長期浸水作用對瀝青混合料粘聚性的影響研究*

徐 淵 高俊啟 魯洪強 王召強

(南京航空航天大學航空宇航學院1) 南京 210016) (青島市市政工程設計研究院有限責任公司2) 青島 266101)

長期浸水作用對瀝青混合料粘聚性的影響研究*

徐 淵1)高俊啟1)魯洪強2)王召強2)

(南京航空航天大學航空宇航學院1)南京 210016) (青島市市政工程設計研究院有限責任公司2)青島 266101)

將現(xiàn)場取芯的上、中、下面層的瀝青混合料試件分組并長期放置于水中，每隔3個月測定試件的質(zhì)量吸水率，采用劈裂試驗及無側限抗壓強度試驗測定試件的劈裂抗拉強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角，運用2種擬合方法對瀝青混合料試件粘結力和內(nèi)摩擦角變化趨勢進行擬合.結果表明,瀝青混合料試件初期階段吸水率迅速增加，后期水分進入微空隙，吸水率增加緩慢；試件劈裂抗拉強度隨浸水時間的增加而減小；長期水作用下瀝青膜與集料之間粘附性下降，粘聚力隨浸水時間增加大致呈線性變化，內(nèi)摩擦角隨浸水時間變化大致呈2次拋物線變化.

瀝青混合料；水損壞；粘聚力；內(nèi)摩擦角

0 引 言

瀝青路面由于具有表面平整、行車舒適、噪聲低、養(yǎng)護維修方便等優(yōu)點而廣泛應用于大部分高等級路面.水損害是瀝青路面主要的早期破壞形式之一，水損害一般會導致路面結構性破壞和耐久性降低，并可誘發(fā)其他道路病害，如坑槽、剝落等，從而影響道路的使用壽命.

早期破壞是在未達到使用壽命之前發(fā)生的非極限損壞[1].造成瀝青路面早期破壞的原因，除了環(huán)境因素和交通荷載的作用以外，水損害是最主要的原因之一.首先自由水侵入瀝青使瀝青粘附性減小，從而導致瀝青混合料的強度及勁度降低；其次是水進入瀝青薄膜和集料表面之間，與具有天然親水性的集料充分作用后代替原來裹覆在集料表面的瀝青膜，使得瀝青與集料表面的接觸面減小，使瀝青從集料表面剝落.諸多研究人員都認識到瀝青路面水損壞的出現(xiàn)是由于瀝青混合料本身水穩(wěn)定性不足所導致的，并采用了多種方法來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，主要有浸水馬歇爾試驗、Lottman法、AASHTO的凍融劈裂試驗[2]、改進Lottman試驗、Texas凍融基座試驗.程英偉等[3]提到2種評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法：(1)評價瀝青與礦料間的粘附性；(2)評價瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性.楊瑞華等[4]分析比較了浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、瀝青路面分析儀浸水車轍試驗和朱麗葉試驗的優(yōu)缺點和實驗條件.Mitchell等[5]提到Lottman法相比浸水馬歇爾試驗能更好的評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性.何中楠[6]考慮到南方雨季持續(xù)時間大約2個月，將成型試件放置于室溫下25 ℃浸水60 d，定期觀測試件的質(zhì)量吸水率.郭學東等[7]通過試驗發(fā)現(xiàn)自由水滯留在試件內(nèi)部達一周，且當殘留水為50%時，試件水穩(wěn)定性最差.Apeagyei等[8]研究了浸水70 d瀝青混合料的耐久性，并發(fā)現(xiàn)水分對瀝青混合料的剛度影響是一個可逆過程.這些試驗方法具有嚴格的溫度和環(huán)境條件，但大多試驗時間短，沒有研究長期浸水作用下水對瀝青混合料粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響.因此文中首先將試件進行真空飽水，進而通過無側限抗壓試驗、劈裂抗拉試驗，計算瀝青混合料的劈裂抗拉強度、粘聚力及內(nèi)摩擦角，研究長期浸水作用對瀝青混合料劈裂抗拉強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律.

1 試驗方法及原理

1.1 試驗方案

瀝青混合料試件為江蘇一高速公路取芯芯樣.面層結構為上面層SMA-13、中面層Sup-20和下面層Sup-25.上面層集料為玄武巖，中下面層集料為安徽茅迪生產(chǎn)的石灰?guī)r.現(xiàn)場3種混合料試件按照浸水時間為0，3，6，9，12個月，均分成5組，每組試件每個面層各6個試件，其中后4組試件長期置于水中，每隔3個月測定每組試件的質(zhì)量吸水率.上面層試件進行劈裂試驗，中面層試件進行凍融劈裂試驗，下面層試件進行劈裂、抗壓試驗.達到規(guī)定的浸水時間后，下面層試件放入60 ℃恒溫水槽中浸泡90 min后，立即取出并放置在加載速率為50 mm/min的馬歇爾試驗儀下測定其劈裂抗拉強度和無側限抗壓強度.試件編號及瀝青混合料壓實度結果見表1～2.下面層Sup-25生產(chǎn)配合比設計級配見表3.通過測定試件的劈裂抗拉強度與無側限抗壓強度，計算試件的粘結力和內(nèi)摩擦角，研究長期浸水作用下對瀝青混合料試件粘結力及內(nèi)摩擦角的變化.

表1 試驗類型及試件編號

表2 瀝青混合料壓實度結果

1.2 劈裂試驗

劈裂試驗，也稱間接拉伸試驗，是通過圓弧形加載壓條，按一定的加載速率對規(guī)定尺寸的圓柱形試件施加荷載，使用位移傳感器或百分表測定試件變形，從而得到材料的強度和變形等力學參數(shù)的試驗方法.文中將已分組的上面層試件放入恒溫水槽保溫不少于1.5 h，然后取出試件，置于馬歇爾穩(wěn)定度儀基座上的夾具中安放穩(wěn)定，其上下均放有圓弧形壓條，與側面的十字畫線對準，加載速率為50 mm/min，試驗溫度為15 ℃.待試件破壞時停止加載，記錄荷載、垂直變形.通過測定劈裂抗拉強度評價混合料試件的低溫抗裂性能.

表3 Sup-25礦料級配設計組成

1.3 粘聚力內(nèi)摩擦角計算原理

根據(jù)60 ℃劈裂試驗和無側限抗壓強度試驗計算粘結力c、內(nèi)摩擦角φ的原理見圖1.

圖1 c，φ計算原理

利用劈裂試驗可以有效地反映出瀝青混合料內(nèi)部的界面粘結狀態(tài)[9].劈裂強度主要由2部分構成：礦料間的摩阻力和瀝青混合料的粘聚力，在高溫和水的反復作用下瀝青本身的粘結性能也會相應的下降[10].劈裂試驗中，由于外加荷載的作用，在試件的中心將會產(chǎn)生一個橫向最大應力，為拉伸強度St.由彈性理論可知，橫向拉應力σx和豎向壓應力σy在試件的中間均達到最大值.σx和σy計算如下.

(1)

(2)

式中：P為試件破壞時的最大荷載，N；h為試件的厚度，mm.

通過無側限抗壓強度試驗，計算出試件的抗壓強度σc.

(3)

式中：d為試件直徑，mm.

獲得間接拉伸強度和無側限抗壓強度后，c，φ值可按下列公式計算.

(4)

(5)

φ=arcsin α1

(6)

2 結果與分析

2.1 飽水率

瀝青混合料的水損壞主要是自由水侵入導致混合料中集料之間粘附性降低，從而影響瀝青混合料的強度.因此首先需要對瀝青混合料的飽水特性進行研究.試驗測定各個面層混合料試件隨浸水時間變化的質(zhì)量吸水率.通過改變混合料的浸水時間，定期對試件進行測定.將測定完空隙特征后的浸水時間設置為0 d，其余每個面層4組試件分別在浸泡3，6，9，12個月后測定其質(zhì)量吸水率.其飽水率特征曲線見圖2.

圖2 瀝青混合料試件飽水率曲線

由圖2可知，在前3個月，上面層試件吸水率從0.65%增加到1.29%，中面層試件吸水率從0.95%增加到1.49%，下面層試件吸水率從1.17%到1.28%，而從浸泡6，9，12個月的質(zhì)量吸水率來看，吸水率增加較緩慢，逐漸趨于平衡.

瀝青混合料是一種具有空間網(wǎng)絡結構的多相體系，從宏觀上看，它是集料、瀝青、空氣組成的三相體系，其內(nèi)部充滿較多空隙，且空隙隨機分布，有大有小，既有連通空隙，也有閉塞空隙.因此從圖2的飽水率曲線看，前期質(zhì)量吸水率迅速增加是因為大量自由水填充連通空隙，而后期由于自由水進入閉塞空隙是一個漫長的過程，而且混合料內(nèi)外產(chǎn)生濃度差，有一部分自由水向外擴散，導致增長較緩慢，另外由于長期浸水，連通空隙與閉塞空隙基本達到飽水狀態(tài)，試件能夠再吸收水分的能力降低，因此浸泡時間為6，9，12個月的試件質(zhì)量吸水率增長幅度不大.

2.2 劈裂試驗

劈裂試驗是進行混合料設計和路面結構設計的內(nèi)容之一，也是研究瀝青混合料破損機理的重要手段之一，因此有必要對上面層試件進行劈裂試驗.各組不同浸水時間試件的劈裂抗拉強度值變化見圖3.

圖3 瀝青混合料試件劈裂抗拉強度變化曲線

由圖3可知，試件的劈裂抗拉強度隨浸水時間的增加而不斷減小，尤其在前3個月強度下降幅度較大，劈裂強度從1.28 MPa下降到0.99 MPa，這說明水的存在對瀝青混合料力學性能影響是比較大的.這可能在于，瀝青混合料的劈裂強度由集料間的嵌擠力與內(nèi)摩阻力、瀝青與集料交互作用的粘聚力組成.自由水進入到試件內(nèi)部不斷擴散，滲透到達瀝青薄膜與集料的界面，降低了薄膜與集料之間的接觸面，且浸水時間越長，試件受到水損害越嚴重，導致瀝青混合料的劈裂抗拉強度值減小.

2.3 粘結力及內(nèi)摩擦角

粘結力c和內(nèi)摩擦角φ是材料抗剪強度的重要參數(shù)，根據(jù)莫爾-庫侖破壞理論分析，材料的剪切強度是由粘結力和內(nèi)摩擦角組成，粘結力c表征瀝青混合料粘結集料顆粒的強弱，內(nèi)摩擦角φ表征礦料之間內(nèi)摩阻力的大小，大量實際工程表明，內(nèi)摩擦角偏大不容易產(chǎn)生車轍.材料在受到簡單剪切破壞時受到的最大切應力為

τmax=c+σN×tan φ

(7)

式中：σN為垂直破壞面的應力，MPa.

試驗將下面層試件分別進行劈裂試驗和無側限抗壓試驗，通過計算所得的粘結力和內(nèi)摩擦角變化見圖4～5.由圖4～5可知，粘結力和內(nèi)摩擦角隨浸水時間的增加而不斷減小，粘結力從剛開始的0.35 MPa減小到浸水時間長達12個月的0.27 MPa，內(nèi)摩擦角從剛開始的54.32°減小到最后的44.04°，而且浸泡時間從6到9個月之間內(nèi)摩擦角顯著降低.由此說明浸水時間的長短對粘結力和內(nèi)摩擦角都有一定的影響.自由水在侵入過程中透過瀝青薄膜，滯留在瀝青混合料空隙中的自由水不斷侵入內(nèi)部，使得瀝青和集料之間的粘附性減小，由于集料表面對水分相比瀝青更具吸附力，從而使瀝青和集料表面的接觸面減小，瀝青從表面剝落，降低瀝青混合料試件的力學性能.文中通過2種擬合方法對粘結力和內(nèi)摩擦角大小隨浸水時間變化的趨勢進行擬合，發(fā)現(xiàn)粘結力線性擬合的擬合指數(shù)為0.934，多項式擬合的擬合指數(shù)為0.926，這說明粘結力隨浸水時間增加大致呈線性變化，浸水時間越長，瀝青混合料粘結力越小；而內(nèi)摩擦角多項式擬合的擬合指數(shù)為0.898，線性擬合指數(shù)為0.872，說明內(nèi)摩擦角隨浸水時間的增加大致呈二次拋物線變化，不同于粘結力變化趨勢.

圖4 瀝青混合料試件粘結力變化曲線

圖5 瀝青混合料試件內(nèi)摩擦角變化曲線

3 結 論

1) 瀝青混合料的飽水特征曲線表明在浸水初期階段自由水通過連通空隙進入試件內(nèi)部，并不斷擴散，不同面層的試件質(zhì)量吸水率迅速增加，而在浸水后期，連通空隙中幾乎飽水，水分開始進入試件內(nèi)部的微空隙，但過程較漫長，試件吸水率增加緩慢，增幅不大.

2) 劈裂抗拉強度隨浸水時間的增加而不斷減小，浸水時間越長，試件水損害越嚴重；瀝青混合料試件隨浸水時間變化引起試件的粘結力和內(nèi)摩擦角下降，表明滯留在試件內(nèi)部空隙的自由水不斷滲透到達瀝青薄膜與集料的界面，集料更易與水相結合，導致瀝青與集料粘附性降低，瀝青薄膜與集料表面接觸角減小，粘結力與內(nèi)摩擦角下降.

3) 運用2種擬合方法對粘結力和內(nèi)摩擦角變化趨勢進行擬合，粘結力隨浸水時間增加大致呈線性變化，而內(nèi)摩擦角變化趨勢大致呈二次拋物線變化.

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Research on Influence of Long Term Immersion to Cohesiveness of Asphalt Mixture

XU Yuan1)GAO Junqi1)LU Hongqiang2)WANG Zhaoqiang2)

(DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China)1)(QingdaoMunicipalEngineeringResearchInstituteCO.,LTD.,Qingdao266101,China)2)

The drilling core asphalt mixtures of the upper, middle and lower layers are grouped and placed in water for long time and the water absorption rate of the specimen is tested every three months. Split test and unconfined compression strength test are used to measure the splitting tensile strength, the cohesion and internal friction angle. Two fitting methods are used to fit the trend of the change of cohesion and internal friction angle. The test results show that the water absorption rate of the asphalt mixtures is increased rapidly at early stage. Moisture enters the micropores, resulting in that the water absorption rate of the asphalt mixtures increase slowly at the later stage. The splitting tensile strength of the asphalt mixture is decreased with the increase of immersion time. Under long-term immersion, the adhesion between asphalt membrane and aggregate is decreased. As the increase of immersion time, the trend of the change of cohesion is approximately a linear change and the trend of the change of internal friction angle is generally a parabolic variation.

asphalt mixtures; water damage; cohesion; internal friction angle

2016-09-26

*中國博士后科學基金項目(2013M541666)、江蘇省博士后科研資助計劃項目(1302138C)資助

U416.217

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.005

徐淵(1991—)：男，碩士生，主要研究領域為路面工程