混合料冻融劈裂试验(混凝土冻融循环试验方法)

导语：SMA混合料冻融循环性能试验及超声波法评价

引　言

在季节性冰冻地区，气候原因会导致沥青路面在使用周期内经受多次冻融循环，使路面发生严重的冻融破坏。沥青混合料冻融破坏的主要原因是混合料内部的水结冰后体积膨胀挤压致使材料内部结构破坏，若能够使混合料内部有足够的孔隙来容纳由于水结冰膨胀的体积，则沥青混合料的冻融性能将得到较大提升。SMA是一种优质的沥青混合料材料并被广泛应用，然而目前各国关于SMA冻融循环性能的研究较少，因此有必要针对SMA进行冻融循环性能试验研究，为冰冻地区SMA路面设计提供理论指导。本文主要从SMA混合料冻融循环后的水稳定性、高温稳定性、渗水性能3个方面进行研究，对比分析SMA混合料中掺加水泥、消石灰等外加剂替代部分矿粉后其冻融循环性能的变化。

超声波检测方法用于评价水泥混凝土、岩石等材料性能已取得了较好效果，本文也尝试将超声波检测方法应用于SMA混合料冻融循环性能的评价上，试图提出基于超声波法的SMA混合料冻融循环性能损伤评价方法。

试件制备及试验方法

原材料及配合比设计

本文主要研究SMA-13的相关性能，原材料主要包括SBS改性沥青、玄武岩碎石、机制砂、碱性矿粉、水泥、消石灰、木质素纤维。原材料各项技术指标均满足相关规范要求。按照《公路沥青路面施工技术规范》规定的SMA-13混合料的配合比设计。

试件制备

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定的试件制作方法成型马歇尔试件和车辙板。另外，为改善SMA混合料冻融循环性能，分别在矿粉中掺加矿粉质量30%的水泥及20%的消石灰来等质量替代SMA混合料中的部分矿粉。针对工程实践中存在的欠压和过压导致的孔隙率不一致现象，试验时对成型的马歇尔试件通过调整双面击实次数来模拟工程实践现状，且试件油石比保持不变。对成型的马歇尔试件测试并计算其孔隙率，将其按照孔隙率不同划分4个等级分别进行试验。

试验方法

试验分3个部分：①进行设计次数的冻融循环试验并测试其马歇尔稳定度和冻融劈裂强度变化规律；②进行设计次数的冻融循环试验并测定其动稳定度和渗水性能；③运用非金属超声波检测仪测定冻融循环后马歇尔试件(饱水)超声波速。其中冻融循环过程为：首先将试件真空饱水15min，常温浸泡0.5h，然后放入(-20±2)℃的恒温冰箱冰冻16h，最后在(60±0.5)℃的恒温水箱保温24h，将试件拿出水箱常温放置2h测定性能指标(每个测试指标值为3个试件测试结果的平均值)，即为单次循环流程。

试验结果分析

冻融循环对SMA混合料马歇尔稳定度的影响

马歇尔稳定度是评价沥青混合料水稳定性的主要指标之一。掺加不同外加剂的SMA混合料冻融循环后马歇尔稳定度与冻融循环次数关系曲线可以看出：对于同种混合料不同初始孔隙率试件的马歇尔稳定度都随冻融循环次数的增加明显降低，但是初始孔隙率较小的试件稳定度一直相对较大，可见初始孔隙率对SMA混合料冻融循环后的马歇尔稳定度有较大影响，适当降低初始孔隙率有利于提高冻融循环后的马歇尔稳定度；不同外加剂混合料试件的马歇尔稳定度随冻融循环次数增加降低的程度不一致，其中未掺外加剂的混合料最明显，掺加水泥的次之，掺加消石灰的最不明显。可见在混合料中掺加水泥和消石灰都能有效提升冻融循环后的马歇尔稳定度，且掺加消石灰的效果要好于水泥。

冻融循环对SMA混合料冻融劈裂抗拉强度比的影响

冻融劈裂抗拉强度比也是评价沥青混合料水稳定性的主要指标之一。掺加不同外加剂的SMA混合料冻融循环后劈裂抗拉强度比与冻融循环次数关系曲线可以看出：对于同种混合料不同初始孔隙率试件的劈裂抗拉强度比均随冻融循环次数的增加明显降低，但是初始孔隙率较小的试件劈裂抗拉强度比相对较大而且在整个循环过程中其下降速度和幅度均相对较低，可见适当降低孔隙率有利于提高冻融循环后的劈裂抗拉强度比；掺加不同外加剂的混合料试件的劈裂抗拉强度比随冻融循环次数增加降低的程度不一致，其中未掺外加剂的混合料最明显，掺加水泥的次之，掺加消石灰的最不明显。规范要求使用改性沥青的SMA混合料正常使用情况下劈裂抗拉强度比不低于80%，但对于未掺外加剂的SMA混合料大约在3~4次循环后劈裂抗拉强度比低于80%，掺加水泥的SMA混合料劈裂抗拉强度比低于80%所需循环次数的范围较大，呈现孔隙率越小所需循环次数越多，掺加消石灰的SMA混合料大约在7~11次循环后劈裂抗拉强度比低于80%。可见在混合料中掺加水泥和消石灰都能有效地提升冻融循环后的劈裂抗拉强度比，在一般情况下掺加消石灰的效果要好于水泥。

对应的各档初始孔隙率的混合料前15次循环过程中劈裂抗拉强度比降低较快，在15~20次循环后趋于稳定；对应的各档初始孔隙率的混合料前5次循环过程中劈裂抗拉强度比降低较快，在5~10次循环过程中劈裂抗拉强度比降低速率变缓，在10~20次循环后劈裂抗拉强度比变化趋于稳定。可见未掺外加剂的混合料劈裂抗拉强度比受冻融循环影响相对较大，且持续时间长；当冻融循环达到一定次数之后，试件内部已经发生较严重的破坏，随着循环的持续其劈裂抗拉强度比降低幅度就不再明显。

冻融循环对SMA混合料动稳定度的影响

动稳定度是评价沥青混合料高温稳定性的主要指标。为掺加不同外加剂的SMA混合料冻融循环后动稳定度与冻融循环次数关系曲线，可以看出：随着冻融循环次数的增加，3种不同外加剂车辙板的动稳定度均下降；其中未掺外加剂的车辙板经历5次冻融循环之后动稳定度降低约50%，而掺加水泥和消石灰的车辙板在经历5次冻融循环之后动稳定度降低幅度明显低于未掺加外加剂的车辙板，分别为35%和19%。可见冻融循环对SMA混合料动稳定度影响较大，掺加水泥和消石灰都可以有效地提升SMA混合料冻融循环后的动稳定度，而且掺加消石灰的效果要好于水泥。

冻融循环对SMA混合料渗水性能的影响

渗水系数是评价沥青混合料渗水性能的关键指标。为试验装置和掺加不同外加剂的SMA混合料冻融循环后渗水系数与冻融循环次数关系曲线，可以看出：掺加不同外加剂的车辙板经历第1次冻融循环后渗水系数增速和增幅较大，随着冻融循环次数的不断增加，渗水系数增速和增幅都逐渐放缓；但掺加消石灰的车辙板随着冻融循环次数的增加其渗水系数的增速和增幅均低于未掺外加剂和掺加水泥的车辙板。可见车辙板在经历初次冻融循环之后，内部结构发生较大破坏，随着冻融循环的持续其渗水性能降低幅度减缓，掺加消石灰可以有效提升SMA混合料冻融循环后的渗水性能。

超声波法评价SMA混合料冻融循环性能

研究表明，超声波在介质中的传播速度和介质强度有密切的联系。介质的强度越大超声波穿过时的波速越高，反之波速越低，因而超声波速的变化可以有效反映介质内部结构破坏情况。掺加不同外加剂的SMA混合料修正前后的超声波速与冻融劈裂抗拉强度及马歇尔稳定度的关系曲线。分析所有测试数据，指数形式能较好拟合冻融劈裂抗拉强度与波速的关系；二次多项式形式能较好拟合马歇尔稳定度与波速的关系。

试验结果表明，直接真空饱水马歇尔试件的超声波速与冻融劈裂抗拉强度和马歇尔稳定度之间的相关性较差。究其原因，是由于冻融循环后SMA混合料部分闭口孔隙部分或者全部转化为开口孔隙，饱水后开口孔隙充满水且超声波在水中传播速度是空气中的4.4倍，在有水情况下超声波速对不同介质的敏感程度降低。超声波在水泥混凝土、岩石等材料强度、模量测试中已应用多年，其原理及准确性毋庸置疑。在将此方法应用于SMA混合料冻融循环性能测试时，由于其冻融循环后孔隙率明显增大(且孔隙浸水较多)，远大于水泥混凝土、岩石等材料，因此超声波法测试SMA混合料冻融循环性能变化时需进行修正。考虑冻融过程中水对超声波在SMA试件中传播过程的影响，饱水后残留在试件开口孔隙内的水可视为均匀分布在马歇尔试件底面上，超声波穿过孔隙时(原闭口孔隙经历冻融循环后发展为开口孔隙)传播时间缩短约77.3%。

按照上述修正方法，对实测超声波传播时间进行修正，得到修正后超声波在SMA混合料中的传播速度与冻融劈裂抗拉强度和马歇尔稳定度的关系曲线，可以看出：其相关性均得到较大改善。通过对其回归系数的显著性检验分析可知，经修正的超声波速x对SMA混合料经历冻融循环后的冻融劈裂抗拉强度y及马歇尔稳定度z的反映更显著；因此使用修正后的超声波速来反映SMA混合料冻融循环后的冻融劈裂抗拉强度和马歇尔稳定度是可行的。

结语

(1)SMA具有良好的冻融循环耐久性，初始孔隙率对SMA混合料冻融循环性能具有显著影响。试验表明，适当降低初始孔隙率有利于提高SMA混合料冻融循环后的水稳定性。

(2)随着冻融循环次数的增加，SMA混合料的水稳定性、高温稳定性、渗水性均有不同程度的下降。掺加水泥和消石灰都可以有效地提升SMA混合料的冻融循环性能，但掺加消石灰效果更好。

(3)超声波速测试SMA混合料冻融循环性能时受孔隙率影响较大。本文提出了相关修正公式，修正后测试结果能较为显著地反映SMA混合料的冻融循环性能。

(4)后续将研究不同级配的SMA混合料的冻融循环性能，同时需进一步考虑不同冻融循环条件对其冻融循环性能的影响。

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