凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷對(duì)間斷級(jí)配瀝青混合料特性參數(shù)影響

黨志榮, 念騰飛, 劉宗成, 姜繼斌, 楊海麗, 石國雄

(1. 甘肅第七建設(shè)集團(tuán)股份有限公司, 甘肅 蘭州 730000; 2. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 3. 甘肅路橋建設(shè)集團(tuán)養(yǎng)護(hù)科技有限責(zé)任公司, 甘肅 蘭州 730000)

瀝青路面以其良好的路用性能、平整耐磨的表面、舒適的行車性能和相對(duì)較為穩(wěn)定的力學(xué)性能在道路工程中得到了廣泛應(yīng)用[1].然而，在瀝青路面運(yùn)行早期破壞中，水是主要影響因素之一，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)有自由水存在時(shí)，每一次的車輪荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)由于動(dòng)荷載的作用，其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞是干燥狀態(tài)下結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的40倍以上，水損害發(fā)生概率相對(duì)較大[2].加之，近年來為了使城市的環(huán)境變得更好，道路灑水頻率提高，使城市道路發(fā)生水損害的現(xiàn)象更加突出.

為了減少瀝青路面水損害的發(fā)生，使瀝青路面具有更好的服役性能，各國學(xué)者從不同方面對(duì)瀝青路面抗水損害特性進(jìn)行了研究[3]，如探尋瀝青粘結(jié)材料的力學(xué)特性[4-5]、增強(qiáng)瀝青混合料的水穩(wěn)定性、改進(jìn)傳統(tǒng)的瀝青路面材料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法、探尋合適的水損害評(píng)價(jià)指標(biāo)[6]、完善路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[7-8]、優(yōu)化排水系統(tǒng)[9]等.但是由于水損壞的發(fā)生，通常使瀝青路面材料本身的物理和化學(xué)發(fā)生機(jī)制與服役環(huán)境變化、車輛動(dòng)荷載的力學(xué)效應(yīng)息息相關(guān)，較為復(fù)雜.加之，在瀝青混合料水損壞發(fā)生階段，車輪載荷對(duì)路面的破壞由于溫度的變化和水的存在變得更加復(fù)雜，這也使了解水損壞發(fā)生機(jī)理變得更加困難[10].

因此，本文通過開展凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷作用對(duì)間斷級(jí)配瀝青混合料特性參數(shù)影響研究，分析瀝青混合料在凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷綜合作用下的路用性能參數(shù)衰變規(guī)律，為探尋瀝青路面水損害影響因素與揭示瀝青路面水損害機(jī)理提供理論支撐.

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 瀝青

本研究中，采用的基質(zhì)瀝青為鎮(zhèn)海90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青.根據(jù)現(xiàn)行公路工程瀝青及瀝青混合料材料試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)基質(zhì)瀝青各項(xiàng)性能技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表1.基質(zhì)瀝青各項(xiàng)性能技術(shù)指標(biāo)滿足甘肅省《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(DB62/T 3136—2017)要求.并根據(jù)規(guī)范規(guī)定對(duì)所用瀝青進(jìn)行了傅里葉變換紅外光譜測(cè)試，結(jié)果見圖1，圖1中標(biāo)準(zhǔn)譜為鎮(zhèn)海90號(hào)瀝青的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，測(cè)試譜圖通過與鎮(zhèn)海90號(hào)瀝青標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)比可知滿足要求.

圖1 鎮(zhèn)海90號(hào)瀝青FTIR測(cè)試結(jié)果Fig.1 Test results of Zhenhai 90 asphalt FTIR

1.2 礦料與填料及配合比設(shè)計(jì)

研究所用粗集料、細(xì)集料和礦粉均來源于蘭州市西果園料場(chǎng)，根據(jù)甘肅省《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(DB62/T 3136—2017)要求，對(duì)集料和礦粉進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)測(cè)試，其結(jié)果詳見表2.

對(duì)于間斷級(jí)配類型瀝青混合料，為了有效地提高瀝青混合料的抗剝落性能和粘附性，在混合料拌合時(shí)，會(huì)加入纖維，在本研究中使用的纖維為聚丙烯纖維，其測(cè)試指標(biāo)為：

1) 該聚丙烯纖維呈白色單絲束狀；2) 纖維長度為15 mm；3) 纖維的密度為0.910 g/cm3；4) pH值為0.88；5) 含水率為0.21%.纖維各項(xiàng)指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求.

采用馬歇爾擊實(shí)法對(duì)間斷級(jí)配類型SMA-13瀝青混合料進(jìn)行設(shè)計(jì)，其配合比合成曲線見圖2，通過馬歇爾試件體積指標(biāo)參數(shù)計(jì)算得SMA-13瀝青混合料最佳瀝青用量為5.7%.

圖2 SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)曲線Fig.2 Mix ratio design curve of SMA-13 asphalt

1.3 試件制備與試驗(yàn)測(cè)試

根據(jù)集料篩分析與合成級(jí)配曲線情況，成型間斷級(jí)配SMA-13瀝青混合料試件，試件直徑為(101.6±0.25)mm、高度為(63.5±1.3)mm.對(duì)不同循環(huán)次數(shù)的凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷后的馬歇爾試件進(jìn)行體積特征參數(shù)測(cè)試分析.根據(jù)表干法對(duì)瀝青混合料的體積指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，其中包括毛體積密度、吸水率、表觀密度和孔隙率，并對(duì)不同循環(huán)次數(shù)后的瀝青混合料開展劈裂試驗(yàn)，分析其凍融劈裂強(qiáng)度.

此外，為了進(jìn)一步表征凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷后瀝青混合料內(nèi)部的劣化情況，本文對(duì)不同循環(huán)次數(shù)后的瀝青混合料開展了CT切片掃描試驗(yàn).

1.4 動(dòng)水沖刷模擬試驗(yàn)裝置與循環(huán)過程

自主研發(fā)的動(dòng)水沖刷模擬試驗(yàn)裝置見圖3[11].通過本裝置可以模擬瀝青混合料的動(dòng)水壓力作用.本研究中對(duì)馬歇爾試件開展的凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷過程為：

(1) 采用擊實(shí)法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，并測(cè)試瀝青混合料馬歇爾試件的原始體積參數(shù)和物理指標(biāo)；

(2) 將試件裝入自主研發(fā)的動(dòng)水沖刷模擬試驗(yàn)裝置中，組裝好加壓夾具，并對(duì)裝置進(jìn)行密封性檢驗(yàn)；

(3) 對(duì)水箱進(jìn)行水浴升溫，待溫度滿足要求后，打開底部的注水閥門對(duì)試件進(jìn)行注水，在注水過程中，檢測(cè)進(jìn)水速率和進(jìn)水量，待注水量達(dá)到所計(jì)算的單個(gè)試件動(dòng)水沖刷所需水量時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閥門，完成注水.

(4) 通過自主研發(fā)裝置的控制系統(tǒng)完成動(dòng)水沖刷的壓力模擬循環(huán)次數(shù)、正壓加壓時(shí)間、抽真空、間隔時(shí)間和循環(huán)時(shí)間的設(shè)定與運(yùn)行.

(5) 根據(jù)西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)的氣象資料，以蘭州市為例，確定凍融試驗(yàn)的基本參數(shù)，采用循環(huán)冷浴控制瀝青混合料的凍融，凍結(jié)速率采用0.4 ℃/h，從常溫(20±1 ℃)逐漸冷卻至-10 ℃，保持 6 h，再放至常溫至少12 h，為一次凍融循環(huán).

(6) 確定由于荷載引起的動(dòng)水壓力的變化范圍，在每單次凍融循環(huán)結(jié)束后將試件放入模擬荷載的動(dòng)水沖刷作用的設(shè)備中實(shí)施正負(fù)壓各加載100次.

圖3 自主研發(fā)的動(dòng)水沖刷模擬試驗(yàn)裝置Fig.3 Self-developed dynamic water scouring simulation test device

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 表觀密度和毛體積密度

凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)下，表觀密度和毛體積密度是瀝青混合料的物理性能指標(biāo)，分析其變化對(duì)瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)的評(píng)價(jià)具有重要意義.通過試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算，可得SMA-13瀝青混合料表觀密度和毛體積密度隨凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化如圖4所示.

圖4 表觀密度和毛體積密度隨凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化

從圖4可以看出，隨著凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)地不斷增加，瀝青混合料表觀密度則上升的趨勢(shì)，而毛體積密度則逐漸下降.試件經(jīng)過12次循環(huán)后，其表觀密度增大2.097%，毛體積密度減小0.358%.其中，在2次循環(huán)后，其表觀密度增大1.192%，占12次循環(huán)的56.84%，表明試件在前期循環(huán)過程中，吸水相對(duì)較快.從數(shù)值擬合曲線可以看出，瀝青混合料表觀密度和毛體積密度數(shù)值變化率都呈現(xiàn)出一致減小的趨勢(shì)，即曲線的斜率變的越來越小，表明瀝青混合料試件在經(jīng)過多次凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)后，單次循環(huán)對(duì)試件的破壞越來越小，但試件的累計(jì)損傷隨循環(huán)次數(shù)的增大而增大.

2.2 吸水率與吸水率相對(duì)變化率

瀝青混合料吸水率是評(píng)價(jià)其開口孔隙的體積占比指標(biāo)，在經(jīng)過凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)后，瀝青混合料內(nèi)部水既為動(dòng)力水的來源，又提供凍脹過程中的凍脹力，而吸水率對(duì)于動(dòng)水壓力及動(dòng)水沖刷作用的啟動(dòng)具有密不可分的關(guān)系，故對(duì)吸水率與吸水率相對(duì)變化率的分析，有利于深入開展凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)作用對(duì)瀝青混合料的特性參數(shù)影響分析.通過試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算，可得SMA-13瀝青混合料吸水率隨凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化如圖5所示，為了分析吸水率的相對(duì)變化率，定義采用式(1)對(duì)其進(jìn)行分析，吸水率相對(duì)變化率變化情況如圖5所示.

(1)

圖5 吸水率與吸水率相對(duì)變化率隨凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化

式中：Δω為吸水率的相對(duì)變化率，%；ω0為凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)0次的吸水率，%；ωn為凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)n次的吸水率，%.

從圖5可以看出，隨著凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的吸水率也在不斷增大.當(dāng)循環(huán)次數(shù)為0次時(shí)，試件的吸水率為1.22%；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為12時(shí)，試件的吸水率為3.62%，試件的吸水率在經(jīng)過多次循環(huán)后增大了2.40%.凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)作用下，瀝青混合料試件吸水率相對(duì)變化隨循環(huán)次數(shù)的增大呈現(xiàn)出指數(shù)變化關(guān)系，且吸水率相對(duì)變化率增長速度越來越慢，表明瀝青混合料在經(jīng)過凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷后，如果沒有外加壓力的作用，水分只能進(jìn)入瀝青混合料較大的空隙中；在外加動(dòng)力水壓作用下，瀝青混合料內(nèi)部吸水量會(huì)逐漸增加至飽水狀態(tài)；瀝青混合料的飽水過程在初期會(huì)加速，且大量的水會(huì)進(jìn)入瀝青混合料的內(nèi)部，并留存在試件的微孔隙中，然而這部分水不會(huì)隨試件的凍融循環(huán)而排出，并最終滯留在瀝青混合料試件中.

2.3 空隙率與空隙率相對(duì)變化率

空隙率是影響瀝青混合料路用性能的物理指標(biāo)之一，與瀝青路面的抗水損害、抗老化和耐久性密切相關(guān).研究表明，當(dāng)瀝青混合料的空隙率處于8%～12%時(shí)，瀝青路面的滲透性會(huì)急劇增大，其動(dòng)水沖刷對(duì)瀝青混合料的侵蝕作用會(huì)更加明顯[12].故開展凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)作用下，瀝青混合料空隙率變化對(duì)分析瀝青路面抗水損害性能具有重要意義.通過試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算，可得SMA-13瀝青混合料空隙率隨凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化如圖6所示，為了分析空隙率的相對(duì)變化率，定義采用式(2)對(duì)其進(jìn)行分析，空隙率相對(duì)變化率變化情況如圖6所示.

(2)

式中：ΔVV為空隙率的相對(duì)變化率，%；VV0為凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)0次的空隙率，%；VVn為凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)n次的空隙率，%.

從圖6可以看出，隨著凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的空隙率也在不斷增大.當(dāng)循環(huán)次數(shù)為0次時(shí)，試件的空隙率為6.373%；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為12時(shí)，試件的空隙率為6.711%，試件的空隙率在經(jīng)過多次循環(huán)后增大了0.338%.然而，同樣在前期循環(huán)，空隙率變化相對(duì)較快.凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)作用下，空隙率表現(xiàn)出了與吸水率一致的變化情況.根據(jù)動(dòng)水沖刷對(duì)材料的侵蝕作用機(jī)理[13]，瀝青混合料在動(dòng)水壓力作用下，水的正向被壓入和負(fù)向泵吸作用對(duì)水在瀝青混合料微開口中的匯集填充具有明顯的作用.凍融循環(huán)作用促使瀝青混合料試件內(nèi)部的溫度持續(xù)下降，當(dāng)溫度下降到一定階段，微開口中匯集水會(huì)由液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為固態(tài)，其體積開始膨脹，使瀝青混合料的空隙壁在凍脹拉力的作用下產(chǎn)生微裂縫，并隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，微裂縫逐漸擴(kuò)大形成空隙，從而增大了瀝青混合料的空隙率.隨著動(dòng)水沖刷次數(shù)地不斷增大，在瀝青混合料內(nèi)部新產(chǎn)生的空隙在動(dòng)水沖刷作用下逐漸被侵蝕擴(kuò)大，相互連通，加上溫度降低的作用，孔隙內(nèi)的自由水開始自由流動(dòng)，凍脹力逐漸消散，使空隙的相對(duì)增量逐漸降低.因此，隨著凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)地不斷作用，凍脹力作用下瀝青混合料內(nèi)部更多的微開口空隙發(fā)展為開口孔隙，瀝青混合料內(nèi)部的空隙相對(duì)變化率再一次增大，并逐漸擴(kuò)展連通，形成了一種波動(dòng)的循環(huán)增加趨勢(shì)[14].

圖6 空隙率與空隙率相對(duì)變化率隨凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化Fig.6 Relative change rate of void fraction and void ratio with the number of freeze-thaw cycles-dynamic water scouring cycles

2.4 劈裂強(qiáng)度與凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷損傷率

隨著凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)過程的持續(xù)作用，瀝青混合料內(nèi)部水分凍脹力不斷增大，使瀝青薄膜開始剝離并產(chǎn)生裂縫，在混合料內(nèi)部形成新的空隙，對(duì)瀝青混合料低溫抗裂性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響.因此，對(duì)凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)后瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的分析可以間接評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性.通過試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算，循環(huán)0次、3次、6次、9次和12次后，SMA-13瀝青混合料劈裂強(qiáng)度隨凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化如圖7a所示.

圖7 劈裂強(qiáng)度與凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷損傷率隨凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化Fig.7 Splitting strength and freeze-thaw cycling - dynamic water scour damage rate with the number of freeze-thaw cycles-dynamic water scouring cycles

從圖7a可以看出，隨著凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度不斷減小.經(jīng)12次循環(huán)后，試件的劈裂強(qiáng)度降幅高達(dá)65.44%.為了深入分析凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷下瀝青混合料力學(xué)強(qiáng)度的變化，根據(jù)損傷力學(xué)原理[13]，提出瀝青混合料凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷損傷率的概念，定義瀝青混合料凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷損傷率為DF，見式(3)，凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷損傷率變化如圖7b所示.

(3)

式中:DF為凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷損傷率，%；F0為凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)0次的劈裂強(qiáng)度，MPa；Fn為凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)n次的劈裂強(qiáng)度，MPa.

從圖7b可以看出，隨著凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料初期損傷速度較快，后期相對(duì)較慢.分析其原因：在凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)初期，瀝青混合料內(nèi)部的侵入加速，當(dāng)內(nèi)部水飽和后，瀝青混合料內(nèi)部水分不斷積聚并對(duì)瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)持續(xù)侵蝕，進(jìn)而產(chǎn)生凍脹作用，逐漸使瀝青混合料發(fā)生凍脹破壞，其凍脹破壞速率相比水分侵入速度要慢.此宏觀力學(xué)指標(biāo)與前述物理指標(biāo)和路用性能指標(biāo)分析所得結(jié)果一致.

2.5 內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)變化

結(jié)合上述瀝青混合料特性參數(shù)的影響分析，為了從微觀形態(tài)對(duì)凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)下瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，對(duì)0次、6次和12次循環(huán)后的瀝青混合料試件進(jìn)行CT切片掃描.CT切片為距離試件下表面3 cm處的徑向切面,結(jié)果如圖8所示.

圖8 CT切片掃描圖Fig.8 CT slice scans

從圖8可以看出，瀝青混合料試件在經(jīng)過多次凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)后，其內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)和空隙分布發(fā)生了明顯變化.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件外部水侵入，內(nèi)部水使瀝青薄膜開始剝離并產(chǎn)生裂縫，在混合料內(nèi)部形成新的空隙；空隙體積隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增大而增大.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在試件的外側(cè)，空隙結(jié)構(gòu)的變化和瀝青薄膜剝離表現(xiàn)也比較突出.綜合前述分析，凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷不僅對(duì)間斷級(jí)配瀝青混合料物理特性指標(biāo)產(chǎn)生較大影響，還對(duì)其力學(xué)性能指標(biāo)和路用性能指標(biāo)有較大影響，使瀝青混合料抗水穩(wěn)定性減小.

3 結(jié)論

1) 瀝青混合料經(jīng)多次凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)后，單次循環(huán)對(duì)其破壞越來越小，但累計(jì)損傷隨循環(huán)次數(shù)的增大而增大.

2) 在外加動(dòng)力水壓作用下，瀝青混合料內(nèi)部吸水量會(huì)逐漸增加至飽水狀態(tài)，內(nèi)部更多的微開口空隙發(fā)展為開口孔隙.

3) 瀝青混合料經(jīng)多次凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷循環(huán)后，其內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)與形態(tài)會(huì)發(fā)生變化，最終使試件產(chǎn)生凍脹作用.

4) 凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷不僅對(duì)間斷級(jí)配瀝青混合料物理特性指標(biāo)產(chǎn)生較大影響，還對(duì)其力學(xué)性能指標(biāo)和路用性能指標(biāo)影響較大，使瀝青混合料抗水穩(wěn)定性減小.

致謝：本文得到蘭州理工大學(xué)紅柳優(yōu)秀青年人才計(jì)劃項(xiàng)目(04-062005)的資助，在此表示感謝.