季节性冻害地区在中国分布广泛，交通荷载与冻融损伤作用被认为是季冻区公路沥青路面过早老化的原因之一，提高公路沥青路面水稳定性迫在眉睫。多孔沥青混合料因其内部含有较多连通空隙，在冻雨时能及时排出渗入路面的水分，在排水、降噪、抗滑等方面表现出优良的路用性能，减少了公路冻融损伤^[1-3]。

然而，多孔沥青混合料在耐久性和结构承载力等方面表现较差，可掺入改性材料能增强其路用性能。玻璃纤维具有加筋、增韧、增黏、稳定的作用^[4-6]，在水泥基材料中应用较多；大量研究表明玻璃纤维具有改善多孔沥青混合料路用性能的作用^[6-8]。

硅藻土是一种由古代硅藻遗骸沉积而成的硅质岩，具有独特的多孔结构与强吸附性能，能促进多孔沥青混合料排水，与沥青的相容性较好，可增强沥青与集料间的粘附性，提高沥青混合料的性能^[9-10]。近几年，国内外研究学者对硅藻土改性沥青混合料的研究主要侧重于结合宏微观试验研究硅藻土对沥青^[11-12]及沥青混合料^[13-15]性能的改善效果，表明硅藻土能较好改善沥青混合料的抗冻、抗车辙、抗老化、抗水损害等性能。

沥青路面旧料再生符合减轻环境污染、减少材料消耗的宗旨，是实现公路交通运输可持续发展的迫切需要^[16]。国内对低掺量密级配公路沥青路面再生技术的研究较为成熟，但很少有开级配沥青混合料再生研究的公开报道。近几年的研究主要集中在旧料掺量的优化^[17]、高掺量旧料^[18]及旧料与其他材料复合后对沥青混合料性能的改善^[19]。发达国家对再生沥青混合料的运用已相对完善，美国利用微波技术和高速热气流传热再生技术处理旧料，能使旧料掺和率达到90%以上，在不添加新集料和新沥青的情况下直接用于铺筑路面^[20]。Goh等^[21]发现低掺量的再生沥青路面间接抗拉强度更高。Chen等^[22]发现含100%沥青旧料的再生多孔沥青混合料具有良好的排水性能与低强度应用的潜力。

对沥青混合料的性能研究不仅仅局限于宏观层面^[20-22]，对沥青混合料空隙细观特征研究也取得了较大的进展^[21-25]。近年来，研究主要集中于利用CT技术可视化空隙结构特征^[24-26]，采用各项指标评价空隙形态^[24-25]、体积特性^[26-27]，预测和分析细观结构与宏观性能之间的关系^[28-29]。

综上，现有研究成果很少关注季冻区多孔沥青混合料的应用，为提高多孔沥青路面水稳定性，实现绿色节能可持续发展，采用掺入玻璃纤维、硅藻土和沥青路面旧料改善多孔沥青混合料性能。基于单轴压缩试验与损伤力学理论分析冻融循环后的玻璃纤维多孔沥青混合料、再生多孔沥青混合料、硅藻土多孔沥青混合料及硅藻土再生多孔沥青混合料4种混合料的水稳定性与损伤规律，并结合现有条件利用CT无损检测玻璃纤维多孔沥青混合料在冻融作用前后的空隙数量与空隙面积差异，深入分析混合料冻融损伤原因，为今后季冻区沥青路面设计提供参考。

1 试样制备和试验方法 1.1 试样制备

试验选择目标空隙率为18%的PAC–13混合料，集料采用玄武岩，矿粉选用石灰岩矿粉，沥青为SBS改性沥青，相关外掺材料如图1所示。

沥青混合料回收料（RAP）由浙江绍兴某沥青厂回收所得，沥青含量为4%，筛分后RAP粒径为9.5～13.2 mm（图1（a））。玻璃纤维采用长20 mm、直径为15 μm的短切玻璃纤维（图1（b））。硅藻土来自天津某厂，外观为白色粉末，矿物密度为0.47 g/cm³，SiO₂质量含量>86%，细度在325～500目，pH值中性无毒（图1（c））。根据《公路沥青路面施工技术规范》^[30]确定试样最佳沥青用量为4.1%，通过马歇尔击实仪将试样正反两面各击实50次，并用体积法实测试样空隙率为18%左右，体积参数见表1；集料级配与RAP级配相同，见表2。

试验共制备沥青混合料试样18组，每组重复3个试样，包括：玻璃纤维掺量为0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的玻璃纤维多孔沥青混合料试样（以下分别简称为0.3%GFPA、0.5% GFPA、0.7% DFPA、0.9% DFPA）4组，RAP掺量为5%、10%、15%、20%的再生多孔沥青混合料试样（以下分别简称为5% RPA、10% RPA、15% RPA、20% RPA）4组，硅藻土掺量（占沥青用量）为15%、20%、25%、30%的硅藻土多孔沥青混合料试样（以下分别简称为15% DPA、20% DPA、25% DPA、30% DPA）4组，RAP掺量为15%及硅藻土掺量为10%、15%、20%、25%、30%的硅藻土再生沥青混合料试样（以下分别简称为10% DRPA、15% DRPA、20% DRPA、25% DRPA、30% DRPA）5组，以及对照组多孔沥青混合料试样（以下简称PA）1组。

1.2 冻融循环试验

规范对沥青混合料的冻融劈裂试验并未考虑温度的多次循环作用^[30]，现有冻融研究多为自行设计试验条件^[31-34]。本文借鉴国内外学者的冻融试验方法，设置的冻融试验条件为：先将试样进行真空饱水15 min；再在常压水中保持0.5 h；取出后，将试样放入塑料袋，加入10 mL水，密封塑料袋后放入冻融试验箱中恒温–18 ℃保持16 h；取出试样后，撤去塑料袋在恒温60 ℃下保持8 h。以此为一次冻融循环，共进行15次冻融循环。图2所示冻融试验箱型号为TMS9030–250–R35，由浙江托莫斯科技有限公司制造，冻融温度波动、次数及时间均可由程序控制，试验箱内尺寸为1.10 m×0.35 m×0.52 m，基本参数见表3。

2 水稳定性评价 2.1 水稳定性评价指标

多孔沥青混合料空隙率较大，内部缺陷较多，半连通空隙易储存水分，对沥青混合料的水稳定性提出了考验。采用单轴压缩试验得到了不同掺量的GFPA、RPA、DPA、DRPA试样在不同冻融循环次数下的抗压强度，图3为典型试样DPA压缩前后的对比照片，并根据以下公式求出应变ε及冻融循环后的空隙率V：

$ \varepsilon {\text{ = }}\Delta l/l $

(1)

$ V = 1 - {\rho _{\text{s}}}/{\rho _{\text{m}}} $

(2)

式中：l和∆l分别为试样变形前长度和变形后伸长量，mm；ρ_s和ρ_m分别为试样毛体积密度和最大理论密度，g/cm³。

以抗压强度、空隙率、应变随冻融循环次数的变化规律反映PA混合料的水稳定性。将未冻融与冻融循环1、3、6、9、12、15次后的PA混合料放入20℃左右的恒温水槽中2.5 h，取出后立即进行单轴压缩试验。

2.2 GFPA混合料试样分析

图4为不同玻璃纤维（以下简称GF）掺量的GFPA混合料试样的抗压强度、空隙率及应变曲线。由图4（a）可见，随着玻璃纤维掺量的增加，GFPA混合料试样抗压强度增加，但玻璃纤维掺量为0.7%与0.9%的混合料试样抗压强度差异不大。由于GF的加筋作用，随着GF掺量增加，沥青与集料间的附着力增加，而过多GF掺量在试样中不易拌和均匀，在击实过程中试样也不易被压实，反而降低了GFPA的抗压强度。由图4（b）可知：GF的掺入使GFPA空隙率减小，在第9次冻融循环前，即冻融循环前期，GFPA试样空隙率大小依次为对照组>0.3%GFPA>0.5%GFPA>0.9%GFPA>0.7%GFPA；在冻融循环9次后，空隙率则表现为对照组>0.9%GFPA>0.3%GFPA>0.5%GFPA>0.7%GFPA，0.9%GFPA试样空隙率变化较不稳定，过多的GF反而可能使混合料在冻融循环后产生更多的结构缺陷。由图4（c）可知：对照组试样冻融后抗压性能急剧下降，冻融循环12次后应变迅速增大；掺入GF的混合料试样应变随冻融循环次数变化平缓，变形较小，4种GF掺量的GFPA应变变化差异不大，0.7%GFPA试样形变最小。

综合来看，GF的掺入确实能增强PA混合料的水稳定性，且GF掺量为0.7%的GFPA混合料性能更好。

2.3 RPA混合料分析

图5为RPA混合料试样的抗压强度、空隙率及应变曲线。由图5（a）可知：未冻融时，RAP的掺入明显增强了混合料的抗压性能，其中，5% RPA试样抗压性能最好，10%、15%与20% RPA试样抗压性能则无明显差异。5% RPA抗压强度随冻融循环次数变化波动较大，在1次冻融循环后，抗压强度迅速下降，降幅大于其他3种掺量的RPA。经过6次冻融循环后，5% RPA抗压强度小于对照混合料试样，水稳定性较差。在1～6次冻融循环中，其他3种掺量的RPA抗压强度随冻融循环次数变化无明显差异；6次冻融循环后，抗压强度依次为15% RPA>20% RPA>10% RPA>5% RPA。由于有大量重质组分存在于RAP的老化沥青中，其掺入使新旧沥青融合增强了沥青黏度，从而增强了RPA试样的水稳定性；而掺量较多时，新旧沥青不易混合均匀，导致20% RPA抗压强度不如15% RPA。

由图5（b）可知，不同RAP掺量的RPA空隙率在每个循环次数下都存在明显差异，表明冻融循环更易使RAP掺量少的RPA试样产生内部损坏，内部产生更多的连通空隙。

由图5（c）可知：与对照试样相比，第6次冻融循环前，RAP掺量为10%、15%、20%的RPA试样变形较大，5% RPA则相反；6次冻融循环后，对照试样变形明显，4种掺量的RPA试样变形均小于对照试样；相比而言，掺入RAP在冻融循环后期改善效果更好。

综合来看，RAP掺量为15%的RPA试样水稳定性较好。

2.4 DPA混合料分析

图6为不同硅藻土掺量的DPA混合料试样的抗压强度、空隙率及应变曲线。

由图6（a）可知：未冻融时，随硅藻土掺量的增加DPA混合料抗压强度迅速增加；经过1次冻融循环后，硅藻土掺量为30%的DPA试样抗压强度降幅最大；冻融循环3次后，15%DPA试样抗压强度衰减较明显，20%DPA和30%DPA试样抗压强度与对照组相比表现为抗压强度下降，水稳定性迅速减弱；当冻融循环次数大于6次时，各DPA试样抗压强度趋于相对稳定，且与对照组相比，均表现为随着掺量增加而水稳定性增强。硅藻土掺量较高的DPA试样虽然在未冻融时大大增加了其抗压强度，但文献[35]提到，较多的硅藻土易使沥青胶浆与硅藻土填料相容不佳，在冻融循环前期受冻融损伤后迅速降低黏结性，反而降低了混合料的水稳定性，其改善作用在冻融后期稍显成效。

由图6（b）看出：与硅藻土掺量为20%、25%的DPA试样相比，掺量为30%的DPA试样空隙率较大；在冻融循环15次后，空隙率超过了对照试样的空隙率，冻融循环作用对30%DPA试样的损伤较大。

由图6（c）可知，应变表现为随冻融循环次数的增加而增加，25% DPA与30% DPA试样变形较大，15% DPA与20% DPA试样变形较小。

总体来看，4种掺量的DPA试样中，25%DPA试样水稳定性最好。

2.5 DRPA混合料分析

图7为DRPA混合料试样的抗压强度、空隙率及应变曲线。由图7（a）可知：未冻融时，从抗压强度值来看，硅藻土的掺入显著增强了再生沥青混合料的抗压性能；但经过1次冻融循环后，抗压强度急剧下降。与对照试样，即15%RPA试样相比，在前9次冻融循环中，不同掺量的硅藻土都有增强混合料水稳定性的效果，其中，硅藻土掺量较多的DRPA水稳定性优于掺量较少的DRPA；9次冻融循环后，各掺量DRPA水稳定性都不如未掺硅藻土的RPA试样，但与未掺入任何改性材料的普通PA试样相比，RAP与硅藻土仍有提高混合料水稳定性的作用。这可能是因为硅藻土对老化沥青的改性效果不佳，将其与新沥青混溶后反而降低了多次冻融循环后RPA试样的水稳定性^[18]。

由图7（b）可知：加入硅藻土后的RPA试样空隙率减小，硅藻土具有堵塞RPA空隙的作用，这可能也是未冻融时DRPA抗压性能大大增强的原因之一。6次冻融循环前，各掺量DRPA空隙率在每个冻融循环次数下差异较大；6次循环后，25% DRPA与30% DRPA、10% DRPA与20%DRPA试样的空隙率差异不大，且前两者空隙率大于后两者，硅藻土掺量大的DRPA试样内部受冻融损伤程度也更大。

由图7（c）可知：不同硅藻土掺量DRPA试样变形程度均大于对照15%RPA试样；而与对照15%RPA试样相比，在第9次冻融循环前，各掺量DRPA的变形程度均大于对照RPA，9次冻融循环后情况相反。

综上，虽然与对照15%RPA试样相比，硅藻土的掺入似乎对增强多次冻融循环作用后RPA试样水稳定性的效果不佳，20% DRPA试样改性效果相对较好，但对于普通PA混合料来说，20%DRPA试样对其水稳定性的增强效果最好，硅藻土对RPA试样其他性能是否有增强效果仍需做进一步研究。

2.6 试样抗压强度、空隙率及应变3项指标对比

最佳掺量的GFPA、RPA、DPA与DRPA前述3项指标的对比情况如图8所示。

从图8可看出：在9次冻融循环前，DRPA抗压性能最好，15次循环后，GFPA抗压性能最佳。随着冻融循环次数增加，DRPA空隙率最小，损伤程度也较小，GFPA、RPA、DPA应变变化趋势与对照PA试样基本相同，都表现为随冻融循环次数的增加而增加；与DRPA相比，应变增幅较大。DRPA与RPA掺量为15%的RPA试样相比，变化较平缓，后期变形增加更为明显。冻融15次后，GFPA经单轴压缩后变形最小。

3 冻融损伤分析 3.1 损伤评价指标

损伤变量是用来描述材料或结构劣化程度的抽象概念，反映材料工程性质劣化的不可逆过程。采用以下几何参数或宏观物理参数表达损伤变量D^[36]：

$ D = (E - \widetilde E)/E = 1 - \widetilde E/E $

(3)

式中，E、 $\widetilde E$ 分别为材料或结构损伤时的初始弹性模量和损伤弹性模量。

本文将抗压强度作为改性多孔沥青混合料冻融损伤的评价指标，以此判定混合料的冻融损伤程度。根据式（3），改性多孔沥青混合料冻融损伤程度可用强度率D(n)表示^[37]：

$ D(n) = 1 - F(n)/{F_0} $

(4)

式中，F(n)为冻融循环n次后试样的抗压强度，F₀为未冻融时试样的抗压强度。据此，4类改性多孔沥青混合料的冻融强度率随冻融循环次数的变化如图9所示，强度率均随冻融循环次数的增加而增大。

3.2 不同材料掺量对沥青混合料损伤的影响

1）GFPA混合料损伤

由图9（a）可以看出，4种GF掺量的GFPA总体上升，在冻融循环后期仍具有明显上升趋势，可能还存在较大的残余强度。前6次冻融循环损伤程度增加较快，后期相对平缓。GF掺量为0.3%的GFPA试样损伤波动较大，在冻融前期损伤较小，冻融后期迅速增加，其他GF掺量的GFPA试样在前期与后期增速无明显差异。这是因为少量的GF在沥青混合料中能均匀分布，在冻融前期损伤程度与GF掺量为0.5%的GFPA试样差别很小；而冻融后期，由于GF太少，混合料无法抵抗水结冰后的冻胀作用而冻裂，形成了更多的连通空隙，且沥青胶浆在融化温度下黏性降低，GF掺量为0.3%的GFPA试样损伤程度迅速增加。

2）RPA混合料损伤

由图9（b）可知：4种RAP掺量的RPA试样在前6次冻融循环损伤发展较快。在冻融循环6次后，损伤发展变得缓慢；5% RPA与10% RPA试样整体损伤程度均比对照试样大，15% RPA与20% RPA试样损伤程度在冻融后期小于对照试样，RAP掺量大的RPA试样更耐受冻融损伤。冻融15次后，15% RPA试样损伤最小，结合图4（a）抗压强度曲线发现，15% RPA试样抗压强度最大，符合试验预期。

3）DPA混合料损伤

由图9（c）可知：20% DPA、25% DPA、30% DPA试样在冻融1次或3次后损伤较快，而15% DPA试样在冻融6次后才受到较大的损伤。显然，15% DPA试样损伤程度最小，损伤程度从大到小依次为30% DPA>20% DPA>25% DPA>对照>15% DPA试样。少量的硅藻土在沥青胶浆中易拌和均匀，结合图4（b）空隙率曲线发现，15% DPA冻融循环15次后内部空隙率增量不大，形成的连通空隙数量可能较少，水结冰后冻胀力不足^[37]，材料损伤较小，但可能因为混合料内部集料嵌挤规律性不足等造成损伤小的15% DPA试样抗压强度不如损伤较大的25% DPA试样。

4）DRPA混合料损伤

分析图9（d）发现：DRPA混合料前3次冻融循环损伤发展较快；3次冻融循环后，损伤演变为缓慢上升。掺入硅藻土后的RPA损伤程度均大于对照15% RPA试样，且冻融循环15次后的抗压强度也不如对照RPA试样。结合强度率曲线（图9（d））与抗压强度曲线（图4（a））可以预测，用硅藻土提高RPA混合料的水稳定性较适用于短时冻土区。

5）4类改性沥青混合料损伤对比

分析表明，混合料GFPA、RPA、DPA损伤较小。图10为损伤最小的材料掺配率下混合料强度率随冻融循环次数变化的对比。可以看出，冻融循环15次后，GFPA损伤程度最小，RPA在冻融前期损伤较大。总体而言，4类改性材料均能减轻普通PA混合料的冻融损伤。

4类改性沥青混合料在冻融循环前3次（DRPA）或前6次（GFPA、RPA、DPA）经历了快速损伤期，表明此前PA混合料中存在较多的半连通空隙，储存在混合料内部的水分经结冰后冻胀，在冻胀力作用下混合料内部产生较多损伤缺陷，力学性能也随之衰减；DRPA在前3次冻融损伤较大，内部连通空隙生成较快，损伤稳定期历时较长；在第3～12次（DRPA）或第6～12次（GFPA、RPA、DPA）冻融循环经历了损伤稳定期，随着半连通空隙逐渐发展成全连通空隙，以及新连通空隙的产生，水分易从混合料中排出，冻胀作用减弱，损伤发展缓慢；冻融循环12次后，经历了损伤发展期，半连空隙与全连通空隙增加，更多小空隙出现，材料内部更易损伤^[37]。

4 空隙细观结构变化

由于时间所限，试验只对玻璃纤维多孔沥青混合料冻融作用前后空隙细观结构变化展开研究。基于CT技术与数字图像处理技术，并利用软件进行2维图像处理，图11为典型试样0.3% GFPA试样的同一高度断面在冻融前后空隙差异扫描照片的对比结果。通过分析冻融前后试样断面平均空隙数量和平均单个空隙面积可深入研究混合料冻融损伤过程。

试样扫描断面平均空隙数量N为将每个断面图像通过软件计算后得到的空隙数量加权平均值，具体表示如下^[28]：

$ N\text=\left({\displaystyle \sum _{i=1}^{n}{N}_{i}}\right)\Bigg/n$

(5)

式中，N_i为试样第i层断面空隙数量，n为CT扫描断面的总层数。

以GFPA试样为例，冻融前后试样的空隙数量对比如图12所示。

平均单个空隙面积a由断面平均空隙面积A得出，平均空隙面积为试样各断面的总空隙加权平均值，具体如下^[28]：

$ A=\left({\displaystyle \sum _{i=1}^{n}{A}_{i}}\right)\Bigg/n $

(6)

$ a = A/N $

(7)

式中，A_i为由CT扫描试样第i层断面的空隙总面积。

图13为GFPA试样冻融前后的空隙面积对比。

由图12和13分析比较可知，冻融循环后，对照组和0.3% GFPA试样表现为空隙数量增加、空隙面积减小，0.5% GFPA、0.7% GFPA和0.9% GFPA试样表现为空隙数量减少、空隙面积增加。上述对比表明：未掺加GF与GF掺量较少的试样更易受冻融损伤，在冻融循环过程中经历了单个空隙的膨胀、分散空隙的合并与新空隙的生成演化，表现为空隙数量整体增加，且新生成的更多为小空隙，所以平均单个空隙面积减少，小空隙缺陷的大量形成是其抗压强度较低的原因之一；随着试样GF掺量的增加，试样性能得到改善，冻融循环后损伤程度较轻，内部空隙的膨胀速度大于新空隙生成速度，且生成的空隙大多为微小空隙，在图像降噪过程中被中值滤波过滤，致使内部分布较多的大空隙。

5 结　论

本文参考现有研究成果确定冻融循环条件，对冻融循环后的4类改性多孔沥青混合料进行单轴压缩试验以评价其水稳定性；根据强度率分析了混合料的损伤演化规律，并基于CT技术深入研究了混合料冻融前后空隙细观结构的变化规律，得出以下结论：

1）利用单轴压缩试验评价改性多孔沥青混合料的水稳定性是可行的。通过抗压强度、空隙率、应变随冻融循环次数的变化规律来反映PA混合料的水稳定性，发现总体上抗压强度随冻融循环次数的增加而降低，空隙率与应变则呈上升趋势。GF较强的增韧效果提高了沥青黏附性，0.7%GFPA试样在混合料中分布更均匀；15%RPA试样中老化沥青与集料间黏结强度更大；25%DPA试样有效填充混合料微小空隙，均匀分布于沥青内部；20%DRPA试样适应良好，这4类掺量的PA混合料水稳定性能最好，在季冻区均能得到较好的应用，但DRPA可能更适用于短时冻土区。

2）采用抗压强度作为改性多孔沥青混合料冻融损伤的评价指标，判定4类改性多孔沥青混合料的冻融损伤程度。强度率均随冻融循环次数的增加而增大。GF使沥青膜厚度增加，故GFPA损伤较小；硅藻土细化混合料内部空隙，增加微孔，致使DPA损伤较大；老化沥青与硅藻土混溶欠均匀性可能是4种掺量的DRPA损伤程度均较大的原因之一。4类改性多孔沥青混合料经历了快速损伤期、损伤稳定期与损伤发展期，在冻融循环前3次（DRPA）或前6次（DPA）总是损伤较快，在冻融循环3～12次（DRPA）或第6～12次（DPA）损伤较为平缓，在冻融循环12次后损伤加剧。

3）抗压强度与强度率不是评定混合料水稳定性的唯一标准，还取决于混合料内部结构的规律性与均匀性。通过无损CT技术发现：0.3% GFPA试样更易受冻融损伤，在冻融循环过程中原始空隙合并并产生更多微小空隙；0.5% GFPA、0.7% GFPA和0.9% GFPA试样冻融循环后，空隙仍在快速膨胀与合并，空隙缺陷的增加导致低掺量GFPA的冻融损伤较大。

本文仅通过单轴压缩试验进行水稳定性测试，还未结合其他试验条件综合考虑，只进行了一种RAP掺量DRPA混合料的研究，不同RAP掺量对DRPA混合料水稳定性影响仍需深入探讨。