模擬動(dòng)水壓力試驗(yàn)條件下的瀝青混合料路用性能評(píng)價(jià)

袁 玲，張關(guān)昊,蔡文濤

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510507；2.武漢工程大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，武漢 430074；3.武漢致遠(yuǎn)市政建設(shè)工程有限公司，武漢 430050)

0 引言

近年來(lái)我國(guó)高等級(jí)瀝青路面在其使用過(guò)程中，時(shí)刻受到諸如降雨、地表水以及來(lái)自大氣中水分的影響，當(dāng)路表面形成積水時(shí)，水分會(huì)通過(guò)混合料本身的連通空隙以及路面產(chǎn)生的各類(lèi)裂縫侵蝕到路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)。汽車(chē)行駛過(guò)程中輪胎對(duì)路面壓力的作用下，會(huì)逐漸導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分進(jìn)一步對(duì)瀝青路面造成破壞，從而產(chǎn)生松散和坑槽等早期常見(jiàn)的路面病害[1-3]。根據(jù)相關(guān)研究顯示，道路表面水損害現(xiàn)象是我國(guó)目前各等級(jí)道路發(fā)生早期破壞的主要病害之一[4-6]。這其中由于路面處于積水狀態(tài)，在汽車(chē)行駛過(guò)程中輪胎—水—路面組成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)水壓力，是加速瀝青路面水損害的重要原因之一。進(jìn)一步了解動(dòng)水壓力對(duì)路面的作用方式，同時(shí)采取相關(guān)應(yīng)對(duì)措施應(yīng)用到實(shí)際道路工程中，對(duì)減少路面水損害等相關(guān)的早期病害具有指導(dǎo)意義[7]。

本文介紹通過(guò)拼接組裝室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室?guī)追N簡(jiǎn)單儀器以及加工制作的沖刷容器為主要部件，形成一套能夠有效模擬實(shí)際路面形成的動(dòng)水壓力的試驗(yàn)系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)成型的混合料試件以及松散的混合料進(jìn)行較為全面的模擬試驗(yàn)，研究經(jīng)動(dòng)水壓力作用后的瀝青混合料路用性能的變化規(guī)律[8-9]。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 原材料

試驗(yàn)采用2種瀝青，分別是韓國(guó)SK-70基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青兩種道路常用瀝青，依據(jù)《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[10]測(cè)試基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)(表1)。所用集料為石灰?guī)r、填料為石灰?guī)r礦粉，集料、礦粉的基本技術(shù)指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表1 瀝青材料技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

本研究的模擬儀器為一套可模擬實(shí)際路面動(dòng)水壓力沖刷作用的試驗(yàn)裝置，如圖1所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)的組成主要包括空氣壓縮機(jī)、真空抽提儀、理論密度測(cè)定儀等儀器[11-13]。

圖1動(dòng)水壓力模擬試驗(yàn)系統(tǒng)

空氣壓縮機(jī)提供正壓，通過(guò)氣槍可以向密閉的沖刷容器桶內(nèi)注入空氣壓力，這一過(guò)程模擬實(shí)際路面行駛中的汽車(chē)輪胎對(duì)路表面產(chǎn)生的正壓力。該試驗(yàn)所用到的空氣壓縮機(jī)產(chǎn)自浙江，公稱(chēng)體積流速為0.11m3/min，額定排出最大壓力為0.7MPa。

真空抽提儀提供負(fù)壓，通過(guò)儀器運(yùn)轉(zhuǎn)將密閉的沖刷容器桶內(nèi)的空氣完全抽出，形成具有一定壓強(qiáng)的真空狀態(tài)，這一過(guò)程模擬實(shí)際路面中汽車(chē)行駛過(guò)后輪胎后方對(duì)路面產(chǎn)生的瞬時(shí)泵吸負(fù)壓力。試驗(yàn)所用的真空抽提儀最大可產(chǎn)生-0.1MPa的負(fù)壓力。

最大理論密度測(cè)定儀作為沖刷容器桶的基座，提供試驗(yàn)過(guò)程所需要的振動(dòng)效果，可以快速排除容器內(nèi)以及混合料內(nèi)部的空氣。沖刷容器桶采用透明材料制作，方便實(shí)時(shí)觀(guān)測(cè)模擬試驗(yàn)過(guò)程中的狀況，桶蓋上有進(jìn)氣孔和出氣孔，可以人為模擬正負(fù)壓交替循環(huán)的過(guò)程。

1.3 礦料級(jí)配及最佳油石比的確定

級(jí)配類(lèi)型選取密級(jí)配AC-13瀝青混合料，級(jí)配的確定見(jiàn)表2。按照表2所列的級(jí)配，初步擬定3.5%、4.0%、4.5%、5.0%四個(gè)油石比進(jìn)行馬歇爾擊實(shí)成型，再根據(jù)規(guī)范要求檢測(cè)馬歇爾試件的各類(lèi)體積指標(biāo)，結(jié)果均符合技術(shù)指標(biāo)要求。因?yàn)楸狙芯坎扇⊥患?jí)配下兩種瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，故確定最佳油石比為4.6%時(shí)的馬歇爾試件主要體積指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 AC-13型密級(jí)配瀝青混合料合成級(jí)配

表3 瀝青混合料試件體積指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

1.4 試驗(yàn)方案

在已有的研究基礎(chǔ)上，本文加入了對(duì)松散狀態(tài)的混合料受動(dòng)水壓力影響的比較，模擬兩種混合料類(lèi)型對(duì)動(dòng)水壓力下瀝青混合料路用性能的影響。兩種混合料類(lèi)型分別為一次成型和二次成型，一次成型即成型的混合料試件經(jīng)正負(fù)壓交替循環(huán)的動(dòng)水作用后風(fēng)干的過(guò)程；二次成型即散料經(jīng)動(dòng)水作用風(fēng)干后，二次加熱成型混合料試件的過(guò)程。最后，對(duì)兩者進(jìn)行性能檢測(cè)。

2 動(dòng)水壓力作用對(duì)混合料路用性能的影響

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性指的是瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。本節(jié)研究采用車(chē)轍試驗(yàn)來(lái)模擬瀝青混合料在高溫狀態(tài)下受到的荷載作用，根據(jù)動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行試驗(yàn)，成型結(jié)合料分別為基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青的兩種AC-13型瀝青混合料車(chē)轍板。試驗(yàn)時(shí)將預(yù)先制作好的車(chē)轍板在60℃的恒溫室中保溫不少于5h，以保證車(chē)轍板內(nèi)部溫度均勻，然后使試驗(yàn)輪以42次/min±1次/min的速度行駛在車(chē)轍板上。試驗(yàn)的停止條件為試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到1h或試件的最大變形達(dá)到25mm，參照試驗(yàn)規(guī)程計(jì)算混合料的動(dòng)穩(wěn)定度DS來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖3所示。

圖2 基質(zhì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

圖3 改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度

由圖2和圖3可以看出，隨著動(dòng)水沖刷作用時(shí)間的增加，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度逐漸增加。經(jīng)過(guò)動(dòng)水沖刷作用時(shí)間為4h時(shí)，SK-70基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相較于對(duì)照組提高了約26%；SBS改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相較于對(duì)照組提高了約43%。這表明前期動(dòng)水的反復(fù)作用會(huì)帶走細(xì)集料與粉塵，而細(xì)集料的減少意味著混合料在二次成型過(guò)程中粗集料更為集中，因此能有效地提高車(chē)轍板的動(dòng)穩(wěn)定度。而4h后，兩種瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度迅速回落下降并且低于對(duì)照組，由此可見(jiàn)，動(dòng)水壓力對(duì)瀝青混合料自身材料性能的破壞階段發(fā)生在4h后。并且可以進(jìn)一步推測(cè)兩種瀝青混合料在作用6h后的時(shí)間里，動(dòng)穩(wěn)定度的測(cè)試結(jié)果基本不滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性指的是瀝青混合料抵抗由于氣溫驟降或長(zhǎng)時(shí)間溫度循環(huán)下在瀝青層內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力導(dǎo)致瀝青混合料開(kāi)裂的能力，主要取決于混合料的低溫變形能力。本文采用半圓彎曲(SCB)試驗(yàn)[14]，進(jìn)行不同動(dòng)水壓力處理下瀝青混合料抗低溫開(kāi)裂性能的試驗(yàn)。參考EN 12697-44[15]，制備SGC試件，試件的直徑為150mm，厚度為62.5mm，然后沿直徑方向?qū)⒃嚰虚_(kāi)，最后在試件底部中間處切一個(gè)深度約為3mm的小槽即可得到SCB試件。測(cè)試儀器選取IPC UTM-100多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)之前需要將試件保溫不少于5h，以保證試件內(nèi)部溫度達(dá)到測(cè)試要求。放置妥當(dāng)之后，將UTM壓頭置于切縫正上方處開(kāi)始加載，加載速率為0.50mm/min，同時(shí)記錄每0.02s的位移與力值，直至材料破壞時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，記錄力的峰值作為臨界荷載。試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 基質(zhì)瀝青混合料斷裂能

圖5 改性瀝青混合料斷裂能

圖4～圖5反映了不同動(dòng)水沖刷作用時(shí)間對(duì)不同瀝青混合料斷裂能的影響程度。結(jié)果顯示：在不同動(dòng)水沖刷作用時(shí)間下，瀝青混合料的斷裂能隨動(dòng)水作用時(shí)間的增加，均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。且在動(dòng)水作用時(shí)間為4h時(shí)，瀝青混合料的斷裂能處于峰值；動(dòng)水作用時(shí)間4h后，兩種瀝青混合料的斷裂能迅速回落下降并低于對(duì)照組。

2.3 水穩(wěn)定性能

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是影響瀝青混合料耐久性的重要因素。本文參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，計(jì)算不同動(dòng)水壓力作用時(shí)間下凍融劈裂強(qiáng)度比(TSR)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。凍融劈裂試驗(yàn)采用馬歇爾擊實(shí)儀雙面擊實(shí)50次，成型高度為63.5mm±1.3mm、直徑為101.6mm的馬歇爾試件。試驗(yàn)中將試件隨機(jī)分成兩組，一組放置于室溫下保存?zhèn)溆?，另一組進(jìn)行凍融處理；然后將兩組試件放入25℃恒溫水槽中水浴2h，以保證試件內(nèi)部溫度均勻；最后采用多功能瀝青壓力試驗(yàn)儀，以50mm/min的加載速率，測(cè)試兩組試件破壞時(shí)的極限荷載。

將凍融組不同時(shí)間動(dòng)水沖刷作用后的劈裂強(qiáng)度對(duì)應(yīng)未凍融組不同時(shí)間動(dòng)水沖刷作用后的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行比值，試驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖6 基質(zhì)瀝青混合料TSR*

圖7 改性瀝青混合料TSR*

由圖6～圖7可以看出，隨著動(dòng)水沖刷作用時(shí)間的增加，TSR*呈現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)，并沒(méi)有出現(xiàn)峰值拐點(diǎn)。造成這一結(jié)果的原因可能是因?yàn)楫?dāng)動(dòng)水沖刷作用時(shí)間超過(guò)4h后，未凍融組和凍融組的馬歇爾試件整體強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，同時(shí)試件本身對(duì)水的敏感性降低，未凍融組試件的最大劈裂荷載下降幅度小于凍融組，導(dǎo)致未凍融組和凍融組之間的劈裂強(qiáng)度越來(lái)越接近，故劈裂強(qiáng)度比值TSR*呈現(xiàn)越來(lái)越大的趨勢(shì)。

將凍融組不同時(shí)間動(dòng)水沖刷作用后的劈裂強(qiáng)度對(duì)應(yīng)未凍融組0h的劈裂強(qiáng)度進(jìn)行比值，結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 基質(zhì)瀝青混合料TSR*

圖9 改性瀝青混合料TSR*

由圖8～圖9可以看出，0～4h之間TSR*先略微下降然后上升達(dá)到峰值，與不固定對(duì)照組TSR*試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律基本一致，基質(zhì)瀝青組一次成型混合料和二次成型混合料4hTSR*相較于0hTSR*分別提升了約5%和14%，改性瀝青組一次成型混合料和二次成型混合料4hTSR*相較于0hTSR*分別提升了約11%和15%。由此可見(jiàn)，動(dòng)水壓力對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性起著改善作用；6h之后，與不固定對(duì)照組TSR*試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律基本相反，TSR*急劇下降。因此，對(duì)比兩種比值結(jié)果，可以綜合判斷動(dòng)水壓力對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性起著先提升后減弱的作用。

2.4 疲勞性能

疲勞開(kāi)裂是瀝青路面主要的破壞模式之一[16]。本文采用循環(huán)加載半圓彎曲(R-SCB)試驗(yàn)研究不同動(dòng)水沖刷作用時(shí)間、不同應(yīng)力比條件下瀝青混合料的疲勞性能[17-18]。試驗(yàn)儀器選取IPC UTM-100多功能材料試驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)試過(guò)程在符合規(guī)范要求的環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)加載大小由平行試驗(yàn)第一個(gè)試件通過(guò)半圓彎曲試驗(yàn)所確定?；|(zhì)瀝青混合料試驗(yàn)參數(shù)選取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7五個(gè)應(yīng)力比水平；改性瀝青混合料試驗(yàn)參數(shù)選取0.4、0.5、0.6、0.7、0.8五個(gè)應(yīng)力比水平[19-20]，試驗(yàn)頻率為2Hz。試驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10 一次成型基質(zhì)瀝青混合料

圖11 二次成型基質(zhì)瀝青混合料

圖12 一次成型改性瀝青混合料

圖13 二次成型改性瀝青混合料

通過(guò)圖10～圖13試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在同樣的應(yīng)力比試驗(yàn)條件下，對(duì)于不同的動(dòng)水作用時(shí)間，隨著動(dòng)水作用時(shí)間的增加，瀝青混合料的疲勞壽命有明顯提高。動(dòng)水作用時(shí)間為4h時(shí)，提高幅度最為明顯；4h后，隨著動(dòng)水作用時(shí)間的增加，瀝青混合料的疲勞壽命迅速下降回落且低于對(duì)照組。

在五個(gè)應(yīng)力比范圍下，基質(zhì)瀝青組一次成型瀝青混合料0～4h疲勞壽命平均增長(zhǎng)率為38%，4～6h疲勞壽命平均下降率為40%；基質(zhì)瀝青組二次成型瀝青混合料0～4h疲勞壽命平均增長(zhǎng)率為24%，4～6h疲勞壽命平均下降率為32%；改性瀝青組一次成型瀝青混合料0～4h疲勞壽命平均增長(zhǎng)率為26%，4～6h疲勞壽命平均下降率為18%；改性瀝青組二次成型瀝青混合料0～4h疲勞壽命平均增長(zhǎng)率為18%，4～6h疲勞壽命平均下降率為24%。一次成型的瀝青混合料疲勞壽命受動(dòng)水壓力的影響要大于二次成型的瀝青混合料，這可能是因?yàn)榻?jīng)過(guò)同等條件動(dòng)水壓力作用后，成型后的瀝青混合料試件除了試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，試件內(nèi)部還存在少量水分；松散的瀝青混合料在二次成型過(guò)程中完全排除了水分的干擾。這一結(jié)果表明水分的存在對(duì)于瀝青混合料的應(yīng)力敏感性起著不可忽視的作用。

在0～4h動(dòng)水沖刷的作用下，混合料內(nèi)外粘附性較差的局部缺陷以細(xì)集料和粉塵的形式被帶出，而細(xì)集料的流失也對(duì)混合料抵抗荷載重復(fù)作用起到改善作用。超過(guò)4h后，水分完全侵蝕到混合料的內(nèi)部，甚至對(duì)瀝青本身造成了破壞，降低了集料與瀝青之間的粘附性，造成了內(nèi)部缺陷的發(fā)展，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。綜合分析認(rèn)為，4h前的動(dòng)水沖刷作用會(huì)提高瀝青混合料的疲勞壽命，4h后的動(dòng)水沖刷作用會(huì)減小瀝青混合料的疲勞壽命。

2.5 動(dòng)態(tài)模量

瀝青混合料是一種粘彈性體，在受到高溫荷載時(shí)，其內(nèi)部受力和變形表現(xiàn)為粘彈性特征，材料變形分為彈性變形和粘性變形。瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量是瀝青混合料在正弦荷載下的響應(yīng)特征[21]。瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)主要是在無(wú)側(cè)向壓力的條件下，對(duì)瀝青混合料試件按照一定的溫度、頻率、波形施加豎向荷載，同時(shí)測(cè)量試件可恢復(fù)的軸向變形。

本文根據(jù)AASHTO TP62進(jìn)行不同時(shí)間動(dòng)水壓力作用下的一次成型、二次成型瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量測(cè)試。測(cè)試溫度分別設(shè)定為-10℃、4.4℃、21℃、38℃和54℃；荷載施加頻率分別為0.1Hz、0.5Hz、1.0Hz、5.0Hz、10.0Hz和25.0Hz。采用sigmoidal函數(shù)式(1)～式(3)進(jìn)行主曲線(xiàn)擬合。動(dòng)態(tài)模量主曲線(xiàn)如圖14～圖17所示。

(1)

fr=f×αT

(2)

(3)

式中:E*為瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量；

δ，α，β，γ，C1和C2是擬合參數(shù)；

fr是在參考溫度下的加載頻率；f是試驗(yàn)頻率；

αT是移位因子，T和Tr分別是試驗(yàn)和參考溫度(℃)。

圖14 一次成型基質(zhì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線(xiàn)

圖15 二次成型基質(zhì)瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線(xiàn)

圖16 一次成型改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線(xiàn)

圖17 二次成型改性瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量主曲線(xiàn)

由圖14～圖17可以看出：瀝青混合料主曲線(xiàn)呈現(xiàn)S型分布，4h動(dòng)水作用主曲線(xiàn)始終位于最上方，說(shuō)明經(jīng)過(guò)4h動(dòng)水作用時(shí)間，瀝青混合料的性能有所提升。6h動(dòng)水作用主曲線(xiàn)始終位于最下方，說(shuō)明4h之后的動(dòng)水作用已經(jīng)開(kāi)始對(duì)瀝青混合料的性能造成破壞和損傷。0h和2h動(dòng)水作用主曲線(xiàn)存在逼近、交叉現(xiàn)象，說(shuō)明短時(shí)間的動(dòng)水作用對(duì)瀝青混合料性能影響不大。

3 結(jié)論

本文基于動(dòng)水壓力模擬試驗(yàn)，探究動(dòng)水壓力作用對(duì)混合料路用性能影響，得出以下結(jié)論：

(1)短時(shí)間的動(dòng)水沖刷作用導(dǎo)致瀝青混合料內(nèi)部的粉塵等雜質(zhì)被抽提出來(lái)，使得瀝青混合料的含泥量降低，更加純凈，可以有效地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗疲勞性能。隨著動(dòng)水沖刷作用時(shí)間的增長(zhǎng)，水分的弱化作用開(kāi)始體現(xiàn)并逐漸增強(qiáng)。

(2)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定和評(píng)價(jià)了不同時(shí)間動(dòng)水沖刷作用后瀝青混合料的力學(xué)性能，得到瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)模量隨著動(dòng)水沖刷作用時(shí)間的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，4h處達(dá)到峰值轉(zhuǎn)折點(diǎn)。在動(dòng)水沖刷作用前中期增長(zhǎng)幅度較緩，后期在動(dòng)水沖刷作用中下降幅度較大。

(3)綜合路用性能和力學(xué)性能測(cè)試來(lái)看，瀝青混合料的動(dòng)水沖刷作用顯然會(huì)改變材料的性能，但這種改變?cè)?h前對(duì)其材料性能有所提升，4h后才會(huì)對(duì)其材料性能產(chǎn)生損傷乃至破壞。