張甫田,高俊啟,魯洪強(qiáng)

(1.青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,山東 青島 266000; 2.南京航空航天大學(xué) 民航學(xué)院,江蘇 南京 210016)

動(dòng)水壓力存在于雨天路面積水的情況下,也存在于雨后路面空隙或裂縫存水的情況下。對于后一種情況,美國AASHTO研究表明，自由水滲入瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部,并在車載荷載的作用下形成超孔隙水流,瀝青混合料承受孔隙水沖刷和荷載應(yīng)力的雙重作用產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損壞,相比于路面干燥時(shí)要高出40倍以上[1],加劇了道路病害的產(chǎn)生與發(fā)展。

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是影響瀝青路面水損壞的關(guān)鍵指標(biāo),目前這方面的相關(guān)研究較多。文獻(xiàn)[2-3]將瀝青路面早期破壞的主要原因歸結(jié)到水-荷載的耦合作用;文獻(xiàn)[4]將瀝青混合料老化試驗(yàn)與凍融劈裂試驗(yàn)有機(jī)結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種能夠反映混合料初期和中后期水穩(wěn)定性能的新方法——全程評價(jià)法,藉此方法得到了瀝青混合料不同使用階段的水穩(wěn)定性能評價(jià);文獻(xiàn)[5]研究認(rèn)為，瀝青路面水損壞的原因是動(dòng)水壓力引起的抽水效應(yīng),動(dòng)態(tài)水滲透系數(shù)隨著空隙率的增加而增加并最終趨于穩(wěn)定;文獻(xiàn)[6] 將水損壞機(jī)理歸結(jié)于瀝青和集料間的黏附性損失以及瀝青混合料的黏聚性損失;文獻(xiàn)[7]通過設(shè)計(jì)的動(dòng)水壓力裝置模擬動(dòng)水沖刷作用,結(jié)果表明，經(jīng)過動(dòng)水沖刷的試件其凍融劈裂強(qiáng)度比(tensile strength ratio,TSR)逐漸降低,同時(shí)還進(jìn)行了高溫時(shí)動(dòng)水沖刷試驗(yàn);文獻(xiàn)[8]基于對瀝青膜剝落原因的分析,把剝落機(jī)理歸納為撕裂、破裂、置換、瞬間乳化、孔隙水壓力、動(dòng)水沖刷等;文獻(xiàn)[9]指出空隙率超過8%時(shí),瀝青路面嚴(yán)重透水,將加速水損壞。

由上述研究可知,針對瀝青混合料水穩(wěn)定性的研究,多利用的是沒有經(jīng)過動(dòng)水沖刷的試件,或僅研究了動(dòng)水沖刷對水穩(wěn)定性的影響,而沒有進(jìn)一步指出動(dòng)水壓力加速瀝青混合料水損壞的程度。為此,本文設(shè)計(jì)了動(dòng)水沖刷試驗(yàn)和靜水浸泡試驗(yàn),對SMA-13瀝青混合料芯樣進(jìn)行不同壓力、不同作用次數(shù)的沖刷,分析動(dòng)態(tài)水壓力大小和作用次數(shù)對瀝青混合料孔隙水穩(wěn)定性的影響。為對比分析動(dòng)水沖刷可以加劇瀝青混合料的水損壞,制作了靜態(tài)真空飽水混合料試件,測定其受到水損害前、后的劈裂強(qiáng)度,通過計(jì)算TSR來評價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 瀝青混合料試件制備

靜水浸泡試件為路面取芯SUP-20混合料,其中集料為安徽茅迪生產(chǎn)的石灰?guī)r。試件尺寸如下:直徑為(101.6±0.2) mm;高度為(63.5±1.3) mm。現(xiàn)有研究表明,瀝青混合料的空隙率是影響水穩(wěn)定性的首要因素[10]。因此,本文首先測量試件毛體積密度,然后根據(jù)最大理論密度計(jì)算芯樣的實(shí)際空隙率。SUP-20試件共30個(gè)，各試件空隙率見表1所列。

表1 SUP-20試件空隙率

動(dòng)水沖刷試驗(yàn)用試件是從車轍板中取出φ150 mm的SMA-13芯樣,采用文獻(xiàn)[11]的建議級配。SMA-13試件共20個(gè),各試件空隙率見表2所列。

表2 SMA-13試件空隙率

1.2 試驗(yàn)方案及過程

設(shè)計(jì)了靜水浸泡試驗(yàn)對瀝青混合料真空飽水后的水穩(wěn)定性進(jìn)行研究,通過改變浸水時(shí)間定期對試件進(jìn)行測定。靜態(tài)飽水混合料試件平均分成5組,每組6個(gè)試件,每組浸水時(shí)間分別為0個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月。達(dá)到設(shè)定的浸水時(shí)間后,根據(jù)規(guī)范試驗(yàn)方法采用T0729-2000瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)夾具對SUP-20試件進(jìn)行凍融劈裂,試驗(yàn)溫度為25 ℃,加載速率為50 mm/min。

設(shè)計(jì)了動(dòng)水沖刷試驗(yàn),通過不同動(dòng)態(tài)水壓力和作用次數(shù),研究瀝青混合料試件水穩(wěn)定性的變化規(guī)律。試驗(yàn)裝配如圖1所示,主要由氣壓機(jī)、自制路面滲水儀、多功能控制儀(最高頻率5 Hz)、可調(diào)氣壓表、水泵、密封充水容器等組成。動(dòng)態(tài)水壓力數(shù)值由可調(diào)氣壓表設(shè)定,本試驗(yàn)中動(dòng)態(tài)水壓力分別為0.1、0.2 MPa。沖刷頻率由LD-Ⅲ型多功能控制儀控制,沖刷次數(shù)分別為10 800、21 600、32 400次。瀝青混合料試件按空隙率大小排列組合。動(dòng)水沖刷試驗(yàn)方案見表3所列。將S4、S17、S18、S20 4個(gè)試件作為對比,沒有沖刷,其劈裂強(qiáng)度作為未凍融劈裂強(qiáng)度,這4個(gè)試件在表3中沒有列出,不參與分組實(shí)驗(yàn);其余16個(gè)試件按孔隙率大小排列組合,相對均勻,以降低對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

圖1 動(dòng)態(tài)水壓力試驗(yàn)布置

表3 瀝青混合料芯樣試驗(yàn)分組

瀝青混合料試件經(jīng)過動(dòng)態(tài)水沖刷之后,依據(jù)文獻(xiàn)[12]測定其凍融劈裂強(qiáng)度,研究瀝青混合料水穩(wěn)定性隨沖刷次數(shù)、動(dòng)態(tài)水壓力的變化關(guān)系。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 靜水浸泡試驗(yàn)

(1)

各組不同浸水時(shí)間的試件TSR結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出,TSR隨浸泡時(shí)間的增加而降低,沒有浸水的試件TSR最高,接近77%。圖2曲線走勢在前期階段較陡,后期階段較平緩,浸水3個(gè)月所測得的TSR比未浸水試件的TSR降幅近8%,從77%下降到69%左右,說明在前3個(gè)月中大量自由水滲入試件內(nèi)部的連通空隙。另外幾組試件降幅不大,主要是因?yàn)檫B通空隙幾乎已經(jīng)飽水,水分開始滲透進(jìn)入閉塞空隙,這個(gè)過程比水分進(jìn)入連通空隙漫長,所以浸泡6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月的試件測得的TSR變化不大,平均降幅在2%～4%左右。

圖2 TSR值變化曲線

2.2 動(dòng)水沖刷試驗(yàn)

瀝青混合料試件經(jīng)過動(dòng)態(tài)水沖刷之后,依據(jù)規(guī)范要求,對其凍融劈裂強(qiáng)度進(jìn)行了測定。試驗(yàn)中將瀝青混合料試件分為2組:① 不沖刷不凍融,直接將試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn);② 沖刷后凍融,即對沖刷后的試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)。

對沖刷后TSR進(jìn)行研究,不同動(dòng)態(tài)水壓力與沖刷次數(shù)作用后SMA-13的TSR值變化如圖3所示。由圖3可知:

圖3 動(dòng)水壓力與作用次數(shù)下的TSR值

(1) 動(dòng)水壓力一定時(shí),沖刷次數(shù)越多,TSR越小。對于SMA-13試件,在動(dòng)水壓力為0.1 MPa的條件下,沖刷次數(shù)為10 800次時(shí),沖刷后TSR接近89%;而沖刷次數(shù)為21 600次時(shí),TSR為82%左右;沖刷次數(shù)為32 400次,TSR接近80%。沖刷32 400次比10 800次的TSR值降低約9%。

(2) 沖刷次數(shù)一定時(shí),動(dòng)水壓力越大,TSR越小。對于SMA-13試件,沖刷次數(shù)為10 800時(shí),動(dòng)水壓力為0.1 MPa時(shí)沖刷后TSR為88.67%；而動(dòng)水壓力為0.2 MPa時(shí),TSR為86.58%。TSR值降低2.09%。

2.3 動(dòng)水沖刷加速水損壞分析

綜合動(dòng)水沖刷試驗(yàn)和靜水浸泡的試驗(yàn)結(jié)果分析可得,使用動(dòng)態(tài)水對瀝青混合料高頻沖刷和靜態(tài)水浸泡瀝青混合料后凍融劈裂,均能使TSR降低。從圖3可以看出,對于SMA-13試件,沖刷次數(shù)由10 800次增加到32 400次,TSR減小9%。從圖2可以看出,沒有浸水的試件TSR高,達(dá)到77%,浸泡3個(gè)月后其TSR下降至69%左右,降幅達(dá)8%,與動(dòng)水沖刷試驗(yàn)TSR降幅非常接近?？梢?在動(dòng)水沖刷作用下,TSR在短時(shí)間內(nèi)下降很快,接近靜水飽和試件浸泡長達(dá)3個(gè)月的TSR降幅，即動(dòng)水壓力可以在短時(shí)間內(nèi)迅速使瀝青混合料水損壞達(dá)到靜態(tài)水長時(shí)間浸泡后的程度,對瀝青混合料的水穩(wěn)定性起到加速破壞作用。

3 結(jié) 論

(1) 本文設(shè)計(jì)了動(dòng)水沖刷試驗(yàn),通過調(diào)節(jié)不同動(dòng)態(tài)水壓力和作用次數(shù),研究瀝青混合料試件水穩(wěn)定性的變化規(guī)律。本試驗(yàn)設(shè)備的水壓力峰值和沖刷次數(shù)均可控,能夠用于研究瀝青路面中的動(dòng)態(tài)水壓力對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響機(jī)理。

(2) 對動(dòng)水沖刷后的瀝青混合料芯樣進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn),其TSR明顯降低。對于相同類型的瀝青混合料取芯試件,TSR隨動(dòng)水壓力的增大、沖刷次數(shù)的增加而不斷降低,呈非線性關(guān)系。說明瀝青混合料隨動(dòng)水沖刷時(shí)間的延長和沖刷壓力的增大,其膠結(jié)料黏結(jié)力不斷下降。

(3) 設(shè)計(jì)了靜水浸泡試驗(yàn),對試件進(jìn)行了長時(shí)間的浸泡。TSR隨浸泡時(shí)間的增加而降低。浸水3個(gè)月所測得的TSR與未浸水試件的降幅近8%,浸泡時(shí)間長達(dá)6個(gè)月、9個(gè)月、12個(gè)月的瀝青混合料試件測得的TSR平均降幅在2%～4%左右。前期的下降速率是后期的3～4倍。

(4) 動(dòng)水沖刷可以在短時(shí)間內(nèi)使瀝青混合料水損壞達(dá)到在靜態(tài)水長期浸泡下的程度,沖刷32 400次比10 800次TSR值降低約9%,與靜水浸泡3個(gè)月后的TSR降幅非常接近。它對瀝青混合料的水穩(wěn)定性起到加速破壞作用。0.1 MPa壓力下沖刷2.16×104次的水損壞效果與浸水3個(gè)月的相近。