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为研究冻融循环对武汉地区沥青路面的影响程度,分别对经历过0、10、20、40次冻融循环的沥青混合料试件进行了冻融循环试验研究,主要测定试件的动弹性模量和质量损失等技术指标.同时对经历过上述不同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DS和车辙深度RD随冻融循环次数的变化规律,并对上述结果进行了分析.研究结果表明,冻融循环对沥青路面车辙的影响不容忽视.
沥青路面车辙是城市道路的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,国内外相关工程技术研究人员作了大量的研究工作,但通常都是针对单层材料结构来进行的.华中科技大学控制结构湖北省重点实验室在2002年提出了在路面结构设计中应当控制全厚度车辙的概念.2008年年初湖北、湖南、广东等南方地区出现了50a未遇的大雪,冻融现象十分明显,对沥青路面进行冻融循环后的性能分析显得十分必要.
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三种情况的任何一种时,即可停止试验：
1）冻融至300次循环.
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％.
沥青路面的设计使用年限一般为10~1.根据武汉地区的气候特点,估计可能发生的冻融循环次数zui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,选择下限为-9℃.
1.2试件制作及快速冻融方法
由于没有沥青混合料的冻融循环的试验规程,因此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JTGE30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中水泥混凝土抗冻性能试验方法（快冻法）进行.试验试件的尺寸为300mm×300mm×150mm;用于测定动弹性模量和质量损失试件尺寸为100mm×100mm×300mm.快速冻融试验在混凝土快速冻融试验机中进行.为了对比分析,试验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结构层全厚度车辙试验,试验荷载为0.7MPa,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加铺结构.其主要路面结构层见表1.
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,按“1.3车辙试验条件”,分别做了冻融次数为0、10、20、40次时的全厚度车辙试验,综合结果见表2.车辙试验曲线见图1.
2.试验数据分析
由图1可以看出,车辙变形随着时间的增加而增加,冻融次数越多,变形越大.但对于同一沥青路面结构,冻融次数越多,只是前期的变形速率（切线斜率）较大,3h以后几乎呈线性变化,变化趋势都比较稳定且相差不大.将表2的试验结果绘成直方图（见图2和图3),可以更加清楚地了解在冻融循环作用下,动稳定度DS和车辙深度RD随冻融循环次数改变的变化趋势.
分析图2和图3不难看出,当荷载为0.7MPa、温度为60℃时,冻融次数从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％;冻融次数从10次增加到20次时,动稳定度又降低15.6%,车辙深度则增加10.5％;冻融次数从20次增加到40次时.动稳定度再降低23.9%,车辙深度则增加7.4％.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,加上沥青混合料孔隙率相对水泥混凝土而言比较大,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,zui大的为0.57％.这是本次试验发现的规律之一,它与水泥混凝土试验明显不同.沥青混合料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zui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随着冻融循环次数变化的关系式：
P＝3×10-5N2-0.0022N+1.0007（1）
其中P=Edn/Ed0
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;Ed0为经0次冻融循环后混凝土动弹性模量,MPa;Edn为经N次冻融循环后混凝土动弹性模量,MPa.式（1）的相关系数为r＝-0.9974.不同的试验条件结果会有所不同,但其变化规律值得借鉴.
3.结语
随着冻融循环次数的增加,沥青混合料的质量没有大的改变,没有剥落现象,没有“质量损失”产生.相对动弹性模量P随冻融次数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.从全厚度车辙的试验结果来看,冻融循环对沥青混合料动稳定度DS和车辙深度RD有较大的影响.
