水溫對(duì)透水瀝青混合料力學(xué)性能的影響

張海濤，郭志超，劉作強(qiáng)

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

0 引言

相比于傳統(tǒng)瀝青混合料，透水瀝青混合料(PAC-13)具有良好的排水、降噪和抗滑等功能，因此被廣泛應(yīng)用到高速公路和城市道路的建設(shè)中。透水瀝青混合料具有較大的孔隙，雨水可以快速滲入路表中，并通過(guò)路面邊緣和排水設(shè)施快速排出，因而有效保證了雨天行車(chē)安全[1]。透水瀝青混合料是典型的大孔隙骨架結(jié)構(gòu)，且其內(nèi)部存在一定的連通孔隙，這對(duì)透水瀝青混合料承受行車(chē)荷載產(chǎn)生不利影響；而且在實(shí)際應(yīng)用中，殘留在孔隙內(nèi)部的水分在行車(chē)荷載作用下，產(chǎn)生滲透壓力和膨脹壓力，進(jìn)一步擴(kuò)大了混合料的孔隙，加速了瀝青在集料表面的剝落，最終產(chǎn)生路面病害[2]。因此，在保證透水瀝青混合料力學(xué)性能的同時(shí)使其兼具良好的水穩(wěn)性能是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。

Pan等[3]發(fā)現(xiàn)混合料的水穩(wěn)定性與集料級(jí)配、瀝青種類(lèi)、成型方法有關(guān)。此外相比于基質(zhì)瀝青混合料，改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性更佳；余海游[4]發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青與石灰?guī)r之間的抗剝落能力較強(qiáng)，且摻加消石灰和生石灰能明顯改善混合料的水穩(wěn)定性；雷鵬群[5]通過(guò)Abaqus軟件對(duì)重荷載條件下的排水瀝青路面開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)摻加纖維可以提高混合料的內(nèi)部穩(wěn)定性；李兆生等[6]研究了凍融對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響特性，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用增大了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性對(duì)應(yīng)力水平的敏感性；于立澤等[7]研究發(fā)現(xiàn)排水瀝青混合料的力學(xué)與排水性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且其力學(xué)和排水性能均隨著集料公稱最大粒徑的增大而提高。

綜上所述，目前對(duì)于透水瀝青混合料水穩(wěn)定性的研究主要集中在瀝青種類(lèi)、外加劑比例對(duì)混合料水穩(wěn)定性的影響，以及凍融循環(huán)作用對(duì)瀝青混合料孔隙率和疲勞性能的影響等。本研究選用90#SBS瀝青和高粘改性瀝青，針對(duì)PAC-13開(kāi)展劈裂試驗(yàn)，凍融劈裂試驗(yàn)以及浸水馬歇爾試驗(yàn)，以確定透水瀝青混合料水溫穩(wěn)定性的主要影響因素，同時(shí)以AC-13作為對(duì)比研究。通過(guò)數(shù)字圖像技術(shù)獲取PAC-13的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合宏觀試驗(yàn)綜合分析水溫對(duì)于瀝青混合料的損傷機(jī)理，為解決透水瀝青混合料在實(shí)際工程中的水溫穩(wěn)定性問(wèn)題提供理論基礎(chǔ)。

1 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

1.1 瀝青

試驗(yàn)采用90#SBS改性瀝青和高粘改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

試驗(yàn)采用的粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉親水系數(shù)為0.6。表2為試驗(yàn)采用集料的技術(shù)指標(biāo)。

表2 集料的技術(shù)指標(biāo)

1.3 纖維穩(wěn)定劑

玄武巖石質(zhì)纖維具有良好的耐酸、耐堿和耐高溫等性能，能顯著提高透水瀝青混合料的力學(xué)性能和高低溫穩(wěn)定性。研究采用在PAC-13中摻入0.3%的玄武巖石質(zhì)纖維，其技術(shù)指標(biāo)列于表3。

1.4 瀝青混合料設(shè)計(jì)

本研究以PAC-13瀝青混合料為研究對(duì)象，根據(jù)《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》(CJJT190-2012)[8]的相關(guān)要求，進(jìn)行目標(biāo)孔隙率和級(jí)配設(shè)計(jì)。綜合考慮強(qiáng)度和排水性能要求，將PAC-13的目標(biāo)孔隙率設(shè)置為20%，同時(shí)對(duì)AC-13進(jìn)行對(duì)比分析研究，設(shè)計(jì)級(jí)配如圖1所示。通過(guò)馬歇爾配合比設(shè)計(jì)可得，PAC-13和AC-13的最佳瀝青用量分別為4.7%和4.8%。

圖1 級(jí)配曲線

2 水溫對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能影響

瀝青路面早期水損壞已經(jīng)成為我國(guó)瀝青路面最常見(jiàn)的病害之一，對(duì)于瀝青路面水損壞問(wèn)題，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的理論成果[9]，基于此，本研究在之前研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展水溫對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能的影響研究。選用高粘瀝青和SBS改性瀝青，通過(guò)劈裂試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)，研究不同溫度、凍融循環(huán)和熱水浴3種水溫作用下透水瀝青混合料的力學(xué)性能變化規(guī)律。

2.1 劈裂試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)

采用不同溫度以及凍融循環(huán)2種水溫狀態(tài)來(lái)模擬路面實(shí)際環(huán)境，分別采用劈裂強(qiáng)度，劈裂強(qiáng)度比TSR作為評(píng)價(jià)以上2種水溫狀態(tài)下瀝青混合料的水溫穩(wěn)定性指標(biāo)。

1) 選用圖1中的2種級(jí)配，分別用SBS改性瀝青和高粘改性瀝青制備馬歇爾試件。每個(gè)級(jí)配制備15個(gè)試件并隨機(jī)分成3組，每組5個(gè)，分別測(cè)試瀝青混合料在10、20和30 ℃下的劈裂強(qiáng)度。

2) 同1)，制備成型上述2種級(jí)配的試件，每個(gè)級(jí)配20個(gè)試件并隨機(jī)4組。前3組分別進(jìn)行1次、3次和5次的凍融循環(huán)，第4組不進(jìn)行凍融。將凍融循環(huán)后的3組試件與第4組試件同時(shí)放入25 ℃的恒溫水浴箱中保持2 h，并在25 ℃下進(jìn)行試件的劈裂試驗(yàn)。劈裂抗拉強(qiáng)度按照式(1)和式(2)計(jì)算，凍融劈裂強(qiáng)度比按照式(3)計(jì)算。

RT1=0.006 287PT1/h1

(1)

RT2=0.006 287PT2/h2

(2)

式中：RT1和RT2分別為未經(jīng)凍融循環(huán)和經(jīng)歷凍融循環(huán)后試件的劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；PT1和PT2為試驗(yàn)荷載數(shù)值，N；h1和h2為試件的高度,mm。

(3)

式中:TSR為凍融劈裂強(qiáng)度比，RΤ2為凍融循環(huán)后試件的劈裂強(qiáng)度,MPa；RΤ1為未經(jīng)凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度,MPa。

試驗(yàn)1)中不同溫度下瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度如圖2所示。

圖2 不同試驗(yàn)溫度下瀝青混合料劈裂強(qiáng)度

由圖2可知，2種級(jí)配瀝青混合料在SBS改性瀝青和高粘改性瀝青下的的劈裂強(qiáng)度都隨溫度的升高呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，并且相關(guān)系數(shù)R2為0.97～0.99，初步表明瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和溫度之間具有一定線性相關(guān)性。通過(guò)圖2還可以看出，高粘瀝青制備的2種瀝青混合料劈裂強(qiáng)度，都明顯優(yōu)于SBS改性瀝青。

試驗(yàn)2)中經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的瀝青混合料劈裂強(qiáng)度和孔隙率如表4和圖3所示。

表4 各凍融循環(huán)次數(shù)下瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度與孔隙率

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度與TSR

根據(jù)上述結(jié)果可知：

1) 2種級(jí)配瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度都隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低，這與瀝青混合料的孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的趨勢(shì)相符。其原因是因?yàn)閮鋈谘h(huán)的試件先后經(jīng)歷真空飽水，凍融和熱水浴3個(gè)階段。水分在真空飽水期間滲透到瀝青與集料的粘結(jié)面上，一方面降低了瀝青對(duì)石料的粘附性，另一方面水分對(duì)瀝青起到一定的乳化作用，從而降低了混合料強(qiáng)度。而凍融和熱水浴，進(jìn)一步促進(jìn)瀝青的乳化和粘附性的降低，從而導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷降低，并且相關(guān)系數(shù)R2處于0.94～0.99，初步表明瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)有一定的線性相關(guān)性。換言之，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨水溫作用時(shí)間而不斷降低。

2) 凍融循環(huán)作用下，PAC-13瀝青混合料劈裂強(qiáng)度都低于AC-13劈裂強(qiáng)度。這是由于AC-13瀝青混合料屬于密集配類(lèi)型，空隙率低，水分很難進(jìn)入到瀝青混合料內(nèi)部，所以凍融對(duì)AC-13的內(nèi)部影響較小，損壞更多發(fā)生在混合料的表面而不是內(nèi)部，從而保證了較高強(qiáng)度。而PAC-13瀝青混合料屬于大孔隙排水結(jié)構(gòu)，水分很容易進(jìn)到混合料內(nèi)部并滲透到瀝青與集料的孔隙之間，導(dǎo)致瀝青與集料的粘附性降低。而進(jìn)入混合料內(nèi)部的水分，由于凍漲作用，對(duì)周?chē)幕旌狭袭a(chǎn)生擠壓作用從而貫通部分孔隙，因此相比于AC-13，PAC-13的空隙增長(zhǎng)率更大，所以凍融下PAC-13的強(qiáng)度低于AC-13。

3) 從瀝青類(lèi)型來(lái)看，高粘改性瀝青混合料TSR數(shù)值明顯高于SBS改性瀝青混合料。以PAC-13為例，經(jīng)1次凍融作用后，SBS瀝青混合料TSR數(shù)值為90%，而高粘瀝青混合料為92.2%，是前者的1.024倍；在3次凍融后，后者是前者的1.127倍；5次凍融后為1.15倍，說(shuō)明相比于SBS瀝青，高粘瀝青混合料具有更好的水溫穩(wěn)定性。分析原因，這是由于瀝青強(qiáng)度來(lái)源于石料之間的嵌擠以及瀝青與集料之間的粘聚力，觀察劈裂后的試件，破壞多發(fā)生在空隙較大處，孔隙較大處瀝青與集料的粘附性更易受到水溫破壞，使用高粘度改性瀝青，可以顯著提高瀝青的粘聚力以及瀝青與集料之間的粘附性，從而提高混合料的強(qiáng)度。說(shuō)明高粘瀝青可以明顯改善混合料的水溫穩(wěn)定性。

2.2 浸水馬歇爾試驗(yàn)

殘留穩(wěn)定度是評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。為研究不同水溫以及作用時(shí)間對(duì)混合料性能的影響，針對(duì)PAC-13,設(shè)置20、40和60 ℃ 3種水浴溫度，將同一瀝青制備的混合料試件分成 2組，一組馬歇爾試件放在某一溫度水中保持 0.5 h，另一組馬歇爾試件放在同溫度水中保持48 h，分別測(cè)定其馬歇爾穩(wěn)定度，然后按照式(4)計(jì)算此水溫下的殘留穩(wěn)定度。

(4)

式(4)中：MS殘-T為T(mén)溫度下混合料試件的穩(wěn)定度，%；MS0.5-T和MS48-T分別為T(mén)溫度下浸水 0.5 h和48 h后的馬歇爾穩(wěn)定度。

試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 浸水馬歇爾穩(wěn)定度

圖5 殘留穩(wěn)定度

根據(jù)上述結(jié)果可知：

1) 瀝青混合料的穩(wěn)定度隨著溫度的升高而逐漸降低，并且相關(guān)指數(shù)介于0.96～0.99，表明瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和溫度之間有一定的線性關(guān)系。

2) 同一種瀝青混合料試件，浸水48 h的馬歇爾穩(wěn)定度數(shù)值明顯低于同溫度浸水0.5 h狀態(tài)下穩(wěn)定度數(shù)值，說(shuō)明馬歇爾穩(wěn)定度隨著浸水時(shí)長(zhǎng)的增加而降低；此外，混合料的殘留穩(wěn)定度隨著水浴溫度的升高而加速降低，說(shuō)明高溫水浴會(huì)加速混合料的水損壞。

3) 高溫浸水狀態(tài)下，高粘瀝青混合料能更好的保持水溫穩(wěn)定性，比如60 ℃水浴下，高粘瀝青混合料試件殘留穩(wěn)定度為0.79，而SBS瀝青試件殘留穩(wěn)定度為0.71。說(shuō)明相比于SBS改性瀝青，高粘瀝青更適用于高溫雨多地區(qū)的瀝青路面。

綜合劈裂試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

1) 瀝青混合料的力學(xué)性能隨著溫度的升高而降低；

2) 水溫作用時(shí)間越久，混合料的性能衰減越嚴(yán)重；大孔隙路面的力學(xué)性能降低更明顯；

通過(guò)對(duì)我校大學(xué)生亞健康狀況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我校大學(xué)生存在亞健康狀況比較普遍.女生的亞健康狀況要比男生嚴(yán)重.亞健康檢查發(fā)現(xiàn)，膀胱、肺、肝、胃、大腸等器官存在的問(wèn)題比較嚴(yán)重和普遍.不良生活習(xí)慣是造成我校大學(xué)生亞健康狀況產(chǎn)生的最主要原因.缺乏運(yùn)動(dòng)、抽煙、飲酒、通宵上網(wǎng)、不吃早餐、熬夜等不良的生活習(xí)慣都給我校大學(xué)生的身體健康帶來(lái)了嚴(yán)重的危害.

3) 高溫會(huì)加速瀝青混合料的水損壞；

4) 高粘瀝青更適用于高溫多雨氣度，有良好的水溫穩(wěn)定性。

3 圖像采集與細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

3.1 試件處理與圖像采集

采用高粘瀝青PAC-13，制備15個(gè)試件隨機(jī)分成3組，一組不做處理，一組進(jìn)行一次凍融循環(huán)試驗(yàn)，最后一組試件進(jìn)行60 ℃水浴48 h處理。用CDD工業(yè)相機(jī)采集各組斷面圖像，并從每組圖像中隨機(jī)抽取一副進(jìn)行數(shù)字圖像處理分析。通過(guò)Matlab數(shù)字圖像處理技術(shù)，采用最大類(lèi)方差值法對(duì)全局閾值進(jìn)行圖像分割[10]，閾值分割原理可表示為：

(5)

x=φ1x1+φ2x2

(6)

式(5)中，F(xiàn)(x,y)是分割后的圖像；g(x,y)是分割前的圖像；T是閾值。X為圖像總平均灰度；φ1和φ2分別是前景圖案中有效點(diǎn)數(shù)占比和背景圖案有效占比，x1和x2分別為前景和背景的平均灰度。

當(dāng)類(lèi)間方差值G=φ1(x-x1)2+φ2(x-x2)2達(dá)到最大時(shí)，前景和背景差別最大，生成的圖像效果最好[11]，能更加清晰地反映出混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的空隙特征以及集料之間的嵌擠程度。閾值處理后的斷面圖如圖6所示。

圖6 閾值處理后的斷面

3.2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征分析

表5 孔隙特征值

圖7 瀝青混凝土孔隙類(lèi)型

從圖8可知，PAC-13試件在熱水浴48 h后，在原本的孔隙周?chē)黾恿艘恍┪⑿〉目紫?，分析原因，這是有熱水浴作用下，瀝青變軟粘性降低，水在高溫作用下加速侵蝕，進(jìn)入到瀝青與集料表面薄膜處，進(jìn)一步降低了瀝青與石料之間的粘附性，導(dǎo)致部分瀝青從石料表面剝落，在產(chǎn)生新的微小孔隙的同時(shí)，增加孔隙面積。而經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用的試件，由于低溫情況下水的凍結(jié)是由外向內(nèi)，內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)的水分無(wú)法沖破外試件外部的冰封層，所以水凍漲壓力作用到混合料內(nèi)部，貫通一些孔隙的薄弱位置，而當(dāng)熱水浴融化時(shí)，水流滲透到這些薄弱處，加速瀝青從集料上剝落，進(jìn)一步增加孔隙長(zhǎng)度和面積等。對(duì)圖8中3種狀態(tài)下混合料孔隙形態(tài)進(jìn)行對(duì)比，熱水浴后試件新增的一些微小孔隙以及凍融循環(huán)后原孔隙周?chē)募?xì)小連通孔隙，與表5中孔隙特征值相符，更加充分闡述了水溫對(duì)瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

1) 水溫作用會(huì)對(duì)瀝青混合料的力學(xué)性能造成一定程度的損傷，并且瀝青混合料的力學(xué)性能與水溫作用時(shí)間以及溫度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，同種瀝青制備的混合料試件，PAC-13的水溫穩(wěn)定性低于AC-13，說(shuō)明水溫作用對(duì)大空隙的透水瀝青路面影響更大。

2) 高粘改性瀝青制備的混合料試件水溫穩(wěn)定性優(yōu)于SBS瀝青制備的試件，在高溫多雨地區(qū)，更適宜采用高粘改性瀝青鋪筑路面。

3) 獲取PAC-13在3種水溫狀態(tài)下的斷面圖像，利用閾值分割處理以及Image-Pro plus軟件的圖像分析技術(shù)，獲取了各狀態(tài)下PAC-13的孔隙特征值，并提取孔隙形態(tài)，更加充分闡述了水溫對(duì)瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響。