水作用對瀝青混合料性能的影響

周志剛，劉旭光，羅蘇平，沙曉鵬

（1. 長沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，湖南 長沙，410004；2.海南省交通工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，海南 ?？?，571100）

水作用對瀝青混合料性能的影響

周志剛1，劉旭光1，羅蘇平2，沙曉鵬1

（1. 長沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點實驗室，湖南 長沙，410004；2.海南省交通工程質(zhì)量監(jiān)督管理局，海南 ?？?，571100）

設(shè)計不同級配類型和空隙率的瀝青混合料，通過劈裂強度、抗壓強度、抗壓回彈模量、單軸靜載蠕變等試驗，研究2種水作用（凍融循環(huán)和高溫浸水）對瀝青混合料常規(guī)力學(xué)性能和高溫性能的影響。研究結(jié)果表明：水的作用嚴(yán)重削弱了瀝青混合料的性能，高溫浸水的影響明顯小于凍融循環(huán)的影響；瀝青混合料性能與其級配和空隙率有關(guān)，粗集料形成骨架，細集料起填充作用，形成具有適宜空隙率的瀝青混合料，水穩(wěn)定性良好；可以采用Burgers模型來描述瀝青混合料在水損害前后的蠕變行為，其模型參數(shù)會因水作用而變化，高溫浸水和凍融循環(huán)會嚴(yán)重削弱瀝青混合料高溫抗變形能力。根據(jù)不同受力狀態(tài)（如受拉和受壓）下的瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)在水作用前后的變化，對其水穩(wěn)定性的評價結(jié)果可能不同，應(yīng)綜合考慮水穩(wěn)定性和其他路用性能（如高溫穩(wěn)定性）的要求。關(guān)鍵詞：瀝青混合料；水損害；級配；空隙率；力學(xué)性能；高溫穩(wěn)定性

瀝青路面的水損害已經(jīng)成為公路瀝青路面早期損壞的一種主要模式［1］。在我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計和施工技術(shù)規(guī)范［2-3］中，采用高溫浸水馬歇爾試驗和凍融循環(huán)試驗分別測得的殘留穩(wěn)定度和劈裂強度比評價瀝青混合料水穩(wěn)定性，以控制瀝青路面水損害，但瀝青路面水病害還是經(jīng)常出現(xiàn)，因此，應(yīng)盡可能地真實模擬瀝青路面所處水環(huán)境條件，并選用科學(xué)合理、簡便易行的力學(xué)試驗方法及其力學(xué)指標(biāo)，正確地評價瀝青混合料及其路面的水穩(wěn)定性。目前的研究工作存在多方面的不足，如：1） 尚無一種模擬瀝青混合料水作用的試驗方法能充分地反映高溫濕熱或冰凍地區(qū)實際的瀝青路面水環(huán)境。研究表明，高溫浸水馬歇爾試驗因其試件成型方式及其浸水條件、加載方式等與實際情況不同，不適宜用于評價瀝青混合料水穩(wěn)定性［4-8］。而凍融循環(huán)模擬方式并不能反映南方高溫濕熱地區(qū)的環(huán)境條件。2） 缺乏一種對水影響瀝青混合料不同路用性能進行全面、系統(tǒng)評價的分析方法。瀝青混合料在不同環(huán)境和交通荷載下所表現(xiàn)的不同路用性能中需要使用不同的力學(xué)特性參數(shù)，單一或幾個力學(xué)指標(biāo)并不能全面反映瀝青混合料路用性能受水影響程度，如采用強度、車轍等單一指標(biāo)［9-11］或幾個指標(biāo)組合（如穩(wěn)定度+劈裂強度+車轍）［4-8， 12-14］在水影響前后的變化評價某類或不同類型瀝青混合料水穩(wěn)定性等。其中因劈裂強度便于測試，人們一般偏向采用它作為評價指標(biāo)［9］，但它僅反映瀝青混合料抵抗拉伸破壞的能力。3） 采用不同的試驗方法進行對比評價時，瀝青混合料試件結(jié)構(gòu)狀態(tài)不一致，相應(yīng)地缺乏可比性。如對用于高速公路和一級公路的同一種瀝青混合料，高溫浸水馬歇爾試驗中的試件雙面擊實75次，凍融循環(huán)試驗中的試件雙面擊實50次［15］，它們的空隙率不同，甚至相差3%以上。王樂等［6］采用高溫浸水馬歇爾試驗方法成型的試件進行高溫浸水劈裂試驗，并與凍融循環(huán)劈裂強度進行比較，即存在此類問題。4） 少見關(guān)于水對瀝青混合料長期性能影響的研究。研究者一般主要研究水對瀝青混合料強度的影響，這屬于1次加載行為。也有一些利用不同設(shè)備進行往復(fù)加載下高溫浸水車轍試驗的研究。對于循環(huán)加載下瀝青混合料其他性能研究，AHMAD等［13］利用簡單性能試驗測試了常溫時水對瀝青混合料動模量的影響。為此，本文作者針對不同級配的AC-13瀝青混合料以及不同空隙率的同一級配的AC-13瀝青混合料，選用高溫浸水和凍融循環(huán)2種常規(guī)的模擬水環(huán)境方法，對比研究這2種環(huán)境水作用對不同類型瀝青混合料的抗壓回彈模量、抗壓強度、劈裂強度和勁度模量等多項力學(xué)指標(biāo)和高溫單軸蠕變試驗測得的黏彈性力學(xué)指標(biāo)的影響規(guī)律以及瀝青混合料的級配組成和空隙率對其水穩(wěn)定性的影響機制，以便為制定科學(xué)、合理的瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法提供參考。

1　瀝青混合料設(shè)計

瀝青選用韓國SK-70，粗細集料分別選用玄武巖、石灰?guī)r［16-17］。

試驗用的瀝青混合料為 AC-13，結(jié)合 I法和Superpave法進行其級配設(shè)計，即利用Superpave法中提出的限制區(qū)，確定AC-13細粒式密級配瀝青混凝土的級配，級配AC-13的禁區(qū)區(qū)域篩孔尺寸為0.30～2.36 mm，所設(shè)計的級配2接近這一區(qū)域下方，級配1的粗集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比級配2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高5%，使成型的試件空隙率較大，而級配3處于這一區(qū)域上方，細集料相對較多，成型的試件空隙率較小。AC-13的各級配曲線如圖1所示。

通過馬歇爾試驗，確定最佳瀝青用量以及瀝青混合料的體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)如表1所示［16-17］。

圖1　AC-13級配曲線Fig. 1　Grading curves of AC-13

表1　AC-13各級配最佳瀝青用量Table 1 Optimum asphalt content of AC-13 at all levels

2　瀝青混合料常規(guī)力學(xué)性能

2.1抗壓強度和抗壓回彈模量

抗壓回彈模量是瀝青路面設(shè)計中的重要參數(shù)。我國現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計規(guī)范中分別采用20 ℃和15 ℃時的瀝青混合料抗壓回彈模量，計算瀝青路面路表彎沉和整體性結(jié)構(gòu)層底部彎拉應(yīng)力［2］。測試抗壓回彈模量之前需測得材料的抗壓強度。

選用級配1、級配2、級配3，按照最佳瀝青用量依據(jù)試驗規(guī)程［15］T0704法進行靜壓，分別成型A，B，C和 D 4類試件，試件直徑和高度均滿足（100±2.0）mm要求；A，B和C分別為級配1，2和3瀝青混合料，D為級配1瀝青混合料雙面擊實50次成型時空隙率的試件，主要用于與A進行對比分析空隙率的影響。將4種類型混合料試件各自分為3組：第1組不進行水處理；第2組采用高溫浸水馬歇爾試驗方法進行高溫浸水處理，水浴溫度為60 ℃［15］；第3組進行凍融循環(huán)處理，處理過程為先真空浸水，完后置于冷凍室16 h，達到規(guī)定時間后，再進行60 ℃水浴24 h［15］。針對經(jīng)過不同方式水處理的試件，在試驗溫度為20 ℃時測得的抗壓強度和抗壓回彈模量［15］如表2所示。水處理前后抗壓強度之比和抗壓回彈模量之比分別見圖 2和圖3。

圖2　水處理前后抗壓強度之比Fig. 2　Ratio of compressive strength after and before water intrusion

圖3　水處理前后抗壓回彈模量之比Fig. 3　Ratio of resilient modulus of compression after and before water intrusion

根據(jù)表2和圖2、圖3，可以認(rèn)為：

1） 無論水作用與否，瀝青混合料試件空隙率越小，其抗壓強度和抗壓回彈模量越大。

2） 瀝青混合料試件經(jīng)過凍融循環(huán)和高溫浸水處理后，其抗壓強度和抗壓回彈模量均有所減小；隨著空隙率增大，兩者的減小幅度增大，空隙率為 7%的試件經(jīng)高溫浸水處理后減小幅度達到40%左右，而經(jīng)凍融循環(huán)處理后減小幅度高達50%，高溫浸水對瀝青混合料抗壓強度和回彈模量的影響弱于凍融循環(huán)的影響。

2.2劈裂強度和破壞勁度模量

通過測定高溫浸水和凍融循環(huán)前后瀝青混合料的劈裂強度，可用于評價其水穩(wěn)定性。其中高溫浸水劈裂強度試驗可克服高溫浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗中試件受力方式與實際路面不符的缺陷。依據(jù)馬歇爾擊實方法分別成型A，B，C和D 4類試件，測出每種瀝青混合料的劈裂強度和破壞勁度模量［15］，結(jié)果如表3所示。水處理前后劈裂強度之比和破壞勁度模量之比分別見圖4和圖5。

根據(jù)表3和圖4、圖5，可以認(rèn)為：

1） 無論水作用與否，瀝青混合料試件空隙率越小，試件的劈裂強度和破壞勁度模量一般越大。

表2　抗壓強度Rc和抗壓回彈模量E試驗結(jié)果Table 2 Test results of compressive strength Rcand resilient modulus of compression E MPa

表3　劈裂強度RT和破壞勁度模量ST試驗結(jié)果Table 3 Test results of indirect tension strength RTand broken stiffness modulus STMPa

2） 高溫浸水和凍融循環(huán)處理后的試件劈裂強度和破壞勁度模量均減小，但高溫浸水作用對瀝青混合料力學(xué)性能的影響程度弱于凍融循環(huán)作用的影響。

3） 隨著瀝青混合料空隙率的增大，凍融循環(huán)處理后的試件劈裂強度衰減率減小，高溫浸水處理后的試件劈裂強度衰減率增大，這2種水處理方式下的試件破壞勁度模量衰減率基本呈減小趨勢。這與瀝青混合料級配的差異性和2種水處理方式的影響機制有關(guān)。

圖4　水處理前后劈裂強度之比Fig. 4　Ratio of indirect tension strength after and before water intrusion

4） 當(dāng)瀝青混合料級配相同（A和D類試件）時，因試件壓實度較低，空隙率為7%的D類試件與正常擊實的A類試件相比，其力學(xué)性能受到高溫浸水和凍融循環(huán)的影響均很大，兩者分別使劈裂強度減小 22.6% 和34.7%，破壞勁度模量減小20.5%和31.1%。

圖5　水處理前后破壞勁度模量之比Fig. 5　Ratio of broken stiffness modulus after and before water intrusion

2.3綜合分析

1） 無論水作用與否，隨著空隙率的增大，本文所測試的瀝青混合料常規(guī)力學(xué)指標(biāo)基本上均單調(diào)減小。這是因為瀝青混合料強度主要來自于骨料的嵌擠咬合和骨料之間瀝青的填充黏結(jié)，它們的效應(yīng)會隨著空隙率的增大而減弱。這一影響規(guī)律對于經(jīng)過凍融循環(huán)或高溫浸水的試件同樣存在。這說明：瀝青混合料常規(guī)力學(xué)指標(biāo)受凍融循環(huán)或高溫浸水作用的影響相對有限，它們主要取決于瀝青混合料結(jié)構(gòu)（級配和空隙率）。

2） 凍融循環(huán)或高溫浸水后各個瀝青混合料常規(guī)力學(xué)指標(biāo)的衰減幅度不同。經(jīng)過高溫浸水處理后，瀝青混合料的劈裂強度、破壞勁度模量衰減率均為10%～20%，抗壓強度、抗壓回彈模量的衰減率均為25%～40%；經(jīng)過凍融循環(huán)處理后瀝青混合料常規(guī)力學(xué)指標(biāo)的衰減規(guī)律基本一致，但其幅度更強烈。這是因為與高溫浸水作用相比，水結(jié)冰對瀝青與骨料之間的黏結(jié)甚至集料的骨架結(jié)構(gòu)具有更嚴(yán)重的破壞效應(yīng)。

3） 值得注意的是：隨著空隙率增大，凍融循環(huán)后瀝青混合料抗壓強度和抗壓回彈模量及高溫浸水后瀝青混合料4個力學(xué)性能指標(biāo)的衰減率均增大，但凍融循環(huán)后瀝青混合料劈裂強度和破壞勁度模量的衰減率減小。若按照殘留強度比最大為佳的瀝青混合料水穩(wěn)定性評價原則，前一規(guī)律表明瀝青混合料C類試件（級配3）的水穩(wěn)定性最好，后一規(guī)律表明瀝青混合料A類試件（級配1）的水穩(wěn)定性（抗凍性）最好，而D類試件（壓實度不足時級配1）水穩(wěn)定性最差。評價結(jié)果不同，這與瀝青混合料結(jié)構(gòu)（級配和空隙率）及其不同受力模式中所表現(xiàn)的力學(xué)行為和2種水作用機理有關(guān)。

凍融循環(huán)試驗中試件經(jīng)歷真空飽水、凍融和高溫水浴3個階段。真空飽水時水分較容易進入試件的孔隙中，相應(yīng)地水分易于滲入瀝青與集料的界面上，降低瀝青黏附性，并對瀝青起到乳化作用，從而降低瀝青混合料強度。凍融和高溫水浴會使瀝青膜進一步乳化。在飽水狀態(tài)下冰凍，空隙小的試件盡管吸水少，但在冰凍過程中水難以排出試件。試件由表面向內(nèi)部逐漸結(jié)冰，首先表面結(jié)冰會封住與外界的連通空隙，雖然其后內(nèi)部水結(jié)冰體積膨脹，但因水量少，膨脹量有限，孔壁阻力會抵消部分膨脹力（孔愈小阻力愈大），部分膨脹力會通過將水?dāng)D進被瀝青膜封閉的集料間空隙中而釋放，而余下的膨脹力不足以破壞試件表面冰膜。由于細小空隙中的水分冰點低，會逐漸向結(jié)冰處聚集，最終試件內(nèi)部的飽和水會全部成冰，造成試件內(nèi)部體積膨脹而破壞材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而大幅度降低試件強度。對于空隙率較大的試件，盡管其內(nèi)部水較多，結(jié)冰膨脹量較大，會產(chǎn)生很大的膨脹力，但通過將一部分水排出試件，另一部分水?dāng)D進瀝青膜封閉的空隙，可以釋放掉大部分膨脹力，從而減小冰凍作用。因此，隨著空隙率的增大，瀝青混合料凍融循環(huán)后的劈裂強度衰減率減小。瀝青混合料的強度來源于集料的嵌擠咬合和瀝青的黏結(jié)力。在受拉時劈裂強度主要取決于瀝青的黏結(jié)力，在受壓時抗壓強度取決于瀝青的黏結(jié)力和集料的嵌擠咬合程度。盡管凍融循環(huán)極大地削弱了瀝青的黏結(jié)力和集料的嵌擠咬合，但受壓時集料間隙又重新縮小而嵌擠咬合作用增強，同時，原來剝離的瀝青膜又會部分黏附在集料表面重新發(fā)揮一定的黏結(jié)作用，對于空隙小的瀝青混合料，這種現(xiàn)象會更加明顯，因此，凍融循環(huán)后的瀝青混合料抗壓性能（抗壓強度和抗壓回彈模量）隨著空隙率的降低而衰減率減小。對于高溫浸水處理的試件，水作用方式單一，僅侵入瀝青膜與骨料之間而破壞二者的黏結(jié)及促使瀝青乳化，不像凍融循環(huán)過程會產(chǎn)生冰凍擠入與凍脹作用，并且隨著空隙率的減小，水更加難以進入試件內(nèi)部而侵入瀝青膜與骨料之間，故高溫浸水的影響更加有限。

3　瀝青混合料高溫性能

3.1 高溫穩(wěn)定性試驗評價方法

3.2試驗方案

3.2.1試件制備

對A，B，C和D這4類瀝青混合料，分別靜壓成型直徑和高度均為（100±2） mm的圓柱體試件。

3.2.2試驗參數(shù)

1） 試驗溫度。因在較低溫度下瀝青混合料的蠕變變形比較小，此時蠕變試驗測試結(jié)果不便于區(qū)分不同瀝青混合料的高溫性能，故選用較高溫度45 ℃作為試驗溫度，此溫度也接近于瀝青軟化點。

2） 應(yīng)力水平。因凍融循環(huán)和高溫浸水處理后的試件強度下降，若對試件施加較高的荷載應(yīng)力，可能使試件產(chǎn)生過大的蠕變變形甚至破壞，故選用較低的荷載應(yīng)力0.1 MPa。

3） 保溫時間。將成型好的試件放入環(huán)境箱中，在箱內(nèi)環(huán)境溫度45 ℃下保溫6 h。

3.2.3試驗過程

例句：The idea has been around for ages without catching on.

首先對試件預(yù)加10 min的荷載壓力0.01 MPa，然后瞬時施加荷載壓力0.1 MPa，持續(xù)60 min，最后瞬時卸載到0.01 MPa，并穩(wěn)定60 min。采集整個加載卸載過程中隨時間變化的試件變形結(jié)果。

3.3試驗結(jié)果及分析

3.3.1試驗結(jié)果

將A，B，C和D這4種試件分別在無水、凍融循環(huán)和高溫浸水處理條件下進行靜態(tài)蠕變試驗，結(jié)果如圖6所示。從圖6可見：

試件：（a） A；（b） B；（c） C；（d） D1—無水條件；2—高溫浸水；3—凍融循環(huán)。圖6 蠕變試驗曲線Fig. 6　Creep curves by test

1） 經(jīng)過凍融循環(huán)和高溫浸水處理后，試件整體蠕變變形量均遠遠超過無水時的變形量，說明這2種水作用極大地削弱了瀝青混合料抵抗高溫變形的能力。

2） 試件經(jīng)歷600 s預(yù)壓后瞬時加載時，產(chǎn)生了瞬時彈性變形，在極短時間內(nèi)變形量急速增長，變形曲線幾乎呈垂線；然后，隨著恒定加載過程的進行，蠕變變形進入穩(wěn)定期，其變化速率逐漸減弱并趨于穩(wěn)定，此為延遲彈性變形。伴隨著卸載，瀝青混合料即出現(xiàn)瞬時彈性恢復(fù)，接著經(jīng)歷短時延遲彈性恢復(fù)后，呈現(xiàn)出變形穩(wěn)定在某一值，此殘余變形即為瀝青混合料的永久變形。試驗結(jié)果表明：高溫浸水處理的瀝青混合料的永久變形均小于凍融循環(huán)時的永久性變形，但又大于無水條件下的永久性變形。

3.3.2結(jié)果分析

在靜態(tài)蠕變試驗中，一般采用黏滯勁度模量來反映瀝青混合料高溫時的力學(xué)性能，它是瀝青混合料所受荷載應(yīng)力與其永久變形的比值。對于靜態(tài)蠕變穩(wěn)定期，可以采用蠕變速率來評價瀝青混合料抵抗高溫變形的能力：

式中：εs為蠕變速率，（s·MPa）-1；t1和t2分別為蠕變穩(wěn)定期起始點和終止點對應(yīng)的時刻，s；ε1和ε2分別為對應(yīng)于t1和t2時刻的蠕變應(yīng)變；σ0為荷載應(yīng)力，MPa。

各種方式水處理后由瀝青混合料蠕變試驗測得的蠕變勁度模量（即加載結(jié)束時永久變形所對應(yīng)的黏滯勁度模量）如表4所示。

根據(jù)圖6所示瀝青混合料蠕變曲線，選定1 500 s 和4 200 s作為蠕變穩(wěn)定期的起終點時刻，根據(jù)式（1）計算穩(wěn)定期試件的蠕變速率，結(jié)果如表5所示。水處理前后蠕變速度之比見圖7。從表4、表5和圖7可以看到：

表4　蠕變勁度模量試驗結(jié)果Table 4 Test results of creep stiffness modulus MPa

表5　水處理前后的蠕變速率Table 5 Creep speeds before and after water treatment （103·s·Pa）-1

圖7　水處理前后蠕變速率之比Fig. 7　Ratio of creep speed after and before water intrusion

1） 凍融循環(huán)和高溫浸水處理會較大幅度地降低試件的蠕變勁度模量，分別達到70%和60%左右。

無論有無水的作用，試件的蠕變勁度模量與試件的級配和空隙率等多種因素有關(guān)，并不隨著空隙率的增大而單調(diào)增大或減小。如在受壓條件下，抗變形能力不僅與空隙率有關(guān)，而且與級配結(jié)構(gòu)有關(guān)，如瀝青混合料B與D試驗結(jié)果的差異性也是如此。

一般地，瀝青混合料級配曲線通過Superpave禁區(qū)上方、含較多的細集料且具有適宜的空隙率（級配3），或瀝青混合料級配曲線通過Superpave禁區(qū)下方、含較多的粗集料且具有較大的空隙率（級配1），此時瀝青混合料具有較高的蠕變勁度模量，即有較強的抗高溫變形能力。對于同樣級配的瀝青混合料A和D，因D的空隙率大，其高溫穩(wěn)定性較差。

2） 無論有無水的作用，隨著空隙率增大，瀝青混合料的蠕變速率增大，且其增長速率加快。其中，瀝青混合料C的蠕變速率最小，其抗高溫變形能力最強。所對應(yīng)的級配3曲線通過Superpave禁區(qū)上方，含較多的細集料，并具有適宜的空隙率。

高溫浸水對蠕變速率的影響遠遠弱于凍融循環(huán)的影響，隨著空隙率增大，試件蠕變速率的增長呈倍數(shù)增大，例如空隙率為7%的混合料D經(jīng)過凍融循環(huán)和高溫浸水處理后的蠕變速率分別為無水時的 18倍和5倍。并且空隙率越大的試件受到的凍融循環(huán)破壞更嚴(yán)重，試件抗高溫變形能力急劇衰減，穩(wěn)定期的蠕變速率大幅度增大。

根據(jù)凍融循環(huán)處理后的劈裂強度和蠕變速率的結(jié)果對比可以發(fā)現(xiàn)：凍融循環(huán)對瀝青混合料的抗拉強度破壞能力和抗高溫變形能力的影響程度有所不同。根據(jù)凍融循環(huán)前后瀝青混合料殘留劈裂強度比分析，空隙率約為 5%的瀝青混合料抗凍性最佳，但此時將降低其高溫穩(wěn)定性。

3.3.3黏彈性分析

采用圖8所示的Burgers模型描述圖6中瀝青混合料蠕變曲線。

第1階段加載：施加荷載應(yīng)力Δσ1=0.01 MPa，恒定時間t1=600 s。

圖8　Burgers黏彈性模型Fig. 8　Burgers visco-elastical model

表6　黏彈性模型參數(shù)Table 6 Values of parameters in visco-elastical model

第2階段加載：施加荷載應(yīng)力Δσ2=0.1 MPa，恒定時間t2=4 200 s。

式中：η1和η2為圖 8中黏壺元件的黏性系數(shù)；E1和E2為圖8中彈簧元件的彈性模量；τ=η2/E2，為延遲時間。利用圖6中數(shù)據(jù)，對于式（2）和（3）中的黏彈性參數(shù)E1，η1，E2，τ及η2=E2τ，采用Levenberg-Marqurdt和全局優(yōu)化方法回歸，結(jié)果如表6所示。

從表6可見：水作用對瀝青混合料的各個黏彈性參數(shù)E1，η1，E2，τ及η2的影響程度不同，其中黏壺元件的黏性系數(shù)η1和η2以及彈簧元件的彈性模量E1和E2一般減小，特別是經(jīng)過凍融循環(huán)處理后減小幅度更明顯，而延遲時間τ卻大幅度地增長。因此，凍融循環(huán)或高溫浸水作用極不利于瀝青混合料的抗高溫穩(wěn)定性。

4　結(jié)論

1） 無論有無水的作用，隨著瀝青混合料空隙率的增大，其強度與模量等常規(guī)力學(xué)指標(biāo)值均減小，高溫蠕變速率增大。其中高溫蠕變勁度模量的變化與瀝青混合料的空隙率、級配以及受壓狀態(tài)有關(guān)。

2） 凍融循環(huán)和高溫浸水的作用會嚴(yán)重降低瀝青混合料的力學(xué)性能，而前者的影響更嚴(yán)重，當(dāng)瀝青混合料空隙率達到7%時水作用的不利影響最顯著。

3） 可采用Burgers模型描述水損害前后的瀝青混合料蠕變變形。水作用對瀝青混合料的各個黏彈性參數(shù)的影響程度不同，其中黏壺元件的黏性系數(shù)和彈簧元件的彈性模量一般減小，特別是經(jīng)過凍融循環(huán)處理后減小幅度更加明顯，而延遲時間大幅度地增長。因此，凍融循環(huán)或高溫浸水作用將降低瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

4） 根據(jù)不同受力狀態(tài)（如受拉和受壓）下的瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)在水作用前后的變化，對其水穩(wěn)定性的評價結(jié)果可能不同，如凍融循環(huán)前后瀝青混合料B和C的抗壓強度和劈裂強度比值的差異性。應(yīng)綜合考慮水穩(wěn)定性和其他路用性能（如高溫穩(wěn)定性）的要求，并且不一定繼續(xù)沿用水作用前后比值作為評價水穩(wěn)定性的指標(biāo)，也可采用水作用后的強度指標(biāo)是否達到路面結(jié)構(gòu)抗破壞能力的要求作為評價依據(jù)。

5） 本文采用的馬歇爾高溫浸水試驗條件還不能充分地反映瀝青混合料在野外環(huán)境條件下動壓水的不利影響，有必要繼續(xù)增強水作用措施，如動水沖刷與高溫浸水的循環(huán)作用甚至真空飽水等。

［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］. 北京： 人民交通出版社， 2004： 69-156.SHEN Jinan， LI Fupu， CHEN Jing. Analysis and preventive techniques of premature damage of asphalt pavement in expressway［M］. Beijing： People Communications Press， 2004：69-156.

［2］ JTG D50—2006， 公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范［S］. JTG D50—2006， Specifications for design of highway asphalt pavement［S］.

［3］ JTG F40—2004， 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］. JTG F40—2004， Technical specifications for construction of highway asphalt pavement［S］.

［4］ 楊瑞華， 許志鴻， 李宇峙. 瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法研究［J］. 同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2007， 35（11）： 1486-1491.YANG Ruihua， XU Zhihong， LI Yuzhi. Research on evaluation method for moisture susceptility of asphalt mixture［J］. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2007， 35（11）： 1486-1491.

［5］ 張遠航， 吳國雄， 孟巧娟. 纖維瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法研究［J］. 重慶交通大學(xué)學(xué)報， 2008， 27（2）： 244-247.ZHANG Yuanhang， WU Guoxiong， MENG Qiaojuan. Research on moisture susceptibility evaluation of fiber asphalt mixture［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University， 2008， 27（2）：244-247.

［6］ 王樂， 梁乃興， 劉柳. 濕熱地區(qū)瀝青混合料水穩(wěn)定性評價方法研究［J］. 重慶交通大學(xué)學(xué)報， 2008， 27（4）： 580-583.WANG Le， LIANG Naixing， LIU Liu. Study on the water stability of asphalt mixture in hot and damp region［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University， 2008， 27（4）： 580-583.

［7］ 方楊， 李善強， 劉宇. 廠拌熱再生瀝青混合料水穩(wěn)定性能研究［J］. 重慶交通大學(xué)學(xué)報， 2013， 32（5）： 961-964.FANG Yang， LI Shanqiang， LIU Yu. Water stability of central plant hot recycling mixtures［J］. Journal of Chongqing Jiaotong University， 2013， 32（5）： 961-964.

［8］ 劉唐志， 朱洪洲， 李佳坤， 等. 溫拌再生瀝青混合料水穩(wěn)定性研究［J］. 武漢理工大學(xué)學(xué)報， 2013， 35（3）： 54-58.LIU Tangzhi， ZHU Hongzhou， LI Jiakun， et al. Research on water stability of warm-recycled asphalt mixture［J］. Journal of Wuhan University of Technology， 2013， 35（3）： 54-58.

［9］ 張宏超， 孫立軍. 瀝青混合料水穩(wěn)定性能全程評價方法研究［J］. 同擠大學(xué)學(xué)報， 2002， 30（4）： 422-426.ZHANG Hongchao， SUN Lijun. Research on methods for evaluating water stability of hot mixed asphalt［J］. Journal of Tongji University， 2002， 30（4）： 422-426.

［10］ 潘寶峰， 王哲人， 陳靜云. 瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能的試驗研究［J］. 中國公路學(xué)報， 2003， 16（2）： 1-4.PAN Baofeng， WANG Zheren， CHEN Jingyun. Test and study of the alternate freezing and thawing capability of the bituminous mixture［J］. China Journal of Highway and Transport，2003， 16（2）： 1-4.

［11］ 譚憶秋， 李曉琳， 胡斌. 動水作用對瀝青混合料低溫抗裂性的影響［J］. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2010， 42（1）： 119-122.TAN Yiqiu， LI Xiaolin， HU Bin. Influence of dynamic water on the anti-cracking performance of asphalt mixture at low temperature［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2010，42（1）： 119-122.

［12］ 周志剛， 蔣騰騰， 姜旺恒. 高溫濕熱地區(qū)瀝青混合料抗水損害性能評價［J］. 長沙理工大學(xué)學(xué)報， 2013， 10（2）： 8-14.ZHOU Zhigang， JIANG Tengteng， JIANG Wangheng. Evaluation of asphalt mixture resistance to water damage in high temperature hot and hunid region［J］. Journal of Changsha University of Science and Technology， 2013， 10（2）： 8-14.

［13］ AHMAD J， YUSOFF N I M， HAININ M R， et al. Investigation into hot-mix asphalt moisture-induced damage under tropical climatic conditions［J］. Construction and Building Materials，2013， 50： 567-576.

［14］ LIU Yawen， APEAGYEI A， AHMAD N， et al. Examination of moisture sensitivity of aggregate-bitumen bonding strength using loose asphalt mixture and physico-chemical surface energy property tests［J］. International Journal of Pavement Engineering，2014， 15（7）： 657-670.

［15］ JTJ 052—2000， 瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程［S］. JTJ 052—2000， Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering［S］.

［16］ 羅蘇平. 高溫多雨地區(qū)瀝青路面病害環(huán)境與多場耦合效應(yīng)研究［D］. 長沙： 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 2012： 89-91. LUO Suping. Pavement disease environment and dynamic coupling analysis of asphalt pavement in high temperature and rainy area［D］. Changsha： Central South University. School of Civil Engineering， 2012： 89-91.

［17］ 沙曉鵬. 瀝青混合料水作用后性能的變化及抗水損害指標(biāo)研究［D］. 長沙： 長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院， 2011： 8-18.SHA Xiaopeng. Research on the performance changes of asphalt mixture after water action and its index of resistant water damage［D］. Changsha： Changsha University of Science & Technology. College of Traffic and Transportation Engineering，2011： 8-18.

［18］ 沈金安. 瀝青與瀝青混合料路用性能［M］. 北京： 人民交通出版社， 2001： 308-346.SHEN Jinan. Pavement performance of bitumen and bituminous mixtures［M］. Beijing： People Communications Press， 2001：308-346.

（編輯 陳燦華）

Effect of water intrusion on performance of asphalt mixture

ZHOU Zhigang1， LIU Xuguang1， LUO Suping2， SHA Xiaopeng1

（1. Key Laboratory of Road Structure and Material， Ministry of Transport of People’s Republic of China，Changsha University of Science and Technology， Changsha 410004， China；
2. Bureau of Quality Supervision and Management of Traffic Engineering in Hainan Province， Haikou 571100， China）

Different types of asphalt mixture with different gradations and percent air voids were designed. Tests on their indirect tension strength， compressive strength， resilient modulus of compression and static creep under single axle compressing were taken to study the effects of two forms of water intrusion （freeze-thaw cycle and hot water immersion）on asphalt mixture’s common mechanics properties and high temperature stability. The results show that water intrusion decreases asphalt mixture’s performance seriously and the effect of hot water immersion on asphalt mixture’s performance is far weaker than that of freeze-thaw cycle. Asphalt mixture’s performance is related to its gradation and voidage. Coarse aggregate forms skeleton and the effect of fine aggregate is filled in gap. It forms asphalt mixture with suitable voidage， so water stability is strong. Burgers model can be used to describe asphalt mixture creep performance before and after water damage， and its model parameters will change when there is water. The deformation ability of asphalt mixture is seriously affected by freeze-thaw cycle and hot water immersion. The evaluating results of water stability may be different with the change of the mechanics index of asphalt mixture under different loads such astension or compression before and after water intrusion. It should be comprehensively considered the demand of water stability and other road performances such as high temperature stability.

asphalt mixture； water damage； gradation； voidage； mechanics properties； high temperature stability

U414.75

A

1672-7207（2016）04-1359-09

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.04.036

2015-04-20；

2015-06-25

國家自然科學(xué)基金資助項目（51378084）；江西省交通科技項目（2011C0063）；海南省交通科技項目（JT20090898002）（Project （51378084） supported by the National Natural Science Foundation of China； Project （2011C0063） supported by the Traffic Science and Technology of Jiangxi Province； Project （JT20090898002） supported by the Traffic Science and Technology of Hainan Province）

周志剛，教授，博士生導(dǎo)師，從事道路工程領(lǐng)域研究；E-mail：zhou_zgcs@sina.com