真空飽水衡量水對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

李秀君， 趙麟昊， 歐陽歡， 劉立偉， 王寧寧

（1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2.嘉興市秀洲區(qū)區(qū)公路與運(yùn)輸管理服務(wù)中心，浙江嘉興 314000）

永久變形是高溫多雨地區(qū)瀝青路面的主要病害，占所有病害類型的比例常達(dá)80%以上［1?2］.廣泛應(yīng)用的SBS 改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)規(guī)范限值的2 倍，而在高溫多雨地區(qū)的應(yīng)用中其仍會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的車轍病害［3］.究其原因，水在瀝青膜中的擴(kuò)散作用會(huì)削弱瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.

為定量分析水對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，本文通過真空飽水試驗(yàn)，深入探究瀝青混合料內(nèi)黏聚力、內(nèi)摩擦角和動(dòng)穩(wěn)定度隨飽水率的變化規(guī)律，并對(duì)多功能改性瀝青混合料（MFMA）、SBS 改性瀝青混合料（SBSMA）和基質(zhì)瀝青混合料（MA）進(jìn)行對(duì)比研究.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青為中國石化70#瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 基質(zhì)瀝青的技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical specifications of basic asphalt

礦料來源于浙江省某公路大修工程，確定瀝青混合料的最佳油石比為4.3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的摻量、比值等除特殊說明外均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比），級(jí)配為AC?13 密級(jí)配.SBS 改性劑為線形結(jié)構(gòu)［4?6］，且為提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性，SBS 改性瀝青混合料中SBS 摻量為4.5%.結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果［7］，為達(dá)到最佳路用性能，多功能改性劑摻量為混合料質(zhì)量的0.3%，其雙組分調(diào)配質(zhì)量比為2∶1.

1.2 試驗(yàn)方法

為定量分析水對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，對(duì)瀝青混合料進(jìn)行真空飽水試驗(yàn)，確定混合料在不同時(shí)間t下的飽水率wF［8］.參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》，將不同飽水率試件放入60 ℃水箱中養(yǎng)護(hù)48 h，以模擬高溫多雨地區(qū)的水和溫度耦合作用（簡(jiǎn)稱水溫耦合作用），隨后進(jìn)行劈裂試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)，測(cè)試瀝青混合料的內(nèi)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ及不同飽水率下的動(dòng)穩(wěn)定度DS.采用韌悅顯微鏡將3 種混合料表面放大500 倍，表征了混合料的表面狀態(tài).

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青混合料真空飽水試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)瀝青混合料試件進(jìn)行真空飽水試驗(yàn)，得到MA、SBSMA、MFMA 的孔隙率（體積分?jǐn)?shù)）分別為4.4%、4.5%、1.9%；其不同時(shí)間t下的飽水率見圖1.由圖1 可見，對(duì)MFMA：在吸水的前30 s，試件飽水率達(dá)到20%，試件表面空隙迅速被水分占據(jù)，飽水率迅速增大；30~120 s 時(shí)，飽水率增長到50%，該過程中水分逐步填充試件內(nèi)部開口孔隙，試件飽水率出現(xiàn)一定程度的線性增長；120 s 后，試件的孔隙基本全部被水占據(jù)，試件內(nèi)部深處部分開口孔隙進(jìn)水，飽水率增長開始放緩；180 s 時(shí)，水分在試件中的飽水率達(dá)61%左右.

圖1 瀝青混合料不同時(shí)間t 下的飽水率Fig.1 wF of asphalt mixtures at different t

由圖1 還可見：SBSMA 和MA 在180 s時(shí)的飽水率均達(dá)到在78%左右，高于MFMA 的飽水率.這是由于MFMA 的孔隙率遠(yuǎn)低于SBSMA 和MA，導(dǎo)致其進(jìn)水量較少.多功能改性劑通過促使瀝青分子鏈發(fā)生位移，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有高溫降黏的作用，即在溫度超過140 ℃時(shí)，多功能改性劑使瀝青黏度降低，因此在相同條件下，與SBSMA 和MA 相比，MFMA 有更低的孔隙率，水分不易進(jìn)入.

2.2 瀝青混合料的內(nèi)黏聚力、內(nèi)摩擦角

瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度可由莫爾?庫倫理論來表示［9］.為簡(jiǎn)化計(jì)算，采用無側(cè)限單軸貫入試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)替代三軸試驗(yàn).通過單軸貫入強(qiáng)度σu和劈裂強(qiáng)度σt為直徑繪制莫爾圓，由公切線斜率、截距分別確定內(nèi)摩擦角φ、內(nèi)黏聚力c［10］，結(jié)果見圖2.

由圖2 可見：MA、SBSMA 內(nèi)黏聚力c擬合公式的指數(shù)位為負(fù)數(shù)，即與飽水率呈負(fù)相關(guān)；SBSMA 內(nèi)黏聚力下降幅度最大，其常數(shù)位為3 種混合料中最高；MA 內(nèi)黏聚力c的下降幅度僅次于SBSMA，其常數(shù)位遠(yuǎn)低于SBSMA；SBSMA 的內(nèi)黏聚力受飽水率影響較大，但仍保有較高的內(nèi)黏聚力；MA、SBSMA的內(nèi)摩擦角φ擬合公式的指數(shù)位為負(fù)數(shù)，與飽水率呈負(fù)相關(guān)；與SBSMA 內(nèi)摩擦角φ的變化相比，MA 內(nèi)摩擦角的下降幅度最大，其常數(shù)位為3 種混合料中最高；SBSMA 內(nèi)摩擦角的降幅遠(yuǎn)小于MA，且二者常數(shù)位相差不大；SBSMA 內(nèi)摩擦角優(yōu)于MA；MFMA的內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角方程指數(shù)位均擬合為0，內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角保持為常數(shù)，不受飽水率影響.綜上，水對(duì)MA 內(nèi)黏聚力、內(nèi)摩擦角的影響程度最大，其次為SBSMA，而MFMA 基本不受影響.

圖2 瀝青混合料的內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角Fig.2 c and φ of asphalt mixtures

瀝青混合料表面的顯微鏡照片見圖3.由圖3可見：MFMA 表面的瀝青膠漿分布均勻，沒有出現(xiàn)膠漿的聚集，其自由瀝青膠漿含量較少，結(jié)構(gòu)瀝青含量較多；MA、SBSMA 表面出現(xiàn)較多瀝青膠漿裹覆不勻的情況，部分集料沒有被膠漿充分裹覆，出現(xiàn)膠漿聚集.MA、SBSMA 中，自由瀝青膠漿含量高于MFMA，結(jié)構(gòu)瀝青膠漿含量低于MFMA.SBS改性劑兩端的聚苯乙烯在瀝青中形成網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，增大了瀝青的內(nèi)黏聚力，同時(shí)加強(qiáng)了瀝青-集料界面的內(nèi)摩擦角.因此，SBSMA 的內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角僅次于MFMA，MA 的內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角最小.

圖3 瀝青混合料表面的顯微鏡照片F(xiàn)ig.3 Microscope photos of asphalt mixture surface（500×）

水對(duì)瀝青混合料內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響機(jī)理見圖4.由圖4 可見，這一過程分為形成擴(kuò)散通道和水分子在瀝青膜中擴(kuò)散2 個(gè)階段，且前一階段速率較慢［11?12］.當(dāng)水膜包裹瀝青混合料時(shí)，水分子會(huì)與瀝青中的極性分子（基團(tuán)）通過取向力發(fā)生作用；水分子與瀝青中非極性組分可通過誘導(dǎo)力進(jìn)行作用并形成微活化中心，還可與瀝青中電負(fù)性大的O、N 雜原子形成氫鍵.在這3 種分子力作用下，微活化中心會(huì)形成水分滲入瀝青膜的毛細(xì)管道，造成瀝青膜的“乳化”，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青膠漿的內(nèi)黏聚力降低［13］.當(dāng)“乳化”發(fā)展加劇，毛細(xì)管道到達(dá)瀝青-集料界面時(shí)，水分子會(huì)沿著瀝青-集料界面橫向擴(kuò)散，形成瀝青-水-集料三相界面，從而降低了瀝青混合料的內(nèi)摩擦角.

圖4 水對(duì)瀝青混合料內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角的的影響機(jī)理Fig.4 Influence mechanism of water on c and φ of asphalt mixture

結(jié)合圖2~4 可以看出：多功能改性瀝青膠漿包裹均勻，沒有出現(xiàn)集料裸露，大部分為黏結(jié)較緊密的結(jié)構(gòu)瀝青，而極性分子在集料表面取向，在分子作用力與極性吸附作用下增強(qiáng)瀝青膠漿與集料的吸附，且多功能改性劑中超支化聚合物可以氧化輕質(zhì)組分，在混合料表面形成致密、高硬度的氧化層，因此水分子對(duì)MFMA 影響的第1 階段開展極為緩慢；多功能改性劑在高溫拌和時(shí)黏性較低，使MFMA 最為密實(shí)，進(jìn)水量最少，受到水溫耦合作用影響最小；多功能改性劑在中溫60 ℃時(shí)具有增黏的作用，所以MFMA 內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角的下降幅度極為有限，幾乎不受影響；SBSMA 的施工和易性要差于MA，其拌和溫度較MA 高10 ℃，因此在相同拌和溫度與擊實(shí)功下，SBSMA 均勻性最差，導(dǎo)致其內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角先于MA 下降，而在其集料裸露、瀝青膜較薄弱部分被水分子浸潤后，膠漿包裹嚴(yán)密部分的抗水損效果較好，其內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角的下降速率迅速得到控制，而MA則出現(xiàn)持續(xù)下降.

2.3 車轍試驗(yàn)結(jié)果分析

通過車轍試驗(yàn)，得到不同飽水率試件的動(dòng)穩(wěn)定度（DS），結(jié)果見圖5.由圖5 可見：隨著試件飽水率的增大，MA 的DS 下降了41.86%；SBSMA 的DS 下降了31.70%；MFMA 的DS 下降不明顯，總體僅下降了3.63%.由于水在瀝青膜中的擴(kuò)散削弱了瀝青膠漿的內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角，且基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青膠漿出現(xiàn)聚集，對(duì)集料包裹不均勻，使水更容易擴(kuò)散到集料表面，使瀝青混合料內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角的削弱加劇，因此其動(dòng)穩(wěn)定度下降幅度較大.多功能改性瀝青對(duì)集料包裹均勻，且內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角基本不受水的影響，因此其動(dòng)穩(wěn)定度仍保持較高水平.

圖5 不同飽水率試件的動(dòng)穩(wěn)定度Fig.5 DS of specimens with different wF

2.4 動(dòng)穩(wěn)定度與內(nèi)黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系

為驗(yàn)證參數(shù)的相關(guān)性及顯著性［14］，對(duì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行曲面擬合，結(jié)果見圖6.由圖6 可見：隨著內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角的降低，瀝青混合料受到的水溫耦合作用逐漸增強(qiáng)，其動(dòng)穩(wěn)定度隨內(nèi)黏聚力和和內(nèi)摩擦角的降低而降低；MA 的動(dòng)穩(wěn)定度受內(nèi)黏聚力變化的影響大于內(nèi)摩擦角的影響；SBSMA 的動(dòng)穩(wěn)定度較MA 提高了近5倍，其動(dòng)穩(wěn)定度受內(nèi)黏聚力變化的影響程度遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角的影響；MFMA 的動(dòng)穩(wěn)定度基本不受水溫耦合作用的影響，近似保持平面.綜上，為保證瀝青混合料在高溫多雨條件下的路用性能，可以通過提高其內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角來實(shí)現(xiàn).瀝青混合料在采用相同級(jí)配時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度受內(nèi)黏聚力的影響明顯大于內(nèi)摩擦角的影響，因此在提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性時(shí)，可優(yōu)先考慮增大并保持混合料的內(nèi)黏聚力.

圖6 瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、內(nèi)摩擦力和內(nèi)摩擦角的擬合曲面圖Fig.6 Fitting surface diagram of DS，c，φ of asphalt mixtures

各參數(shù)的相關(guān)性R及顯著性p結(jié)果見表2，表中FS為試件的抗剪強(qiáng)度.由表2 可見：瀝青混合料內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角與動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)具有顯著的相關(guān)性，動(dòng)穩(wěn)定度受內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角影響較大；MA與SBSMA 的動(dòng)穩(wěn)定度與其他變量的相關(guān)性排序?yàn)榭辜魪?qiáng)度>內(nèi)黏聚力>內(nèi)摩擦角，其相關(guān)性R均在0.9 以上；基質(zhì)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與抗剪強(qiáng)度、內(nèi)黏聚力的顯著性p均在0.01 以下，表現(xiàn)為極顯著，動(dòng)穩(wěn)定度與內(nèi)摩擦角的顯著性p在0.05 以下，表現(xiàn)為顯著；SBSMA 的顯著性較MA 更強(qiáng)，其抗剪強(qiáng)度、內(nèi)黏聚力與內(nèi)摩擦角的顯著性p遠(yuǎn)小于0.01，表現(xiàn)為極顯著；MFMA 的動(dòng)穩(wěn)定度與其他變量的相關(guān)性排序?yàn)閮?nèi)摩擦角>抗剪強(qiáng)度>內(nèi)黏聚力，相關(guān)性較MA 與SBSMA 降低明顯，顯著性p在0.05 以下，表現(xiàn)為顯著.

表2 各參數(shù)的相關(guān)性及顯著性Table 2 R and p of different parameters

為簡(jiǎn)化方差計(jì)算，將瀝青混合料在不同飽水率下動(dòng)穩(wěn)定度與干燥條件下的動(dòng)穩(wěn)定度之比定義為干濕動(dòng)穩(wěn)定度比.以干濕動(dòng)穩(wěn)定度比作為響應(yīng)變量，以飽水率和混合料類型作為影響因素X1、X2，預(yù)設(shè)顯著性p=0.05，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二維方差分析，結(jié)果見表3，表中Df為自由度，F(xiàn)為X1、X2均方值的比值.由表3 可見：飽水率的p<0.01，表明飽水率對(duì)混合料干濕動(dòng)穩(wěn)定度比影響為極顯著，水對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有極大影響，在進(jìn)行瀝青混合料高溫穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)需考慮水的存在；不同類型混合料的p<0.01，表明不同類型混合料對(duì)干濕動(dòng)穩(wěn)定度比影響為極顯著，驗(yàn)證了前文抗水溫耦合作用MFMA>SBSMA>MA的排序.

表3 方差分析表Table 3 Analysis of variance

3 結(jié)論

（1）通過真空飽水試驗(yàn)，得到了多功能改性瀝青混合料、SBS 改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料在不同時(shí)間下的飽水率.180 s 時(shí)，多功能改性瀝青混合料飽水率穩(wěn)定在61%左右，SBS 改性瀝青和基質(zhì)瀝青混合料飽水率穩(wěn)定在78%左右.

（2）SBS 改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料膠漿包裹不均勻，水對(duì)SBS 改性瀝青混合料和基質(zhì)瀝青混合料內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角有重要影響，進(jìn)而降低了混合料動(dòng)穩(wěn)定度，使其動(dòng)穩(wěn)定度、內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角隨飽水率增大而降低.

（3）多功能改性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度、內(nèi)黏聚力和內(nèi)摩擦角幾乎不受飽水率變化的影響，其內(nèi)黏聚力還出現(xiàn)了小幅上升，這是因?yàn)槎喙δ芨男詣┑闹袦卦鲳ぷ饔?，使混合料高溫穩(wěn)定性提升，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的抗水溫耦合作用的特性.

（4）瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度隨飽水率增大而降低，在級(jí)配相同時(shí)，混合料動(dòng)穩(wěn)定度受內(nèi)黏聚力變化的影響大于內(nèi)摩擦角的影響，因此為提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，應(yīng)優(yōu)先考慮采用多功能改性瀝青，以提高并保持混合料的內(nèi)黏聚力.