瀝青混合料浸水馬歇爾試驗方法改進(jìn)研究

肖金軍，方 楊，曾國東，周 敏，馬健萍

(1.佛山市廣佛肇高速公路有限公司，廣東 佛山 528000；2.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528000；3.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

浸水馬歇爾試驗是瀝青混合料中一個重要的試驗方法，試驗指標(biāo)為殘留穩(wěn)定度，用于評價混合料的水穩(wěn)定性。但是大量的研究認(rèn)為浸水馬歇爾試驗存在缺陷，不能夠真實反映混合料的水穩(wěn)定性能以及路面抗水損害能力。這些不足有幾個方面：馬歇爾穩(wěn)定度值主要體現(xiàn)集料與集料間的相互作用力，不能反映集料與瀝青間的黏附作用[1]；馬歇爾試驗為靜荷載試驗，不能模擬水分沖刷及反復(fù)吸壓作用，與瀝青路面水損害機(jī)理不符[2]；浸水試驗條件只模擬了水和溫度的影響，沒有考慮交通荷載的影響[3]；浸水殘留穩(wěn)定度很少有不合格的，甚至經(jīng)常出現(xiàn)超100%的情況[4]。針對這些問題，許多研究提出了各種方法來評價混合料的水穩(wěn)定性，包括模擬加載凍融循環(huán)方法[3]、動水沖刷試驗[5]、浸水劈裂試驗[6-7]、浸水四點彎曲強度試驗[8]等。但是浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度出現(xiàn)超100%現(xiàn)象的原因，很少有研究。本文以研究瀝青浸水老化為切入點，對超100%的原因進(jìn)行探討，并改進(jìn)了瀝青混合料浸水馬歇爾試驗方法。

1 瀝青水浴老化試驗

為研究瀝青在60℃水中浸泡48h的水浴老化情況，選取一種SBS(I-D)改性瀝青，一種A級70號基質(zhì)瀝青作為樣品進(jìn)行試驗，兩種瀝青質(zhì)量均滿足規(guī)范[9]要求。

為進(jìn)行有效對比，設(shè)計試驗方案：第一組樣品為原樣瀝青；第二組樣品為短期老化的瀝青，改性瀝青采用旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱加熱(RTFOT)方法老化獲得，基質(zhì)瀝青采用薄膜烘箱加熱(TFOT)方法老化獲得；第三組樣品為60℃水浴保溫48h后的瀝青；第四組樣品為60℃空氣浴保溫48h后的瀝青。第三組和第四組樣品的制備，采用TFOT試驗使用的內(nèi)徑為140mm樣品盤裝50g原樣瀝青，加熱后盡量展開，使瀝青薄膜厚度為3.2mm，然后分別進(jìn)行水浴和空氣浴保溫，試驗過程如圖1和圖2所示。對四組樣品進(jìn)行指標(biāo)檢測，試驗結(jié)果見表1。

圖1 瀝青樣品水浴

圖2 瀝青樣品空氣浴

表1 瀝青試驗結(jié)果

對表1試驗結(jié)果分析，有如下結(jié)論：

(1)改性瀝青和基質(zhì)瀝青在水浴(60℃、48h)及空氣浴(60℃、48h)中均有不同程度的老化，主要表現(xiàn)在針入度和延度有規(guī)律地降低，而改性瀝青軟化點有小幅度降低，基質(zhì)瀝青軟化點有小幅度升高；

(2)瀝青的老化程度排序為短期老化>空氣浴老化>水浴老化>原樣，由于水的隔絕作用，瀝青在水浴中接觸空氣很少，老化不如在空氣中嚴(yán)重。

綜上所述，瀝青在水浴(60℃、48h)中確實存在一定程度上的老化行為，這為改進(jìn)瀝青混合料浸水馬歇爾試驗方法提供依據(jù)和前提。

2 改進(jìn)的浸水馬歇爾試驗及對比分析

2.1 改進(jìn)的浸水馬歇爾試驗方法

基于上述分析，為排除瀝青老化的影響，本文提出一種改進(jìn)的瀝青混合料浸水馬歇爾試驗方法。具體步驟：(1)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方法成型馬歇爾試件并分為三組；(2)將第一組試件放入60℃恒溫水浴保持30min，測試穩(wěn)定度值，計算平均值并記作MS1；(3)將第二組試件真空飽水處理15min，隨后放入60℃恒溫水浴保持48h，測試穩(wěn)定度值，計算平均值并記作MS2；(4)將第三組試件用塑料袋密封，然后放入60℃恒溫水浴保持48h，測試穩(wěn)定度值，計算平均值并記作MS3；(5)基于上述測試結(jié)果，計算馬歇爾穩(wěn)定度損失率：ΔMS=(MS3-MS2)/MS1×100%。

改進(jìn)的浸水馬歇爾試驗方法中：試件真空飽水處理，加大水的侵蝕作用；試件裝入塑料袋后入水保溫，塑料袋在水壓作用下緊貼試件表面，隔絕了水和空氣，讓混合料只受溫度作用，試驗過程如圖3～圖6所示；以馬歇爾穩(wěn)定度損失率代替浸水殘留穩(wěn)定度，MS3與MS2的差值就是水造成的混合料穩(wěn)定度損失。

圖3 試件用塑料袋包裝

圖4 塑料袋在水壓作用下緊密包裹試件

圖5 塑料袋口密封并露出水面

圖6 水浴48h

2.2 對比分析

為對比改進(jìn)的浸水馬歇爾試驗方法和現(xiàn)有試驗方法，制定相應(yīng)的研究方案。采用馬歇爾設(shè)計方法設(shè)計了AC-13混合料和AC-20混合料。AC-13混合料的瀝青采用殼牌SBS改性瀝青，粗集料、細(xì)集料采用海南玄武巖碎石。AC-20混合料的瀝青采用殼牌A級70號基質(zhì)瀝青，粗集料、細(xì)集料采用廣東英德石灰?guī)r碎石，填料統(tǒng)一采用廣東從化產(chǎn)的石灰石礦粉。原材料質(zhì)量均滿足規(guī)范要求。

AC-13混合料和AC-20混合料各制備4組試件，第一組60℃水浴0.5h，第二組60℃水浴48h，第三組真空飽水后60℃水浴48h，第四組塑料袋密封后60℃水浴48h。改性瀝青混合料試件數(shù)量為10個/組，基質(zhì)瀝青混合料試件數(shù)量為8個/組。試驗結(jié)果見表2和表3。

分析表2和表3，不論改性瀝青混合料還是基質(zhì)瀝青混合料，均有如下結(jié)論：

(1)當(dāng)按照現(xiàn)有方法得到的浸水殘留穩(wěn)定度大于100%時，混合料穩(wěn)定度實際上仍有不同程度的損失，說明水對混合料的侵蝕仍然存在。

(2)改性瀝青混合料穩(wěn)定度損失率要比基質(zhì)瀝青混合料小，提高瀝青材料性能對抵抗水損害有利。

表2 AC-13改性瀝青混合料試驗結(jié)果

表3 AC-20基質(zhì)瀝青混合料試驗結(jié)果

(3)浸水抽真空后的馬歇爾穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度均小于常規(guī)水浴，說明浸水抽真空能夠加大水對混合料的侵蝕作用，試驗條件較為苛刻。

(4)塑料袋密封水浴的馬歇爾穩(wěn)定度大于浸水0.5h的馬歇爾穩(wěn)定度，說明瀝青混合料隔水保溫48h存在一定的瀝青老化，進(jìn)而引起混合料穩(wěn)定度增加。

(5)改進(jìn)的浸水馬歇爾試驗方法對不同類型的瀝青混合料均有效。

3 機(jī)理分析

瀝青混合料在60℃水浴過程中，同時受兩種截然相反的作用。一方面，水的侵蝕作用是顯而易見的，對穩(wěn)定度有損傷；另一方面，瀝青在60℃高溫下長時間浸泡會老化變硬，導(dǎo)致穩(wěn)定度提高。當(dāng)瀝青老化對穩(wěn)定度的強化>水對穩(wěn)定度的損害，混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度>100%；當(dāng)瀝青老化對穩(wěn)定度的強化<水對穩(wěn)定度的損害，混合料浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度<100%。馬歇爾殘留穩(wěn)定度是這兩種相反效果疊加后的結(jié)果，沒有將瀝青老化作用對穩(wěn)定度的影響剔除，不能準(zhǔn)確表達(dá)出水損害程度，必然導(dǎo)致對瀝青混合料水穩(wěn)定性的評價失效。

改進(jìn)的浸水馬歇爾試驗提供了一個解決方案，排除瀝青老化因素，單純考察水損害，采用新的指標(biāo)來評價混合料水損害程度。試驗結(jié)果表明，該方法對不同類型的混合料均有效。

4 結(jié)論

(1)改性瀝青和基質(zhì)瀝青在水浴(60℃、48h)及空氣浴(60℃、48h)條件下均存在不同程度的老化，其老化程度排序為：短期老化>空氣浴老化>水浴老化>原樣。

(2)現(xiàn)有的浸水馬歇爾試驗無法排除瀝青老化對穩(wěn)定度的影響，造成殘留穩(wěn)定度經(jīng)常超過100%，試驗結(jié)果失真，無法客觀準(zhǔn)確評價混合料水穩(wěn)定性。

(3)改進(jìn)的浸水馬歇爾試驗采用穩(wěn)定度損失率來評價水損害程度，指標(biāo)含義明確，對不同類型的混合料均適用。

需要說明的是，瀝青浸水老化機(jī)理尚不明確，本文的研究無法判斷瀝青水浴老化是否是氧化行為(雖然有較大可能性是)，水中溶解氧、瀝青中溶解氧以及混合料內(nèi)部空隙的氧氣是否會引起瀝青老化尚不清楚；馬歇爾試驗離散性較大，而瀝青老化對穩(wěn)定度的貢獻(xiàn)不到1kN，因此改進(jìn)的方法需要的樣品數(shù)量較多。