環(huán)氧瀝青混合料孔隙結(jié)構(gòu)及滲透性能

唐建鋒，楊 藝

(1.建德市交通發(fā)展投資有限公司，浙江 建德 311600；2.東南大學交通學院，南京 211100)

0 引言

瀝青路面裸露于自然環(huán)境之中，經(jīng)受著循環(huán)的降雨和溫度變化耦合作用下的侵蝕。在行車荷載的作用下，瀝青面層內(nèi)部受動水沖刷作用[1]，極易產(chǎn)生水損害，從而引發(fā)開裂、坑槽等病害。相關(guān)的研究表明，這些病害與瀝青路面材料的抗水損害能力、孔隙率均有較強的相關(guān)性。

瀝青混合料的孔隙結(jié)構(gòu)對其水穩(wěn)定性的影響很大，當前瀝青路面多采用密級配瀝青混合料來減少路表水的下滲或利用多孔瀝青混合料鋪設(shè)排水路面，但此類瀝青混合料易產(chǎn)生空隙堵塞的問題,高溫重載條件下抗車轍能力也較差。針對瀝青混合料的孔徑結(jié)構(gòu)與水穩(wěn)定性的關(guān)系，已有研究表明，瀝青混合料孔隙率在8%～12%時，抗水損害能力急劇下降[3]。使用改性瀝青是提高瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要方法之一，研究人員通過水煮法、浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗等試驗方法，證明了環(huán)氧瀝青混合料具有十分優(yōu)越的抗水損害能力[4-5]。然而，環(huán)氧瀝青混合料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀抗水損害能力之間的關(guān)系目前所知甚少，相應(yīng)的試驗研究通常局限于建立孔隙率與凍融劈裂強度的相關(guān)關(guān)系。

瀝青混合料的滲水性能受到孔隙結(jié)構(gòu)的影響，又與水損害的產(chǎn)生與發(fā)展密不可分。相較于水煮法和凍融劈裂試驗等，滲水試驗?zāi)軌蚋玫啬M實際的路面結(jié)構(gòu)，對路面材料水穩(wěn)定性作出評價?？紤]到行車荷載作用下的動水沖刷作用，采用壓力滲水試驗?zāi)軌蜻M一步貼合現(xiàn)場情況。本文利用工業(yè)CT掃描技術(shù)，建立三維孔隙結(jié)構(gòu)模型，對凍融循環(huán)作用下的普通瀝青混合料和環(huán)氧瀝青混合料的孔隙結(jié)構(gòu)變化進行分析，結(jié)合壓力滲水試驗，分析環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善效果。

1 試驗

1.1 原材料

試驗研究選用殼牌瀝青及方山料場礦料集料配制SMA-13級配瀝青混合料，礦料規(guī)格為0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm，設(shè)計級配曲線如圖1所示。原材料各項技術(shù)指標依據(jù)《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行檢測，各指標檢測結(jié)果均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)。

1.2 凍融試驗

根據(jù)標準擊實法分別制備普通瀝青混合料試件和環(huán)氧瀝青混合料試件，試件尺寸為φ101.6mm×63.5mm，用馬歇爾擊實儀雙面擊實各50次。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行凍融試驗。首先對試件進行真空飽水，并在常壓下置于水槽中0.5h；然后將試件放入塑料袋，袋內(nèi)注入10mL水，試件在-18℃下冷凍2h；取出試件后，放入60℃的恒溫水槽中融化，再將試件從塑料袋中取出，保溫2h。當試件完成凍融試驗后，分別進行工業(yè)CT掃描試驗和壓力滲水試驗。

2 工業(yè)CT掃描試驗及分析

2.1 工業(yè)CT掃描試驗

CT掃描的空間分辨率和密度分辨率直接影響到二維灰度圖的清晰度，兩者制約著樣品的尺寸，因此需要對凍融前后的瀝青混合料試件進行鉆芯取樣，采用直徑30mm、高60mm的圓柱體試件進行CT掃描試驗。此次CT掃描試驗在東南大學材料學院進行，試驗儀器為X射線斷層掃描儀和三維X射線顯微鏡。其中，普通瀝青混合料試件采用X射線斷層掃描儀獲取CT圖像，掃描間隔為0.1mm；環(huán)氧瀝青混合料試件采用三維X射線顯微鏡獲取CT圖像，掃描間隔為0.01mm。工業(yè)CT掃描試驗結(jié)果得到的灰度圖如圖2所示，本文利用灰度圖重構(gòu)瀝青混合料的三維模型，提取其中的孔隙結(jié)構(gòu)，進行分析。

圖2 二維灰度圖(左側(cè)為凍融前普通瀝青混合料，右側(cè)為凍融后普通瀝青混合料)

2.2 試驗結(jié)果分析

對工業(yè)CT掃描圖像進行三維重構(gòu)，提取孔隙信息得到孔隙率(表1)。為便于觀察凍融后孔隙結(jié)構(gòu)的變化，將孔隙按不同孔徑大小進行劃分。圖3與圖4分別體現(xiàn)了凍融前后不同孔徑下孔隙數(shù)量與孔隙體積的變化情況。

表1 凍融前后瀝青混合料試件孔隙率

分析試驗結(jié)果可知：

(1) 對比表1中的孔隙率數(shù)據(jù)，凍融前后均呈現(xiàn)瀝青混合料試件孔隙率增大的現(xiàn)象，其中環(huán)氧瀝青混合料的孔隙率的增長率要遠小于普通瀝青混合料。同為環(huán)氧瀝青混合料，初始孔隙率越低，凍融后孔隙率的增長量越小。各試件中，初始孔隙率最低的環(huán)氧瀝青混合料試件B孔隙率增長率最小，僅增長了4.98%；普通瀝青混合料試件A的孔隙率增長率最大，增長了49.16%。說明提高混合料密實度、摻加環(huán)氧樹脂均具有改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的效果，摻加環(huán)氧樹脂的改善效果較明顯。

(2)普通瀝青混合料試件A，各孔徑范圍內(nèi)均有孔隙數(shù)量大幅下降，在孔徑100～500μm內(nèi)孔隙數(shù)量減少量最大；環(huán)氧瀝青混合料試件B，各孔徑范圍內(nèi)均有孔隙數(shù)量增加，以50μm孔徑以下孔隙為主；環(huán)氧瀝青混合試件C，各孔徑范圍內(nèi)均有孔隙數(shù)量減少，同樣以50μm孔徑以下孔隙為主。由于各試件均有凍融后孔隙率的增加，說明普通瀝青混合料試件A和環(huán)氧瀝青混合試件C在凍融作用下，均表現(xiàn)為孔隙的擴大至連通發(fā)展，但受到環(huán)氧樹脂三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的影響，試件C孔隙發(fā)展相對較慢；而環(huán)氧瀝青混合料試件B的孔隙仍以孔隙自身孔徑的擴大為主，各孔隙發(fā)展相對獨立。

(3)觀察圖4中的孔隙體積變化情況，發(fā)現(xiàn)試件A與C有相同的規(guī)律，在孔徑為500μm以下的孔隙體積均表現(xiàn)為凍融后減小，而500μm以上的孔隙體積大幅增大。而試件B表現(xiàn)為凍融循環(huán)后各孔徑范圍內(nèi)的孔隙體積均提高，以孔徑為500μm以上的孔隙體積增大量為主。可以認為凍融循環(huán)作用下，瀝青混合料孔隙率的增加，普遍依賴于500μm孔徑以上孔隙體積的增大。

3 壓力滲水試驗及分析

當路面存在自由水時，在行車荷載作用下，自由水會在瀝青混合料內(nèi)部發(fā)生滲流，在動水沖刷作用下，集料與瀝青逐漸失去粘附性，部分細集料剝落，進一步引發(fā)裂縫、松散、坑槽等病害。瀝青混合料水損害的發(fā)生與瀝青混合料的滲流特征息息相關(guān)，同時自由水在混合料內(nèi)部的移動又取決于連通孔隙，因此對凍融循環(huán)前后的各環(huán)氧瀝青混合料試件進行壓力滲水試驗，測定水壓分別為0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa和0.7MPa時單位時間內(nèi)滲入試件的水量(表2)。

表2 不同壓力下環(huán)氧瀝青混合料的滲水量

由表2可知：

(1)試件B的滲水量始終為0，即在低孔隙率時，環(huán)氧瀝青混合料滲水量為0。說明低孔隙率的環(huán)氧瀝青混合料在早期凍融循環(huán)下，試件內(nèi)部還未形成上下連通的孔隙，依然具有較好的水穩(wěn)定性。

(2)凍融前后，瀝青混合料內(nèi)孔隙率增大，連通孔隙增多，滲水量也提高，水穩(wěn)定性下降。隨著壓力的增大，滲水量增大，凍融前后試件的滲水量差值變大。

(3)觀察初始孔隙率為7.74%的環(huán)氧瀝青混合料試件C，呈現(xiàn)隨著壓力增加滲水量逐漸增加，但滲水量的增加量逐漸減小的關(guān)系。這是因為試件內(nèi)部連通的孔隙體積一定時，滲水能力受限，一定范圍內(nèi)隨著壓力的增大，滲水量趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文通過凍融循環(huán)試驗、工業(yè)CT掃描試驗和壓力滲水試驗，分析凍融循環(huán)作用下普通瀝青混合料及環(huán)氧瀝青混合料孔隙結(jié)構(gòu)的變化及滲透特性，得到主要結(jié)論:

(1)凍融循環(huán)作用下，瀝青混合料的孔隙率增大，環(huán)氧瀝青混合料的孔隙率變化量小于普通瀝青混合料，其中又以較小孔隙率的環(huán)氧瀝青混合料的孔隙率變化量最小。

(2)凍融前后，瀝青混合料孔隙率的增加，主要來源于500μm孔徑以上孔隙體積的增大。普通瀝青混合料A和較大孔隙率的環(huán)氧瀝青混合料C在各孔徑范圍的孔隙數(shù)量都有所減少，孔隙體積以500μm為界，孔徑在500μm以上的孔隙體積增大，500μm以下的孔隙體積減??；而小孔隙率的環(huán)氧瀝青混合料B在各孔徑范圍的孔隙數(shù)量和孔隙體積均增加，以孔徑在500μm以上的孔隙體積增大為主。

(3)環(huán)氧瀝青混合料的滲水量受到孔隙率和壓力的影響。低孔隙率的試件B凍融前后均不滲水，水穩(wěn)定性更好；凍融作用導致的環(huán)氧瀝青混合料連通孔隙增多，滲水量相應(yīng)增加；滲水量呈現(xiàn)隨壓力增加而增長的現(xiàn)象，但滲水量增加量逐漸減小，滲水量趨于穩(wěn)定。