瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

祝海折, 張曉燕， 李智慧

(山西省交通科學(xué)研究院， 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030006)

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瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)研究

祝海折, 張曉燕， 李智慧

(山西省交通科學(xué)研究院， 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 太原 030006)

為了有效評(píng)價(jià)不同類(lèi)型瀝青混合料的水穩(wěn)定性，選用常規(guī)水穩(wěn)定性試驗(yàn)、浸水車(chē)轍試驗(yàn)、漢堡車(chē)轍試驗(yàn)3種試驗(yàn)方法分別對(duì)5種瀝青混合料下進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)，并采用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，改性瀝青能很好的改善瀝青混合料的抗水損壞能力；通過(guò)對(duì)比分析常規(guī)水穩(wěn)定性試驗(yàn)和浸水車(chē)轍試驗(yàn)并不能很好的區(qū)分不同類(lèi)型瀝青混合料水穩(wěn)定性的優(yōu)劣，受選取評(píng)價(jià)的指標(biāo)影響較大；漢堡車(chē)轍試驗(yàn)方法能夠有效的評(píng)價(jià)不同類(lèi)型瀝青混合料水穩(wěn)性。

浸水馬歇爾試驗(yàn)； 凍融劈裂試驗(yàn)； 浸水車(chē)轍； 漢堡車(chē)轍

0 引言

瀝青路面水損害主要是水經(jīng)由瀝青混合料的孔隙進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部后，在車(chē)輛動(dòng)水壓力和真空泵吸沖刷的共同作用下，瀝青膜產(chǎn)生微裂紋，水分通過(guò)微裂紋逐漸滲入到瀝青與礦料的界面，造成瀝青膜逐漸喪失黏結(jié)能力，瀝青膜從礦料表面逐漸剝離，致使瀝青混合料松散剝落，進(jìn)而使瀝青路面發(fā)生整體性破壞的現(xiàn)象。

查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，目前評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的試驗(yàn)方法主要有AASHTO的凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、洛特曼試驗(yàn)、、改進(jìn)的洛特曼試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、磨耗試驗(yàn)、Tunniclif-fRoot試驗(yàn)、浸水壓縮試驗(yàn)、德克薩斯凍融基座試驗(yàn)、SHRP的環(huán)境條件試驗(yàn)系統(tǒng)(ECS)、以劈裂試驗(yàn)為基礎(chǔ)的洛特曼試驗(yàn)、改進(jìn)的洛特曼試驗(yàn)、Tunniclif-fRoot試驗(yàn)，以及我國(guó)的凍融劈裂試驗(yàn)，都是在室內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)方法來(lái)模擬瀝青混合料水損壞，不能反映交通荷載動(dòng)水壓力作用下瀝青混合料的水穩(wěn)定性能。

漢堡車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬實(shí)際瀝青路面在動(dòng)水壓力反復(fù)沖刷下發(fā)生水損害的條件和狀態(tài)，能夠較真實(shí)的反映瀝青混合料抗損壞的能力。本文選用常規(guī)水穩(wěn)定性試驗(yàn)、浸水車(chē)轍試驗(yàn)以及漢堡車(chē)轍試驗(yàn)等3種方法分別對(duì)5種瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性試驗(yàn)，并采用不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體評(píng)價(jià)情況揭示了靜態(tài)試驗(yàn)方法存在的問(wèn)題以及漢堡車(chē)轍試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。

1 試驗(yàn)材料

本文采用瀝青殼牌90#基質(zhì)瀝青，SBS改性瀝青，碎石采用優(yōu)質(zhì)集料，指標(biāo)符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)的技術(shù)要求。瀝青混合料級(jí)配采用骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，配合比采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法。集料級(jí)配和最佳瀝青用量見(jiàn)表1，表2。

表1 瀝青混合料級(jí)配Table1 Gradationsofasphaltmixtures級(jí)配類(lèi)型篩孔尺寸(mm)通過(guò)率/%26.519.016.013.29.5AC—20100.099.394.077.855.9AC—13100.0100.098.689.969.3SMA—16100.0100.090.771.7篩孔尺寸(mm)通過(guò)率/%4.752.361.180.60.30.150.07538.026.022.517.913.59.16.643.131.426.720.815.19.56.522.017.716.514.413.211.710.2

表2 瀝青混合料最佳瀝青用量Table2 Theoptimumasphaltcontentofasphaltmixtures級(jí)配類(lèi)型試驗(yàn)參數(shù)改性瀝青基質(zhì)瀝青AC—13最佳油石比/%4.94.8AC—20最佳油石比/%4.14.0SMA—16最佳油石比/%5.8

2 試驗(yàn)方案

2.1 常規(guī)水穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了便于漢堡車(chē)轍試驗(yàn)與浸水車(chē)轍試驗(yàn)比較，本文進(jìn)行了瀝青混合料常規(guī)水穩(wěn)性試驗(yàn)，即浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)選取前面介紹的5中瀝青混合料普通瀝青混合料AC — 13、AC — 20，SBS改性瀝青混合料AC — 13、AC — 20，瀝青瑪蹄脂瀝青混合料SMA — 16進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3試驗(yàn)結(jié)果可知： 不同瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度均滿(mǎn)足大于75%的要求，凍融劈裂強(qiáng)度比也滿(mǎn)足SHRP建議的大于70%的要求，室內(nèi)試驗(yàn)都表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性，這跟現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面水損壞的調(diào)查結(jié)果是截然不同的。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性明顯優(yōu)于普通瀝青混合料的水穩(wěn)定性，但是同類(lèi)型瀝青膠結(jié)料混合料試驗(yàn)各結(jié)果之問(wèn)差異較小。普通瀝青混合料AC — 13與普通瀝青混合料AC — 20殘留穩(wěn)定度指標(biāo)僅差0.8%，改性瀝青混合料AC — 13與改性瀝青混合料AC — 20殘留穩(wěn)定度指標(biāo)相差0.7%，但是SMA — 16殘留穩(wěn)定度比并不優(yōu)于密級(jí)配瀝青混合料。從凍融劈裂強(qiáng)度比TSR指標(biāo)方面分析，也存在類(lèi)似的問(wèn)題，很難比較瀝青混合料水穩(wěn)定性的差異，都表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性，分析原因主要在于試驗(yàn)方法有很大的關(guān)系，馬歇爾試驗(yàn)雙面擊實(shí)，形成的空隙率較小，靜態(tài)狀態(tài)下水分很難進(jìn)入混合料內(nèi)部，難以造成水損壞，因此，常規(guī)水穩(wěn)定性試驗(yàn)并不能很好的區(qū)分不同類(lèi)型瀝青混合料水穩(wěn)定性的優(yōu)劣。

表3 浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table3 TheresultsofimmersionMarshalltestandfreezethawsplittest級(jí)配類(lèi)型瀝青類(lèi)型殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強(qiáng)度比TSR/%AC—13殼牌90#86.883.4AC—13SBS改性瀝青93.386.0AC—20殼牌90#85.483.5AC—20SBS改性瀝青94.085.5SMA—16SBS改性瀝青93.685.4

2.2 浸水車(chē)轍試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用浸水車(chē)轍試件的車(chē)轍深度，動(dòng)穩(wěn)定度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來(lái)表征瀝青混合料的水穩(wěn)定性。在進(jìn)行浸水車(chē)轍試驗(yàn)時(shí)，將試件放在60 ℃空氣中保溫6～12 h，再放入60 ℃恒溫水槽中進(jìn)行浸水車(chē)轍試驗(yàn)，其它試驗(yàn)步驟同JTGE20 — 2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的要求。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 浸水車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果Table4 TheresultsofImmersionruttingtest級(jí)配類(lèi)型瀝青類(lèi)型動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)車(chē)轍深度/mmAC—13殼牌90#9834.69AC—13SBS改性瀝青52212.27AC—20殼牌90#10785.05AC—20SBS改性瀝青56362.34SMA—16SBS改性瀝青64181.94

由表4試驗(yàn)結(jié)果可知： 無(wú)論改性瀝青混合料還普通瀝青混合料，浸水車(chē)轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度都能滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于瀝青混合料的非浸水車(chē)轍試驗(yàn)的普通瀝青混合料大于800次/mm，改性瀝青混合料大于2400次/mm，SMA瀝青瑪蹄脂瀝青混合料大于3000次/mm的動(dòng)穩(wěn)定要求，并且都沒(méi)有產(chǎn)生水損害，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)混合料骨料剝落現(xiàn)象，這可能跟試驗(yàn)時(shí)間短，荷載作用次數(shù)有限有直接關(guān)系。但是無(wú)論根據(jù)動(dòng)穩(wěn)定度、車(chē)轍深度還是相對(duì)變形率指標(biāo)評(píng)價(jià)，改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性都要優(yōu)于普通瀝青混合料。因此改性瀝青對(duì)于改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性起到積極的作用，SMA — 16瀝青瑪蹄脂瀝青混合料的抗水損壞能力更加顯著。分析原因主要是由于木質(zhì)素纖維經(jīng)過(guò)聚合物的包裹加之其亂向分布，形成纖維 — 礦粉瀝青膠漿，在瀝青混合料骨架內(nèi)部起到加筋補(bǔ)強(qiáng)作用，降低了瀝青混合料的滲透性，水分難以在混合料內(nèi)部遷移流動(dòng)，增強(qiáng)了其抗水損害能力。

根據(jù)動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)對(duì)5種混合料水穩(wěn)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)可以發(fā)現(xiàn)： SMA — 16>改性AC — 20>改性AC — 13>普通AC — 20>普通AC — 13；根據(jù)車(chē)轍深度指標(biāo)對(duì)5種混合料水穩(wěn)性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)可以發(fā)現(xiàn)：SMA — 16>改性AC — 13>改性AC — 20>普通AC — 13>普通AC — 20。采用兩種不同的水穩(wěn)定評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出不同的評(píng)價(jià)結(jié)果。出現(xiàn)此種情形主要是因?yàn)閲?guó)內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)存在兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相同而它們的永久形變卻有明顯差別的情況。所以依照浸水車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)性時(shí)，其水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果優(yōu)劣與選定指標(biāo)有很大的關(guān)系，不能很好地區(qū)分尤其是改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的優(yōu)劣。

2.3 漢堡車(chē)轍試驗(yàn)

按照前面瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的結(jié)果，成型漢堡車(chē)轍試件，漢堡車(chē)轍試驗(yàn)普通瀝青混合料和改性瀝青混合料均采用水浴55 ℃試驗(yàn)條件，采用車(chē)轍深度(試驗(yàn)終止時(shí)最大車(chē)轍深度)、蠕變斜率、剝落點(diǎn)和碾壓次數(shù)(自試驗(yàn)開(kāi)始到結(jié)束荷載輪碾壓次數(shù))作為漢堡車(chē)轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 漢堡車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果Table5 TheresultofHamburgwheeltrackingtest級(jí)配類(lèi)型瀝青類(lèi)型車(chē)轍深度/mmAC—13殼牌90#20.00AC—13SBS改性瀝青16.43AC—20殼牌90#20.00AC—20SBS改性瀝青14.69SMA—16SBS改性瀝青12.38蠕變斜率/%剝落點(diǎn)/次荷載次數(shù)/次0.0007066723149360.00035713162200000.0006366795150620.00029114647200000.0002171625620000

根據(jù)表5的試驗(yàn)結(jié)果可知: 無(wú)論從車(chē)轍深度、蠕變斜率、剝落點(diǎn)和碾壓次數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析，改性瀝青混合料的抗水損壞能力都優(yōu)于普通瀝青混合料的抗水損壞能力。

蠕變斜率反映的是瀝青混合料在動(dòng)水壓力、高溫和重載共同作用下的變形速率，其值越小表明其變形速率越慢，說(shuō)明瀝青混合料在動(dòng)水壓力作用下的抗水損害能力越強(qiáng)，由蠕變斜率判定5種瀝青混合料的水穩(wěn)定性：SMA — 16>改性AC — 20>改性AC — 13>普通AC — 20>普通AC — 13。由剝落點(diǎn)、荷載作用次數(shù)指標(biāo)來(lái)判定水穩(wěn)定性SMA — 16>改性AC — 20>改性AC — 13>普通AC — 20>普通AC — 13。由車(chē)轍深度指標(biāo)判定混合料水穩(wěn)性：SMA — 16>改性AC — 20>改性AC — 13>普通AC — 13、普通AC — 20，兩種普通瀝青混合料都是抵抗不了高溫動(dòng)水壓力重載的作用，車(chē)轍深度達(dá)到20 mm時(shí)試驗(yàn)終止。由試驗(yàn)結(jié)果看出當(dāng)采用漢堡車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行瀝青混合料水穩(wěn)定性分析時(shí)，無(wú)論依據(jù)哪種指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)得到的判定結(jié)果都是一致的，從而避免了浸水車(chē)轍出現(xiàn)的由于評(píng)定指標(biāo)不同而導(dǎo)致判定紊亂的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

① 改性瀝青混合料的抗水損壞能力明顯優(yōu)于普通瀝青混合料，改性劑可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

② 依照常規(guī)水穩(wěn)定試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)性時(shí)，其水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)結(jié)果與選定指標(biāo)有很大的關(guān)系，不能很好地區(qū)分尤其是改性瀝青混合料水穩(wěn)定性的優(yōu)劣。

③ 漢堡車(chē)轍試驗(yàn)?zāi)軌蚝芎玫哪M實(shí)際瀝青路面在動(dòng)水壓力反復(fù)沖刷下發(fā)生水損害的條件和狀態(tài)，并且試驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)，荷載作用次數(shù)達(dá)到20000次，能夠真實(shí)的反映瀝青混合料抗損壞的能力，能夠很好的區(qū)分不同瀝青混合料的抗水損壞能力。

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Research on the Water Stability of Asphalt Mixture

ZHU Haizhe, ZHANG Xiaoyan， LI zhihui

(Shanxi Provincial Research Institute of Communication, Research on Highway and Traffic Engineering, Key Highway Laboratory of Construction & Maintenance in Loess Region, Taiyuan,Shanxi 030006, China)

To evaluate the water stability of different types of asphalt mixture effectively, this paper adopts three kinds of test methods, including the conventional water stability test, immersion rutting test and Hamburg rutting test, to evaluate the water stability of five kinds asphalt mixtures through different evaluation index. The test results show that the modified asphalt can improve the anti water damage ability of asphalt mixture; The comparative analysis of this three test methods shows that the conventional water stability test and the immersion rutting test cannot distinguish the good or bad of different kinds of asphalt mixture quality; The evaluation results are influenced greatly by the selected evaluation index; Hamburg rutting test can evaluate water stability of different types of asphalt mixture effectively.

immersion marshall test; freeze thaw split test; immersion rutting test; hamburg wheel tracking test

2015 — 03 — 26

山西省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(20130102)

祝海折(1983 — )，男，山東菏澤人，工程師，工學(xué)碩士，主要從事瀝青路面材料結(jié)構(gòu)研究及咨詢(xún)工作。

U 414.1

A

1674 — 0610(2016)05 — 0212 — 03