复的升温降温过程对沥青路面形成很高的温度冲击疲劳和水损害[5]。在夏季高温和冬季冰雪天气条件下,沥青混凝土通过换热将热量转移,实现沥青混凝土的降温和升温,路面温度始终在变化,这样反复循环,便产生温度应力,使沥青混合料的极限拉伸应变变小;与此同时,沥青的老化使沥青劲度升高,应力松弛性能降低,当温度应力大于其抗拉强度时产生温度疲劳,最终产生疲劳裂缝,使路面开裂[6];而且,空隙率随着温度循环次数的增加而增大,同时在雨水天气条件下或是融雪化冰过程中,路面积累的大量水在行车碾压下进入空隙进一步造成水损害,这些因素都将影响沥青混凝土的服役寿命

[1]。因此,研究冻融循环过程中沥青混合料的抗温度冲击性能

有很重要的意义。1 原材料概况和集料级配

本实验所用原材料集料为京山玄武岩,沥青为壳牌

AH -70基质沥青,矿粉为普通石灰岩矿粉。原材料基本

属性如表1所示。

本实验采用玄武岩集料和普通的石灰岩矿粉,9.5~

13.2cm 集料的表观相对密度为2.982,4.75~9.5cm

集料的表观相对密度为2.987,2.36~ 4.75cm 集料的表表1 AH -70基质沥青的基本指标试验项目针入度(25e ,100g ,5s)/(0.1mm)68延度(5cm/min,15e )/cm >150软化点(环球法)/e 47.4观密度为2.991,0~2.36cm 集料的表观相对密度为2.964。普通石灰岩矿粉的表观相对密度为2.702。由于主要研究路面上面层受长期冻融循环过程中的温度疲劳性能,因此该文沥青混合料采用AC -13型沥青混合料继配类型,继配曲线图如图1

所示。

2 试验方案

对热疲劳开裂可能性的研究始于20世纪70年代,美国西部德克萨斯州路面发生严重横向开裂[2],日本北海道大学对沥青混合料试件进行了温度循环作用下的温度应力测定,结果表明,尽管温差不是很大,但随着循环次数的增加,收缩应力及应力变化幅度逐渐减小,最后也将导致破坏。交通部公路科学研究所也做了类似的试验,证明沥青混合料弯曲柔量增长率越大,回弹模量越大,其抗裂性越好。而低温柔性越好,残余变形越大,破断次数越少,温度疲劳寿命越长[7]

。

研究温度疲劳的试验方法可分为两类:一类是直接对试件进行温度循环作用,进行约束试件温度应力试验(T SRST),可以测试沥青混凝土因温度变化产生的任何变形;一类是间接作用,进行低温低频疲劳试验,温度循环反复作用实际上相当于试件内应力的反复作用。将温度应力转化为荷载应力,可以缩短试验耗