基于質(zhì)量損失法的瀝青混凝土抗水損害性能研究

郭杰

摘 ?要：水損害是瀝青混凝土路面典型的早期病害之一，研究瀝青混凝土的抗水損害性能對于改善瀝青路面的服役耐久性具有重要意義。目前主要采用水煮法和力學(xué)指標(biāo)法表征瀝青混凝土的抗水損害性能，存在客觀性差、因素單一的問題。本研究中采用質(zhì)量損失法克服傳統(tǒng)評價方法存在的問題。首先通過質(zhì)量損失法研究了集料-瀝青界面在熱水損傷條件下的破壞情況;其次將質(zhì)量損失法作為傳統(tǒng)力學(xué)指標(biāo)法的補充，采用質(zhì)量損失法、力學(xué)指標(biāo)法評價瀝青混凝土在凍融循環(huán)損傷條件下的抗水損害性能。結(jié)果表明，質(zhì)量損失法可定量反映瀝青混凝土抵抗熱水損害的能力，質(zhì)量損失法和傳統(tǒng)力學(xué)指標(biāo)法復(fù)合使用可更加精準地顯現(xiàn)瀝青混凝土的抗凍融破壞能力。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量損失法;瀝青混凝土;熱水損害;凍融循環(huán)損害;性能

中圖分類號：U418.6 ? ? ? ?文獻標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）22-0119-03

Abstract： The moisture damage is one typical early disease of asphalt pavement. Investigating the moisture stability of asphalt mixture is benefit for improving the durability of asphalt pavement. The boiling water method and mechanical index method are currently used to evaluate the moisture stability of asphalt mixture， and they are one-sided and poor objectivity. A mass loss method is proposed in this research to overcome the shortage of the traditional method. The change of aggregate-asphalt interface under hot water damage mode is first investigated by the mass loss method. Then the mass loss method， as a supplementary of traditional mechanical index method， is used to evaluate the freeze-thaw damage resistance of asphalt mixture. Results suggest that the mass loss method can quantitatively reflect the hot water damage resistance of asphalt mixture， and the combination of mass loss method and mechanical index method is helpful for reflecting the freeze-thaw damage resistance of asphalt mixture accurately.

Keywords： mass loss method; asphalt mixture; hot water damage; freeze-thaw cycle damage; performance

水泥路面和瀝青路面是目前采用最多的兩種路面形式，瀝青路面因具有耐磨抗滑、低噪音、行車舒適、施工方便等特點而被廣泛應(yīng)用于等級路面建設(shè)中，尤其是高等級公路的面層，據(jù)統(tǒng)計，我國高速公路90%以上均采用瀝青混凝土鋪筑[1]。隨著瀝青路面服役時間的延長以及交通荷載和自然環(huán)境的持續(xù)作用，瀝青路面總會出現(xiàn)一些病害，如疲勞開裂、水損害、高溫變形等[2-4]，這和瀝青混凝土的原始性能有很大關(guān)系。因此，賦予瀝青混凝土優(yōu)異的路用性能是保障瀝青路面較好耐久性的前提。

水損害是瀝青路面典型的早期病害之一[5]。瀝青混凝土主要由瀝青和集料組成，集料組成礦質(zhì)混合料骨架，瀝青將骨料粘結(jié)成具有一定強度的整體結(jié)構(gòu)。因此雖然瀝青在瀝青混凝土中的含量少，但其具有重要的作用。瀝青路面水損害表現(xiàn)為路面掉粒、開裂、出現(xiàn)坑槽等現(xiàn)象[6]。從微觀尺度考慮，瀝青路面發(fā)生水損害的本質(zhì)原因是水分取代了集料表面的瀝青，破壞了瀝青與集料間的粘附狀態(tài)，久而久之出現(xiàn)掉粒、坑槽等病害。

根據(jù)我國現(xiàn)行的公路工程相關(guān)試驗規(guī)程，目前主要通過兩種方法評價瀝青混凝土的抗水損害性能：一是水煮法[7]。將瀝青包裹的粗集料顆粒置于微沸水中煮3min，觀察集料顆粒表面瀝青膜的剝落情況，按照瀝青剝落面積的不同，將集料與瀝青的粘附性能劃為不同的等級。該方法雖然操作簡單，但是瀝青從集料表面剝落的面積全憑觀察確定，主觀性強，結(jié)論的可靠性存疑。二是力學(xué)指標(biāo)評價方法[7]。將瀝青混凝土馬歇爾試件進行凍融循環(huán)破壞，凍融處理條件為：試件首先在-18℃環(huán)境下冷凍16h，然后置于60℃水浴箱中浸泡24h，以馬歇爾試件凍融破壞前后劈裂強度的損失情況來反映瀝青混凝土抵抗凍融破壞的能力。該方法僅考慮了瀝青混凝土凍融破壞過程中強度的變化，反映的指標(biāo)單一，如缺乏對應(yīng)變等其他重要指標(biāo)的考慮。

針對傳統(tǒng)方法在評價瀝青混凝土抗水損害性能方面存在客觀性和綜合性不足的問題，本研究提出了一種質(zhì)量損失法。首先采用質(zhì)量損失法定量研究集料-瀝青粘附界面在熱水損害條件下的變化情況;進而采用質(zhì)量損失法作為傳統(tǒng)力學(xué)指標(biāo)法的補充，評價瀝青混凝土抵抗凍融破壞的能力。

1 原材料

本研究中礦質(zhì)原材料（粗集料、細集料、填料）全部采用石灰?guī)r，瀝青采用AH-70基質(zhì)瀝青。原材料性能滿足要求是制備瀝青混凝土的前提，按照我國現(xiàn)行的公路工程相關(guān)試驗規(guī)范和規(guī)程對所用原材料的基本物理性質(zhì)指標(biāo)進行測試[7，8]。集料、填料及瀝青的基本物理性質(zhì)指標(biāo)測試結(jié)果分別如表1至表3所示，從表中可以看出，本研究所選用的原材料各項基本物理性質(zhì)指標(biāo)均滿足我國規(guī)范中提出的技術(shù)要求[9]，原材料可用于制備瀝青混凝土。

? ? 2 試驗方法

抗熱水損害能力評價。傳統(tǒng)水煮法通過觀察粗集料表面包裹的瀝青膜在微沸水破壞3min后的剝落情況判定瀝青包裹的集料抵抗熱水損害的能力。除了客觀性差的問題，該方法由于水損害的時間比較短，常常使得集料表面的瀝青剝落不明顯，尤其是在橫向?qū)Ρ炔煌吓c瀝青的粘附性能時，難以顯現(xiàn)出瀝青包裹的不同集料顆粒抵抗熱水損傷能力的區(qū)別。因此在本研究中將水煮時間增加到15min，同時采用質(zhì)量損失法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的觀察法。質(zhì)量損失法在此處即通過包裹瀝青的集料顆粒水煮前后質(zhì)量的變化來定量反映瀝青混凝土抗熱水損害性能，引入瀝青剝落率指標(biāo)，按照式（1）計算。

3 結(jié)果與討論

熱水損傷模式下，集料表面瀝青膜的剝落情況如圖2所示。結(jié)果表明，隨著水煮時間的延長，石灰?guī)r集料顆粒表面裹附的瀝青膜剝落率持續(xù)增加，實驗結(jié)束時刻，瀝青剝落率高達25%，說明高溫和水復(fù)合作用時對瀝青混凝土抗水損害性能影響非常顯著。具體來看，在熱水損傷初始3min內(nèi)，集料表面的瀝青剝落率相比其他時段都要大，數(shù)值上約為9%，這主要是集料顆粒表面包裹的瀝青存在富余的情況，部分富余瀝青與集料表面粘附作用弱，在熱水損傷條件下極易發(fā)生剝離。這也是傳統(tǒng)水煮觀察法難以準確判定瀝青與集料粘附性能等級的原因之一，傳統(tǒng)方法中沸水損傷時間選定為3min，在這個時間內(nèi)主要是集料表面富余的瀝青發(fā)生剝落，而并不是集料與瀝青粘附界面的破壞。此后，隨著熱水損傷時間的延長，集料表面瀝青膜的剝落率幾乎呈現(xiàn)線性增加，考慮瀝青與集料表面作用時具有較為固定的粘附強度，說明3-15min時段主要是集料與瀝青粘附界面的破壞。以上分析表明采用質(zhì)量損失法（瀝青剝落率）來評價瀝青混凝土抗熱水損傷能力具有獨特的優(yōu)勢，一方面可規(guī)避傳統(tǒng)觀察法客觀性不足的問題，另一方面可更加真實反映出集料表面瀝青膜的變化與熱水損傷強度間的對應(yīng)關(guān)系。

凍融損傷模式下，瀝青混凝土的劈裂強度隨凍融循環(huán)破壞次數(shù)的變化關(guān)系如圖3所示。結(jié)果顯示，隨著凍融損傷程度的增加，瀝青混凝土劈裂強度總體呈現(xiàn)下降的趨勢，說明瀝青混凝土的劈裂強度對凍融損害條件非常敏感。在凍融破壞早期，瀝青混凝土的強度損失很大，經(jīng)過2次凍融循環(huán)處理后，瀝青混凝土的強度損失了近18%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混凝土強度衰減速率明顯減緩，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到6次時，瀝青混凝土強度總損失約為25%。但觀察馬歇爾試件凍融破壞后的外觀形貌發(fā)現(xiàn)，早期凍融破壞并未對馬歇爾試件外觀造成明顯破壞，隨著凍融循環(huán)破壞次數(shù)的增加，馬歇爾試件外周出現(xiàn)明顯的掉粒。因此反映出強度損失與混凝土的凍融破壞并沒有形成嚴格的對應(yīng)關(guān)系。

凍融循環(huán)損傷模式下，瀝青混凝土馬歇爾試件的質(zhì)量變化情況如圖4所示，可見，馬歇爾試件的質(zhì)量損失率與其劈裂強度損失率變化規(guī)律大致相同，兩者數(shù)值上都是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而持續(xù)增大。但細節(jié)上前者又不同于后者，從圖4可以看出，隨著凍融循環(huán)破壞次數(shù)的增加，瀝青混凝土馬歇爾試件的質(zhì)量損失速率逐漸提高，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到6次時，質(zhì)量損失率高達14%;而劈裂強度損失速率在凍融循環(huán)破壞中后期是有所減緩的。前面已經(jīng)提到，雖然瀝青混凝土的劈裂強度下降速率減緩，但是混凝土試件的外觀顯示，凍融循環(huán)對瀝青混凝土試件造成的破壞卻是在逐漸加強的。因此，質(zhì)量損失法可更加直觀反映出瀝青混凝土試件的破壞情況，其是力學(xué)指標(biāo)法的有效補充。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)水煮法以及力學(xué)指標(biāo)法在評價瀝青混凝土抗水損害性能時缺乏客觀性和綜合性，本文針對這一問題提出以質(zhì)量損失法來評價瀝青混凝土的抗水損害性能。結(jié)果表明，采用質(zhì)量損失法定量評價瀝青混凝土抗熱水損傷能力，規(guī)避傳統(tǒng)水煮觀察法客觀性不足的同時，可更加真實反映出集料表面瀝青膜的變化與水損強度間的關(guān)聯(lián);另外，質(zhì)量損失法可直觀反映出瀝青混凝土試件在凍融循環(huán)損害條件下的真實破壞情況，其是力學(xué)指標(biāo)法的有效補充。

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