動水沖刷試驗評價瀝青路面水損害

周海波 張青山 張龍

摘要：本文通過取芯檢測瀝青混合料的空隙率，采用動水沖刷和劈裂試驗研究空隙率對路面水損害的影響規(guī)律。結(jié)果表明，瀝青混合料中空隙率大于5%時，瀝青混合料的劈裂強度要比空隙率小于5%的小7.8%；空隙率大于5%瀝青混合料經(jīng)過動水沖刷后強度比空隙率小于5%瀝青混合料經(jīng)動水沖刷后強度低10.4%，動水沖刷后空隙率（含空洞）大于5%的瀝青混合料強度降低更加迅速。動水沖刷對瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是有顯著影響的，并且瀝青混合料中早期空洞破壞對水損害的發(fā)展有加劇作用。研究成果為運營期瀝青路面內(nèi)部缺陷的判別及養(yǎng)護措施的制定提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；空隙率；瀝青含量；水損害；芯樣

中圖分類號： U416 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

中圖分類號：U414

在國內(nèi)其他高速公路的進一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，瀝青路面水損害現(xiàn)象極其普遍，對路面結(jié)構(gòu)的危害極大。另外，初期水損害具有隱蔽性，根據(jù)現(xiàn)有的《公路技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG H20-2007）中規(guī)定，主要檢測路面損壞、平整度、車轍、抗滑性能和結(jié)構(gòu)強度五項指標(biāo)，很難判定路面初期水損害的發(fā)生與發(fā)展。這就需要一種全新的檢測方法來對初期水損害的發(fā)生與發(fā)展進行相應(yīng)的評價[1]。

本文通過取芯檢測瀝青混合料的空隙率，采用動水沖刷和劈裂試驗研究空隙率對路面水損害的影響規(guī)律。

1試驗方法

1.1動水沖刷試驗

常用的評價瀝青混合料水損害的方法，由于閉口空隙的存在，水分不能進入所有的空隙，同時如果采用靜水頭壓力法模擬動水壓力的方法與實際路面狀況不符。因此華南理工大學(xué)自主研發(fā)了瀝青混合料試樣動水沖刷試驗系統(tǒng)（如圖1），該系統(tǒng)很好的模擬了車輛高速行駛通過瀝青路面時，對路面空隙中產(chǎn)生交替的壓力、真空吸力的過程，是一種更接近于路面實際情況的試驗系統(tǒng)。

圖1 動水沖刷試驗原理圖

試驗過程中使用最多的控制流程是：向容器中打壓4s，當(dāng)容器的壓力達到0.7MPa 時，排氣1.5s 使容器內(nèi)恢復(fù)大氣壓，即壓力表讀數(shù)為0，再抽真空2.5s 使容器內(nèi)達到-0.095MPa。正負壓力交替的周期為8s，依此循環(huán)[2]。

沖水沖刷的試驗參數(shù)選擇包括壓力大小、壓力變化頻率、沖刷作用的時間和試驗的溫度。本次試驗選取的參數(shù)如下：

（1）壓力。壓力為正壓取標(biāo)準(zhǔn)輪胎壓力0.7MPa，負壓為-0.095MPa；

（2）作用頻率。由于空壓機和真空泵的工作效率，最高頻率取0.125Hz，即正負壓力交替作用一次需8s。

（3）試驗溫度、沖刷時間。根據(jù)是時溫等效性原理，加速模擬瀝青混合料抗水損害性能，采用60℃非定向動水沖刷2h。

1.2劈裂試驗

動水沖刷試驗前后的劈裂強度比作為判斷瀝青路面材料水損壞抵抗力能力的技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程JTG E20-2011中規(guī)定對于取芯芯樣的劈裂試驗要求直徑?100±2mm高為40mm±5mm的圓柱體試件（如圖2）。

圖2劈裂試驗夾具

2試驗結(jié)果分析

將從路肩處取芯獲得的芯樣為4組：（1）空隙率（含空洞）大于5%，未沖刷；（2）空隙率小于5%，未沖刷；（3）空隙率（含空洞）大于5%，60℃動水沖刷2h；（4）空隙率小于5%，60℃動水沖刷2h。下面分別為這4組試驗結(jié)果，如表1-表4。

表1 空隙率（含空洞）大于5%，未沖刷

試驗條件 試件編號 空隙率（%） 劈裂強度（MPa）

取芯瀝青混合料上面層，15℃保溫四小時 未做處理 279上 5.88 1.073

未做處理 300上 5.94 1.098

未做處理 282上 6.62 1.090

未做處理 296上 5.84 1.092

未做處理 286上 7.71 0.942

未做處理 287上 6.78 1.022

未做處理 288上 6.64 0.967

未做處理 289上 6.85 0.915

平均值 1.025

表2 空隙率小于5%，未沖刷

試驗條件 試件編號 空隙率（%） 劈裂強度（MPa）

取芯瀝青混合料上面層，15℃保溫四小時 未做處理 283上 4.88 1.090

未做處理 290上 4.12 1.097

未做處理 291上 3.62 1.170

未做處理 292上 3.84 1.192

未做處理 293上 4.71 1.142

未做處理 294上 3.88 1.022

未做處理 295上 4.54 1.067

未做處理 297上 4.05 1.015

平均值 1.099

表3空隙率（含空洞）大于5%，60℃動水沖刷2h

試驗條件 試件編號 空隙率（%） 劈裂強度（MPa）

取芯瀝青混合料上面層，15℃保溫四小時 沖刷2h，60℃ 212上 6.68 0.826

沖刷2h，60℃ 213上 7.24 0.890

沖刷2h，60℃ 214上 6.92 0.882

沖刷2h，60℃ 215上 8.54 0.862

沖刷2h，60℃ 216上 5.71 0.792

沖刷2h，60℃ 217上 6.58 0.930

沖刷2h，60℃ 218上 6.84 0.816

沖刷2h，60℃ 219上 7.85 0.867

平均值 0.858

表4 空隙率小于5%，60℃動水沖刷2h

試驗條件 試件編號 空隙率（%） 劈裂強度（MPa）

取芯瀝青混合料上面層，15℃保溫四小時 沖刷2h，60℃ 151上 3.68 0.962

沖刷2h，60℃ 152上 4.24 0.977

沖刷2h，60℃ 153上 4.72 0.931

沖刷2h，60℃ 154上 4.54 0.905

沖刷2h，60℃ 155上 4.31 0.912

沖刷2h，60℃ 156上 4.28 0.875

沖刷2h，60℃ 157上 4.12 0.991

沖刷2h，60℃ 159上 4.25 1.103

平均值 0.957

通過對表格的分析中發(fā)現(xiàn)，表1的平均值與表2的平均值比較，證明瀝青混合料中空隙率大于5%（即存在空洞）時，瀝青混合料的劈裂強度要比空隙率小于5%的小7.8%；

表1的平均值與表3的平均值比較，證明空隙率大于5%（含空洞）瀝青混合料經(jīng)過動水沖刷后強度損失16.3%；

表2的平均值與表4的平均值比較，證明空隙率小于5%瀝青混合料經(jīng)過動水沖刷后強度損失13%；

表3的平均值與表4的平均值比較，證明空隙率大于5%（含空洞）瀝青混合料經(jīng)過動水沖刷后強度比空隙率小于5%瀝青混合料經(jīng)動水沖刷后強度低10.4%，動水沖刷后空隙率（含空洞）大于5%的瀝青混合料強度降低更加迅速。

綜上所述，動水沖刷對瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是有顯著影響的，并且瀝青混合料中早期空洞破壞對水損害的發(fā)展有加劇作用。

對路肩處上面層的16個未受處理的劈裂數(shù)據(jù)建立空隙率與劈裂強度的關(guān)系（ ），見圖2。

圖2 路肩上面層空隙率與劈裂強度擬合圖

其中橫作標(biāo)為空隙率，縱坐標(biāo)為劈裂強度。

得到公式：

y = 1.437x-0.18

R? = 0.381

從圖2可以看出：（1）劈裂強度隨著空隙率的增大而減小；（2）當(dāng)空隙率>7%時，劈裂強度的減幅增大；（3）當(dāng)劈裂強度小于0.9MPa，破壞較為明顯。

3結(jié)論

本文通過取芯檢測瀝青混合料的空隙率，采用動水沖刷和劈裂試驗研究空隙率對路面水損害的影響規(guī)律。研究表明：

（1）瀝青混合料中空隙率大于5%時，瀝青混合料的劈裂強度要比空隙率小于5%的小7.8%；

（2）空隙率大于5%瀝青混合料經(jīng)過動水沖刷后強度比空隙率小于5%瀝青混合料經(jīng)動水沖刷后強度低10.4%，動水沖刷后空隙率（含空洞）大于5%的瀝青混合料強度降低更加迅速。

（3）動水沖刷對瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是有顯著影響的，并且瀝青混合料中早期空洞破壞對水損害的發(fā)展有加劇作用。

參考文獻

[1] 沈金安，李福普，陳景.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].人民交通出版社，2004.

[2] 張龍. 基于探地雷達技術(shù)的瀝青路面早期水損害評價[D]，廣州，華南理工大學(xué)大學(xué)碩士論文，2013.