一種基于電學(xué)特性的瀝青混凝土吸水狀況推測(cè)方法

郭慶林，鄂豐銘，劉強(qiáng)，高穎

摘要：瀝青路面在使用過(guò)程中不可避免會(huì)受到自然降水和地下水的影響，水分交替作用最終將導(dǎo)致瀝青路面的水損害，而以往室內(nèi)測(cè)定瀝青混凝土含水率的方法無(wú)法對(duì)瀝青路面的干濕狀態(tài)進(jìn)行快速評(píng)定。為了快速評(píng)定瀝青路面的干濕狀態(tài)，采用電學(xué)方法推測(cè)瀝青混凝土的含水率。以密實(shí)型瀝青混凝土電阻特性為依據(jù)，測(cè)量浸水前后瀝青混凝土電阻率的變化，進(jìn)而建立瀝青混凝土吸水率與其電阻率的數(shù)學(xué)關(guān)系，以電阻率來(lái)推測(cè)瀝青混凝土內(nèi)部的含水率。結(jié)果表明，瀝青混凝土含水率與電阻率對(duì)數(shù)值具有良好的線性相關(guān)性，瀝青混凝土吸水率越大，電阻越小。所提方法可為不同瀝青混凝土面層的干濕狀況評(píng)定提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：路基工程;瀝青混凝土;電阻率;吸水率;推測(cè)方法

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2020yx01001

An estimation method for the absorbed moisture of asphalt

concrete based on electrical resistance

GUO Qinglin， E Fengming， LIU Qiang， GAO Ying

（School of Civil Engineering， Hebei University of Engineering， Handan， Hebei 056038， China）

Abstract：Asphalt pavement is inevitably affected by the natural precipitation and groundwater in the service stage. Hydrologic cycle will eventually lead to the moisture damage of asphalt pavement. However， the existing indoor method for moisture measurement of asphalt concrete cannot quickly assess the pavement wetting state. Therefore， in order to evaluate the wet and dry state of asphalt pavement quickly， an electrical method is proposed to estimate the moisture content in the asphalt concrete in this paper. And， the electrical resistance of dense asphalt concrete is measured before and after soaking. Then， the mathematical relationship between absorbed moisture and electrical resistance of asphalt concrete is established. The absorbed moisture can be estimated using the electrical resistance of asphalt concrete. Results show that a linear relationship exists between the content of absorbed moisture and the logarithm of electrical resistance. The more the absorbed moisture is， the smaller the electrical resistance is. This method can be used to evaluate the dry/wet condition of asphalt pavement.

Keywords：road engineering; asphalt concrete; electrical resistance; moisture uptake; estimation method

暴露在自然環(huán)境中的瀝青路面由于經(jīng)受降雨的長(zhǎng)期反復(fù)作用，雨水會(huì)逐漸擴(kuò)散到瀝青混凝土內(nèi)部，久而久之會(huì)造成瀝青路面的松散、剝落等病害[16]。研究表明，水在瀝青混凝土內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)過(guò)程一般分為2個(gè)階段：第1階段，自由水填充大孔隙，吸水率快速增大;第2階段，水分向微孔隙擴(kuò)散并在膠結(jié)料擴(kuò)散中達(dá)到上限，長(zhǎng)期作用下瀝青膠結(jié)內(nèi)聚力與集料瀝青膜間粘結(jié)力下降，飛散質(zhì)量損失率增大[711]。因此，對(duì)瀝青路面干濕狀況的研究有助于評(píng)價(jià)降雨對(duì)瀝青路面的影響程度。一直以來(lái)，主要采用稱重法對(duì)瀝青混凝土含水狀態(tài)進(jìn)行測(cè)定[12]，而對(duì)于瀝青路面干濕狀態(tài)的評(píng)價(jià)仍缺乏有效的測(cè)試方法。2017年，馬曉霞等[13]對(duì)瀝青混凝土的含水介電性能進(jìn)行研究，指出瀝青混凝土介電常數(shù)會(huì)隨著含水率增加而上升，利用介電常數(shù)與含水率相關(guān)性模型可以估計(jì)瀝青路面的干濕狀態(tài)。郭慶林等[14]提出一種瀝青混凝土電阻測(cè)量裝置，通過(guò)分析馬歇爾試件的電阻率與含水率的關(guān)系來(lái)預(yù)估瀝青路面的含水率。宋杰等[15]指出非飽和土電阻率隨含水率增加呈冪指數(shù)減小的規(guī)律，建立了電阻率與含水率、壓實(shí)度的關(guān)系模型，運(yùn)用電阻率方法評(píng)價(jià)了非飽和土的壓實(shí)狀況。文獻(xiàn)[16—18]也指出瀝青混凝土含水率增加會(huì)引起其電阻的變化。因此，通過(guò)瀝青混凝土電阻特性的變化推測(cè)其含水率具有一定的可行性。本文以馬歇爾試件為對(duì)象，研究瀝青混凝土在不同浸水時(shí)間下的電阻特性變化規(guī)律，進(jìn)而以此推測(cè)瀝青混凝土含水率。

1試驗(yàn)測(cè)試方案

1.1試驗(yàn)材料與級(jí)配

本文采用AH70#瀝青，主要性能指標(biāo)如表1所示。采用的級(jí)配類(lèi)型為AC13型密實(shí)型級(jí)配，級(jí)配曲線如圖1所示。經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比為50%。試驗(yàn)采用尺寸為Φ101.6 mm×63.5 mm標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，瀝青混凝土表觀密度為2.39 g/cm3，理論相對(duì)最大密度為2.53 g/cm3，孔隙率為5.6%。

第1期郭慶林，等：一種基于電學(xué)特性的瀝青混凝土吸水狀況推測(cè)方法河北工業(yè)科技第37卷表1AH70#瀝青技術(shù)性能指標(biāo)

Tab1Properties of asphalt AH70#

指標(biāo)測(cè)試值針入度（25 ℃，100 g，5 s，0.1 mm）68延度/cm（15 ℃）>100軟化點(diǎn)/℃48密度/（g·cm-3）1.034閃點(diǎn)/℃285黏度/（Pa·s）（135 ℃）0.468

1.2含水率測(cè)定方法

采用稱重法測(cè)定瀝青混凝土含水率。測(cè)量出的馬歇爾試件浸水前、后的質(zhì)量分別記為m1，m2，則浸水一定時(shí)間后的試件含水率ωt可通過(guò)式（1）計(jì)算得到。

ωt=m2-m1m1×100。 ? ? ?（1）

1.3電阻特性測(cè)試方法

為了使測(cè)試結(jié)果更具代表性，試件浸水溫度分別采用5，30，60 ℃，為提高自由水的導(dǎo)電性，在水中加入少許NaCl，配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為005%的鹽溶液進(jìn)行浸水。浸水時(shí)間分別為0，6，12，24，48 h;浸水完成后，稱量好2份7 g粉狀石墨作為導(dǎo)電連接電極平鋪于馬歇爾試件上下表面;同時(shí)在平鋪石墨粉上放置長(zhǎng)8 cm、寬1.5 cm的銅片。為避免電極極化效應(yīng)，在銅片上方施加一重物，從而保證各電極的良好接觸。馬歇爾試件電阻測(cè)量裝置如圖2所示。

測(cè)量完成后，計(jì)算電阻特性值。為避免試件厚度差異的影響，選用單位長(zhǎng)度的電阻率作為考察指標(biāo)，探討電阻值與含水率的相關(guān)性。為降低離散性，保證測(cè)試精度，每組試驗(yàn)條件分別制備6個(gè)平行試件，總計(jì)15組試件，參與測(cè)試的試件總數(shù)為90個(gè)。

2結(jié)果分析

2.1瀝青混凝土含水率隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律

由圖3可以看出，瀝青混凝土試件的含水率在初期浸水（12 h以內(nèi)）時(shí)增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)速度減慢。浸水初期水分快速進(jìn)入試件表面空隙，后期由于密級(jí)配瀝青混凝土空隙較少，水分向?yàn)r青混凝土內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為擴(kuò)散形式，故而含水率增長(zhǎng)速度減慢。從圖3中還可以看出，當(dāng)浸水時(shí)間較短時(shí)，溫度對(duì)水?dāng)U散的影響不顯著。當(dāng)浸水超過(guò)20 h后，水溫越高水分向?yàn)r青混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的速度越快，說(shuō)明水溫對(duì)水?dāng)U散的速率具有顯著影響。

2.2瀝青混凝土電阻率隨浸水時(shí)間的變化規(guī)律

由圖4可以看出，電阻率隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)呈現(xiàn)非線性減小的趨勢(shì)，且隨浸水時(shí)間延長(zhǎng)呈現(xiàn)對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì)。說(shuō)明水分?jǐn)U散進(jìn)入瀝青混凝土后形成了導(dǎo)電通道，隨著水分?jǐn)U散的不斷加劇，導(dǎo)電通道逐漸增多，進(jìn)而導(dǎo)致了瀝青混凝土電阻率的快速減小。從圖4還可以看出，溫度對(duì)瀝青混凝土的電阻率的影響不顯著，這主要是由于瀝青混凝土內(nèi)部的隨機(jī)結(jié)構(gòu)差異所造成的。

2.3瀝青混凝土電阻率與含水率的關(guān)系

由圖3及圖4可以看出，含水率隨浸水時(shí)間延長(zhǎng)而增大，而電阻率隨浸水時(shí)間延長(zhǎng)而減小，為了建立由電阻率推測(cè)瀝青混凝土內(nèi)部含水率的數(shù)學(xué)關(guān)系，對(duì)含水率及電阻率進(jìn)行了回歸分析，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，馬歇爾試件電阻率與含水率之間存在對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。二者相關(guān)性系數(shù)為0.847 3，具有良好的相關(guān)性，說(shuō)明瀝青混凝土含水率與電阻率對(duì)數(shù)值呈線性相關(guān)關(guān)系，采用電阻率推測(cè)瀝青混凝土內(nèi)部的含水率具有一定的可行性。電阻率越大，瀝青混凝土含水率越小。

3結(jié)論

1）密級(jí)配瀝青混凝土含水率隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，初期增長(zhǎng)較快，后期水分?jǐn)U散速率減慢。溫度對(duì)水?dāng)U散速率具有顯著影響，水?dāng)U散速率隨著溫度的升高而增大。

2）瀝青混凝土電阻率隨浸水時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，呈現(xiàn)對(duì)數(shù)遞減趨勢(shì)。

3）瀝青混凝土含水率與電阻率對(duì)數(shù)值存在良好的線性相關(guān)性，未來(lái)可以利用瀝青混凝土電阻率測(cè)試結(jié)果快速評(píng)定瀝青混凝土面層的干濕狀況。本文只對(duì)AH70#瀝青混凝土進(jìn)行了研究，還需要對(duì)其他類(lèi)型的瀝青混凝土作進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)/References：

[1]王聰，馬飛. 不同空氣壓力下瀝青混凝土的透水性[J]. 公路交通科技，2014，31（4）：5256.

WANG Cong， MA Fei. Research on permeability performance of asphalt concrete under different air pressures [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2014， 31（4）：5256.

[2]羅蓉，柳子堯，黃婷婷，等. 凍融循環(huán)對(duì)瀝青混合料內(nèi)水氣擴(kuò)散的影響[J]. 中國(guó)公路學(xué)報(bào)， 2018，31（9）：2026.

LUO Rong， LIU Ziyao， HUANG Tingting， et al. Effects of freezingthawing cycles on water vapor diffusion in asphalt mixtures[J]. China Journal of Highway and Transport， 2018， 31 （9）：2026.

[3]何中南. 長(zhǎng)期浸水對(duì)瀝青和集料瀝青界面性能損傷的實(shí)驗(yàn)研究[J].中外公路， 2012， 32（4）： 261263.

HE Zhongnan. Experimental study on damage of asphalt and aggregateasphalt interface by longterm immersion[J]. Journal of China & Foreign Highway， 2012， 32 （4）： 261263.

[4]高穎，郭慶林，王可意，等. 不同形狀假設(shè)下瀝青混凝土級(jí)配快速識(shí)別效果對(duì)比[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2018， 15（9）： 22522257.

GAO Ying， GUO Qinglin， WANG Keyi， et al. Comparative analysis on the fast recognized gradation of asphalt concrete under different shape assumptions [J]. Journal of Railway Science and Engineering， 2018， 15（9）： 22522257.

[5]郭慶林，程永春，陶敬林. 瀝青混凝土數(shù)字圖像集料粘連效應(yīng)分割方法研究[J]. 公路交通科技， 2015， 31（3）： 3236.

GUO Qinglin， CHENG Yongchun， TAO Jinglin. Research of aggregate adhesion effect segmentation method in asphalt concrete digital image [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2015， 31 （3）： 3236.

[6]郭慶林. 瀝青混合料內(nèi)部應(yīng)力分布及其對(duì)粘彈性能的影響研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2013.

GUO Qinglin. Research on Internal Stress Distribution of Asphalt Mixture and Its Impact on Viscoelastic Performance[D]. Changchun： Jilin University， 2013.

[7]ABUAWAD I M A， AlQADI I L， TREPANIER J S. Mitigation of moisture damage in asphalt concrete： Testing techniques and additives/modifiers effectiveness[J]. Construction and Building Materials， 2015， 84： 437443.

[8]MA T， GENG L， DING X， et al. Experimental study of deicing asphalt mixture with antiicing additives[J]. Construction and Building Materials， 2016， 127： 653662.

[9]WANG W， WANG L， XIONG H， et al. A review and perspective for research on moisture damage in asphalt pavement induced by dynamic pore water pressure[J]. Construction and Building Materials， 2019， 204：631642.

[10]BOZORGZAD A， KAZEMI S F， MOGHADAS N F. Evaporationinduced moisture damage of asphalt mixtures： Microscale model and laboratory validation[J]. Construction and Building Materials， 2018， 171：697707.

[11]XU H， XING C， ZHANG H， et al. Moisture seepage in asphalt mixture using Xray imaging technology[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 131：375384.

[12]劉丹. 干濕交替作用下瀝青混凝土高溫性能變化規(guī)律研究[D].邯鄲：河北工程大學(xué)，2018.

LIU Dan. Study on High Temperature Performance of Asphalt Concrete under Drywet Alternation[D]. Handan： Hebei University of Engineering， 2018.

[13]馬曉霞，張鵬，鐘靜. PAC件含水量與介電常數(shù)的相關(guān)性研究[J].公路工程， 2017，42（1）： 253256.

MA Xiaoxia， ZHANG Peng， ZHONG Jing. Study on the relationship between PAC specimen moisture content and dielectric constant [J]. Highway Engineering， 2017， 42 （1）：253256.

[14]郭慶林，劉富春，張鵬，等.快速檢測(cè)瀝青路面材料含水率用的電阻測(cè)量裝置[P].中國(guó)：ZL201821994146.2， 20190701.

[15]宋杰，李術(shù)才，劉斌，等.基于電阻率特性的非飽和土壓實(shí)度定量評(píng)價(jià)方法[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2015， 35（6）： 3341.

SONG Jie， LI Shucai， LIU Bin， et al. Quantitative assessment method of unsaturated soil compaction degree based on resistivity property[J]. Journal of Changan University （Natural Science Edition）， 2015， 35（6）：3341.

[16]趙蕾.瀝青混凝土導(dǎo)電性的影響分析[J].山西建筑， 2017，43（9）：129131.

ZHAO Lei. Discussion on silica powder performance in concrete [J].Shanxi Architecture， 2017，43（9）： 129131.

[17]LIU X， WANG C， DENG Y， et al. Computation of fractal dimension on conductive path of conductive asphalt concrete[J]. Construction and Building Materials， 2016， 115：699704.

[18]何永佳，敖灶鑫，呂林女，等.融雪化冰用鋼渣導(dǎo)電瀝青混凝土的電阻穩(wěn)定性[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011， 37（1）： 8084.

HE Yongjia， AO Zaoxin， L Linnü， et al. Electrical resistance stability on conductive asphalt concrete using steel slag as aggregate for deicing and snowmelting [J]. Journal of Beijing University of Technology， 2011， 37 （1）： 8084.

收稿日期：20190805;修回日期：20190916;責(zé)任編輯：馮民

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51508150）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFF0300201）;河北省自然科學(xué)基金（E2018402206）; 河北省教育廳青年拔尖人才計(jì)劃（BJ2017034）

第一作者簡(jiǎn)介：郭慶林（1984—），男，山東肥城人，副教授，博士，主要從事瀝青混凝土細(xì)觀損傷理論方面的研究。

Email：guoql@hebeu.edu.cn

郭慶林，鄂豐銘，劉強(qiáng)，等.一種基于電學(xué)特性的瀝青混凝土吸水狀況推測(cè)方法[J].河北工業(yè)科技，2020，37（1）：14.GUO Qinglin，E Fengming，LIU Qiang，et al.An estimation method for the absorbed moisture of asphalt concrete based on electrical resistance[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（1）：14.