濕度對瀝青混合料性能影響研究

毛紅衛(wèi)，陳忠華

（1.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430051；2.中南勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

瀝青路面有較好的力學性能和行車舒適性，廣泛應(yīng)用于世界各國的高等級公路。但瀝青路面在使用初期出現(xiàn)松散、坑洞等水損害現(xiàn)象屢見報道，目前對該現(xiàn)象解釋的原因較為統(tǒng)一：水分以液態(tài)形式滲入瀝青混合料內(nèi)部，在荷載作用下易產(chǎn)生動水壓力和真空吸附作用；同時，集料親水性質(zhì)容易誘發(fā)水分剝落瀝青膜，造成瀝青混合料松散、性能下降，在路面服役早期出現(xiàn)病害［1-2］。

前期研究者多關(guān)注液態(tài)水對瀝青混合料的影響，采用浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、漢堡車轍試驗等試驗手段研究液態(tài)水對瀝青混合料性能損害作用［3-4］。中國高等級道路瀝青路面多采用密級配瀝青混合料，液態(tài)水容易被路表面截留，沿著橫坡流向排水溝，并不總是在內(nèi)部積聚，而且在中國干旱少雨的西北地區(qū)也有水損害現(xiàn)象［5-6］。液態(tài)水對瀝青混合料的破壞作用并不是導致瀝青路面水損害的唯一原因或者主要原因。傳統(tǒng)的研究者對宏觀狀態(tài)下的液態(tài)水所造成瀝青混合料水損害關(guān)注較多，卻很少關(guān)注路面內(nèi)部積聚的氣態(tài)水對瀝青混合料的瀝青-集料界面狀態(tài)的微觀破壞作用。近年來，已有相關(guān)學者對該領(lǐng)域開展了研究工作，結(jié)果表明氣態(tài)水對瀝青混合料的水損害有較大程度貢獻，氣態(tài)水在瀝青混合料內(nèi)部遷移、積聚，并最終對瀝青膜產(chǎn)生剝落效果，使瀝青路面產(chǎn)生松散、坑洞等典型水損害病害［7-8］。剛穎［9］通過設(shè)計水蒸氣擴散試驗裝置，分析水氣擴散系數(shù)與溫度、相對濕度、絕對濕度之間的關(guān)系，得出了增加環(huán)境溫度、增大環(huán)境中相對濕度和絕對濕度都會影響水汽擴散進程的結(jié)論；羅晶等［10］研究相對濕度對瀝青與集料黏附性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)濕度增加會損害瀝青與集料的黏附性；羅蓉等［11］通過真空干燥箱和恒溫恒濕箱養(yǎng)護瀝青混合料試件，開展了單軸拉伸動態(tài)模量試驗，繪制了不同濕度下瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角主曲線，發(fā)現(xiàn)濕度對動態(tài)模量和相位角影響顯著。

上述研究多從水氣擴散、瀝青-集料黏附性能和黏彈性能方向研究濕度對瀝青混合料的影響，較少關(guān)注其路用性能，從而難以對工程實踐有現(xiàn)實的指導作用。總之，瀝青混合料足夠密實條件下，液態(tài)水難以滲透進瀝青混合料內(nèi)部，對瀝青混合料的水損害貢獻也相對較小，而密級配混合料內(nèi)部氣態(tài)水卻具有相當程度的自由擴散能力，能夠影響瀝青混合料的瀝青-集料界面性能，從而造成瀝青的黏結(jié)性能下降，損害瀝青混合料的路用性能。處于自然條件下的路面暴露在大氣中，內(nèi)部的濕度有一個逐漸平衡的過程，可采用一定的技術(shù)條件對瀝青混合料進行濕度養(yǎng)生，以模擬氣態(tài)水在瀝青混合料內(nèi)部聚集、遷移，最終剝落瀝青膜的過程。

本文借鑒水泥混凝土濕度養(yǎng)生試驗，采用恒溫恒濕箱對瀝青混合料試件進行濕度養(yǎng)生，并開展瀝青混合料性能試驗。為對比研究干燥情況瀝青混合料的性能，把真空干燥箱養(yǎng)生瀝青混合料試件作為對照組。探討濕度對瀝青混合料性能影響規(guī)律，有利于量化濕度對瀝青混合料性能損害程度的研究，從而指導工程實踐。

1 材料與方案

1.1 試驗材料

選擇AC-20C 瀝青混合料作為本文的研究對象，該類型瀝青混合料多用于瀝青路面中面層，而瀝青路面中面層液態(tài)水較少，其水損害主要是因為受到了內(nèi)部積聚的氣態(tài)水影響。AC-20C 瀝青混合料采用SBS 改性瀝青，粗集料為玄武巖、細集料為機制砂，級配見表1。

表1 AC-20C 瀝青混合料級配

根 據(jù) 規(guī) 范［12］，確 定AC-20C 的 最 佳 油 石 比 為4.3%，其基本指標見表2。

表2 AC-20C 瀝青混合料基本指標

1.2 試驗方案

1.2.1 養(yǎng)生條件

采用真空干燥箱模擬0 濕度條件，以養(yǎng)護水泥混凝土所用的恒溫恒濕箱模擬50% 和100% 濕度條件，溫度為室溫（25 ℃），在真空干燥箱和恒溫恒濕箱內(nèi)對試驗所采用的試件養(yǎng)生1 年以上，以模擬路面在氣態(tài)水長期作用下瀝青混合料的瀝青膜剝落現(xiàn)象。濕度養(yǎng)生后立即采用塑料薄膜對試件進行密封處理，以備后續(xù)試驗所需。

1.2.2 單軸貫入試驗

單軸貫入試驗條件與路面實際受力狀態(tài)相吻合，可較好表征瀝青混合料的高溫性能，能獲得瀝青混合料高溫抗剪強度［13］。再加上單軸貫入試驗持續(xù)時間較短，可避免試件試驗時間過長而導致內(nèi)部濕度條件發(fā)生變化。因此，本文選擇單軸貫入試驗評價濕度對瀝青混合料試件高溫性能的影響，而并非傳統(tǒng)的車轍試驗。試驗時通過貫入壓頭在試件上部施加壓力，測定貫入壓頭的應(yīng)力應(yīng)變，然后通過力學公式，求出瀝青混合料的高溫抗剪強度［14］。

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單軸貫入試驗試件尺寸為φ100 mm×100 mm，試驗條件為：濕度養(yǎng)生后在60 ℃保溫箱（空氣?。┍? h，采用42 mm 的壓頭，以1 mm/min 的加載速率對試件施加荷載直至破壞為止。

1.2.3 三軸試驗

路面在荷載作用下，瀝青混合料實際處于三向受力狀態(tài)，因此可以采用三軸試驗獲得瀝青混合料的高溫抗剪性能，從而準確表征瀝青混合料的高溫性能。采用三軸試驗評價試件的高溫性能主要是為了與單軸試驗進行比較，對單軸試驗進行補充。采用莫爾-庫侖準則分析瀝青混合料高溫抗剪強度，并用兩個強度參數(shù)：黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ作為分析指標［15-16］。

由三軸剪切強度試驗獲得的瀝青混合料黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ由以下公式確定［17］：

式中：p為平均正應(yīng)力；q為最大剪應(yīng)力；σ1、σ3分別為最大和最小主應(yīng)力；c、φ為黏聚力和內(nèi)摩擦角；α、a0為由3 個以上不同圍壓下三軸試驗數(shù)據(jù)回歸得到的p-q直線的斜率和截距。

三軸試驗試件采用尺寸為φ100 mm×150 mm的圓柱體試件，試驗溫度為60 ℃。采用UTM-100 多功能材料試驗系統(tǒng)開展三軸試驗，參考相關(guān)文獻［17］，軸向加載速度為1.27 mm/min，圍壓分別為0、138 kPa、276 kPa。

1.2.4 低溫彎曲試驗

式中：b為跨中斷面試件的寬度（mm）；h為跨中斷面試件的高度（mm）；L為試件的跨徑（mm）。

低溫彎曲試驗過程參照規(guī)范［12］，試驗溫度為-10 ℃，加 載 速 率 為50 mm/min。 試 驗 設(shè) 備 為UTM-100 多功能材料試驗系統(tǒng)。

1.2.5 單軸壓縮動態(tài)模量

瀝青混合料作為典型黏彈性材料，其模量、相位角對溫度和荷載頻率敏感。因此，本文通過測試不同溫度、頻率條件下的AC-20C 瀝青混合料壓縮動態(tài)模量和相位角，基于時溫等效原理，將不同溫度和加載頻率下的動態(tài)模量通過移位因子擬合到參考溫度主曲線上［18-19］。動態(tài)模量主曲線模型采用西格摩德模型，見式（8）［20］。移位因子可通過WLF 方程得到，見式（9）。

式中：C1、C2為常數(shù)；Ts為參考溫度；T為試驗溫度；αT為溫度T時的移位因子。

單軸壓縮動態(tài)模量試驗采用應(yīng)力控制模式，施加荷載為半正弦波軸向拉應(yīng)力。試驗溫度選取為5 ℃、20 ℃、35 ℃、50 ℃，加載頻率選取為0.1 Hz、0.5 Hz、1 Hz、5 Hz、10 Hz、25 Hz。試驗由低溫向高溫，高頻向低頻依次進行，加載頻率間隔5 min，平行試驗次數(shù)及加載重復次數(shù)采取規(guī)范［12］推薦值。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 高溫性能

根據(jù)單軸貫入試驗結(jié)果，繪制貫入曲線（圖1）。

圖1 不同濕度養(yǎng)生條件下貫入曲線

根據(jù)三軸試驗結(jié)果，采用前文方法確定了瀝青混合料黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，結(jié)果見表3。

從圖1 可以看出：隨著濕度增加，瀝青混合料貫入強度逐漸減小，因此瀝青混合料中的瀝青在氣態(tài)水置換作用下高溫穩(wěn)定性能受到破壞。從表3 可以看出：隨著濕度增加，黏聚力持續(xù)減小，而內(nèi)摩擦角幾乎不變。綜合分析圖1 和表3，可得出結(jié)論：

（1）0 濕度養(yǎng)生條件下，瀝青混合料的貫入強度隨變形先穩(wěn)定增加后逐步減小，表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性和規(guī)律性，瀝青混合料抗剪性能由黏聚力和內(nèi)摩擦力共同承擔，因此其貫入強度衰減有一個平穩(wěn)的過程。

（2）50%濕度養(yǎng)生條件下，瀝青混合料貫入強度先逐漸增加后突然減小并保持穩(wěn)定，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于氣態(tài)水對瀝青薄膜產(chǎn)生了輕微剝落作用，因此在荷載作用下瀝青混合料逐漸喪失強度，曲線后期的強度主要來源于集料骨架作用以及未剝落部分的瀝青黏聚力。

（3）100%濕度養(yǎng)生條件下瀝青混合料貫入強度隨變形平穩(wěn)增加，但貫入強度較小，因此可以認為該養(yǎng)生條件下氣態(tài)水對瀝青混合料產(chǎn)生了較強的剝落作用，從而導致瀝青黏聚力的快速下降，其高溫穩(wěn)定性主要依靠集料骨架作用。

因此，在路面設(shè)計過程中應(yīng)適當考慮濕度對瀝青路面高溫性能的影響，通過選擇合適的瀝青膠結(jié)料提高瀝青與集料的黏結(jié)能力，以提高瀝青混合料在濕度/溫度耦合作用下的抗剪切能力。

2.2 低溫抗裂性能

低溫彎曲試驗結(jié)果見表4。從表4 可以得出：

表4 低溫彎曲試驗結(jié)果

（1）抗彎拉強度RB與最大拉伸應(yīng)變εB隨著濕度增加逐漸減小，表明濕度養(yǎng)生后瀝青混合料內(nèi)部積聚的氣態(tài)水轉(zhuǎn)化為固態(tài)之后損害了瀝青混合料的低溫性能。

（2）彎曲勁度模量SB也隨著濕度增加而減小，證實了混合料內(nèi)部集料表面的部分瀝青被水分置換，導致其界面特性發(fā)生變化，從而使得其模量減小，低溫抗裂性能下降。

2.3 黏彈性能

黏結(jié)性能試驗結(jié)果見圖2、3。

圖2 動態(tài)模量隨加載頻率變化曲線

從圖2 可以看出：不同濕度養(yǎng)生條件下瀝青混合料隨著加載頻率的增加，動態(tài)模量均表現(xiàn)為先平緩增大。在5 ℃、20 ℃、35 ℃條件下，在低頻范圍相對陡峭而在高頻范圍相對平緩。在55 ℃條件下，低頻平緩而高頻陡峭。表明不同養(yǎng)生條件下的瀝青混合料均對加載頻率和溫度有較大的敏感性。同時，隨著濕度增加，35 ℃與55 ℃動態(tài)模量變化曲線間距增大，低頻區(qū)間與高頻區(qū)間的曲線斜率差距增大，濕度因素加劇了瀝青混凝土的溫度敏感性和荷載頻率敏感性。

從圖3 可知：隨著濕度的變化，相位角變化規(guī)律有較大的改變，主要在相位角隨頻率變化規(guī)律和相位角隨溫度變化規(guī)律方面有較大不同。具體而言，高頻時，0 濕度瀝青混合料相位角增大，表明瀝青混合料偏彈性性質(zhì)，抵抗永久變形的能力有所提高，而50%、100%濕度下瀝青混合料在高頻下相位角甚至還有下降趨勢。同時，隨著濕度增加，不同溫度下的相位角曲線間隔增大，表現(xiàn)出了較強的溫度敏感性。因此，可以認為濕度對瀝青混合料瀝青-集料界面性質(zhì)的破壞改變了瀝青混合料的黏彈性質(zhì)，從而導致瀝青混合料在高頻下抵抗變形能力下降。

圖3 相位角隨加載頻率變化曲線

不同濕度養(yǎng)生條件下瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線見圖4。移位因子及擬合參數(shù)見表5、6。

圖4 不同濕度動態(tài)模量主曲線

表5 移位因子

表6 西格摩德模型擬合參數(shù)

從圖4 可以看出：50%和100%濕度養(yǎng)生條件下的瀝青混合料主曲線與0 濕度有明顯差別，具體表現(xiàn)為在低頻區(qū)間低于0 濕度，而在高頻區(qū)間逐漸接近。表明濕度對瀝青混合料的低頻區(qū)間動態(tài)模量影響較大，損害了瀝青混合料抵抗低速荷載作用下長期變形的能力。值得注意的是，50%濕度條件與100%濕度條件的動態(tài)模量主曲線幾乎重合。因此，可以推測出氣態(tài)水對瀝青混合料黏彈性能有一定程度影響，但一旦濕度超過某個閾值之后，其影響甚微?？紤]到本文的試驗重復次數(shù)滿足規(guī)范要求，且試驗過程未發(fā)現(xiàn)明顯試驗誤差。為了合理解釋該現(xiàn)象，需要研究瀝青-集料界面微觀變化情況。

3 結(jié)論

以真空干燥箱和恒溫恒濕箱分別創(chuàng)造0、50%、100%濕度的養(yǎng)生環(huán)境，將試驗所需的試件在上述環(huán)境中養(yǎng)生1 年，模擬自然界水汽對瀝青混合料的破壞作用，開展了單軸貫入試驗、三軸試驗、低溫彎曲試驗和單軸壓縮試驗，得出以下結(jié)論：

（1）氣態(tài)水（即濕度）對瀝青混合料高溫性能影響不可忽視，濕度的長期作用將會造成瀝青混合料黏聚力下降以及強度下降。

（2）濕度對瀝青混合料的低溫性能影響較大，瀝青混合料內(nèi)部積聚的氣態(tài)水在外部溫度下降時將會轉(zhuǎn)化為固態(tài)，從而影響瀝青-集料的界面性能，導致其低溫性能下降。

（3）濕度對瀝青混合料的常溫黏彈性能有顯著影響，50%和100%濕度養(yǎng)生條件下動態(tài)模量主曲線在低頻區(qū)間低于0 濕度；隨著濕度增加，相位角對溫度的敏感性增加；濕度對單軸壓實狀態(tài)的常溫黏彈性能破壞作用有一個閾值，超過閾值之后濕度影響便不顯著，對該現(xiàn)象的解釋需要進一步研究瀝青混合料內(nèi)部瀝青-集料界面的微觀形態(tài)。