袁 玲，張關(guān)昊,蔡文濤

(1.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510507；2.武漢工程大學土木與建筑工程學院，武漢 430074；3.武漢致遠市政建設(shè)工程有限公司，武漢 430050)

0 引言

近年來我國高等級瀝青路面在其使用過程中，時刻受到諸如降雨、地表水以及來自大氣中水分的影響，當路表面形成積水時，水分會通過混合料本身的連通空隙以及路面產(chǎn)生的各類裂縫侵蝕到路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)。汽車行駛過程中輪胎對路面壓力的作用下，會逐漸導致路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分進一步對瀝青路面造成破壞，從而產(chǎn)生松散和坑槽等早期常見的路面病害[1-3]。根據(jù)相關(guān)研究顯示，道路表面水損害現(xiàn)象是我國目前各等級道路發(fā)生早期破壞的主要病害之一[4-6]。這其中由于路面處于積水狀態(tài)，在汽車行駛過程中輪胎—水—路面組成的相對運動系統(tǒng)產(chǎn)生的動水壓力，是加速瀝青路面水損害的重要原因之一。進一步了解動水壓力對路面的作用方式，同時采取相關(guān)應對措施應用到實際道路工程中，對減少路面水損害等相關(guān)的早期病害具有指導意義[7]。

本文介紹通過拼接組裝室內(nèi)實驗室?guī)追N簡單儀器以及加工制作的沖刷容器為主要部件，形成一套能夠有效模擬實際路面形成的動水壓力的試驗系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，針對成型的混合料試件以及松散的混合料進行較為全面的模擬試驗，研究經(jīng)動水壓力作用后的瀝青混合料路用性能的變化規(guī)律[8-9]。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 原材料

試驗采用2種瀝青，分別是韓國SK-70基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青兩種道路常用瀝青，依據(jù)《公路瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[10]測試基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青的基本技術(shù)指標(表1)。所用集料為石灰?guī)r、填料為石灰?guī)r礦粉，集料、礦粉的基本技術(shù)指標均滿足規(guī)范要求。

表1 瀝青材料技術(shù)指標

1.2 試驗系統(tǒng)

本研究的模擬儀器為一套可模擬實際路面動水壓力沖刷作用的試驗裝置，如圖1所示。該試驗系統(tǒng)的組成主要包括空氣壓縮機、真空抽提儀、理論密度測定儀等儀器[11-13]。

圖1動水壓力模擬試驗系統(tǒng)

空氣壓縮機提供正壓，通過氣槍可以向密閉的沖刷容器桶內(nèi)注入空氣壓力，這一過程模擬實際路面行駛中的汽車輪胎對路表面產(chǎn)生的正壓力。該試驗所用到的空氣壓縮機產(chǎn)自浙江，公稱體積流速為0.11m3/min，額定排出最大壓力為0.7MPa。

真空抽提儀提供負壓，通過儀器運轉(zhuǎn)將密閉的沖刷容器桶內(nèi)的空氣完全抽出，形成具有一定壓強的真空狀態(tài)，這一過程模擬實際路面中汽車行駛過后輪胎后方對路面產(chǎn)生的瞬時泵吸負壓力。試驗所用的真空抽提儀最大可產(chǎn)生-0.1MPa的負壓力。

最大理論密度測定儀作為沖刷容器桶的基座，提供試驗過程所需要的振動效果，可以快速排除容器內(nèi)以及混合料內(nèi)部的空氣。沖刷容器桶采用透明材料制作，方便實時觀測模擬試驗過程中的狀況，桶蓋上有進氣孔和出氣孔，可以人為模擬正負壓交替循環(huán)的過程。

1.3 礦料級配及最佳油石比的確定

級配類型選取密級配AC-13瀝青混合料，級配的確定見表2。按照表2所列的級配，初步擬定3.5%、4.0%、4.5%、5.0%四個油石比進行馬歇爾擊實成型，再根據(jù)規(guī)范要求檢測馬歇爾試件的各類體積指標，結(jié)果均符合技術(shù)指標要求。因為本研究采取同一級配下兩種瀝青混合料進行對比試驗，故確定最佳油石比為4.6%時的馬歇爾試件主要體積指標進行驗證，相關(guān)試驗結(jié)果見表3。

表2 AC-13型密級配瀝青混合料合成級配

表3 瀝青混合料試件體積指標試驗結(jié)果

1.4 試驗方案

在已有的研究基礎(chǔ)上，本文加入了對松散狀態(tài)的混合料受動水壓力影響的比較，模擬兩種混合料類型對動水壓力下瀝青混合料路用性能的影響。兩種混合料類型分別為一次成型和二次成型，一次成型即成型的混合料試件經(jīng)正負壓交替循環(huán)的動水作用后風干的過程；二次成型即散料經(jīng)動水作用風干后，二次加熱成型混合料試件的過程。最后，對兩者進行性能檢測。

2 動水壓力作用對混合料路用性能的影響

2.1 高溫穩(wěn)定性

高溫穩(wěn)定性指的是瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。本節(jié)研究采用車轍試驗來模擬瀝青混合料在高溫狀態(tài)下受到的荷載作用，根據(jù)動穩(wěn)定度來評價再生瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行試驗，成型結(jié)合料分別為基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青的兩種AC-13型瀝青混合料車轍板。試驗時將預先制作好的車轍板在60℃的恒溫室中保溫不少于5h，以保證車轍板內(nèi)部溫度均勻，然后使試驗輪以42次/min±1次/min的速度行駛在車轍板上。試驗的停止條件為試驗時間達到1h或試件的最大變形達到25mm，參照試驗規(guī)程計算混合料的動穩(wěn)定度DS來評價瀝青混合料的高溫性能。試驗結(jié)果如圖2～圖3所示。

圖2 基質(zhì)瀝青混合料動穩(wěn)定度

圖3 改性瀝青混合料動穩(wěn)定度

由圖2和圖3可以看出，隨著動水沖刷作用時間的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度逐漸增加。經(jīng)過動水沖刷作用時間為4h時，SK-70基質(zhì)瀝青混合料的動穩(wěn)定度相較于對照組提高了約26%；SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度相較于對照組提高了約43%。這表明前期動水的反復作用會帶走細集料與粉塵，而細集料的減少意味著混合料在二次成型過程中粗集料更為集中，因此能有效地提高車轍板的動穩(wěn)定度。而4h后，兩種瀝青混合料的動穩(wěn)定度迅速回落下降并且低于對照組，由此可見，動水壓力對瀝青混合料自身材料性能的破壞階段發(fā)生在4h后。并且可以進一步推測兩種瀝青混合料在作用6h后的時間里，動穩(wěn)定度的測試結(jié)果基本不滿足規(guī)范要求。

2.2 低溫抗裂性

低溫抗裂性指的是瀝青混合料抵抗由于氣溫驟降或長時間溫度循環(huán)下在瀝青層內(nèi)產(chǎn)生的溫度應力導致瀝青混合料開裂的能力，主要取決于混合料的低溫變形能力。本文采用半圓彎曲(SCB)試驗[14]，進行不同動水壓力處理下瀝青混合料抗低溫開裂性能的試驗。參考EN 12697-44[15]，制備SGC試件，試件的直徑為150mm，厚度為62.5mm，然后沿直徑方向?qū)⒃嚰虚_，最后在試件底部中間處切一個深度約為3mm的小槽即可得到SCB試件。測試儀器選取IPC UTM-100多功能材料試驗系統(tǒng)，試驗之前需要將試件保溫不少于5h，以保證試件內(nèi)部溫度達到測試要求。放置妥當之后，將UTM壓頭置于切縫正上方處開始加載，加載速率為0.50mm/min，同時記錄每0.02s的位移與力值，直至材料破壞時試驗結(jié)束，記錄力的峰值作為臨界荷載。試驗結(jié)果如圖4～圖5所示。

圖4 基質(zhì)瀝青混合料斷裂能

圖5 改性瀝青混合料斷裂能

圖4～圖5反映了不同動水沖刷作用時間對不同瀝青混合料斷裂能的影響程度。結(jié)果顯示：在不同動水沖刷作用時間下，瀝青混合料的斷裂能隨動水作用時間的增加，均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。且在動水作用時間為4h時，瀝青混合料的斷裂能處于峰值；動水作用時間4h后，兩種瀝青混合料的斷裂能迅速回落下降并低于對照組。

2.3 水穩(wěn)定性能

瀝青混合料的水穩(wěn)定性是影響瀝青混合料耐久性的重要因素。本文參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)進行凍融劈裂試驗，計算不同動水壓力作用時間下凍融劈裂強度比(TSR)來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。凍融劈裂試驗采用馬歇爾擊實儀雙面擊實50次，成型高度為63.5mm±1.3mm、直徑為101.6mm的馬歇爾試件。試驗中將試件隨機分成兩組，一組放置于室溫下保存?zhèn)溆?，另一組進行凍融處理；然后將兩組試件放入25℃恒溫水槽中水浴2h，以保證試件內(nèi)部溫度均勻；最后采用多功能瀝青壓力試驗儀，以50mm/min的加載速率，測試兩組試件破壞時的極限荷載。

將凍融組不同時間動水沖刷作用后的劈裂強度對應未凍融組不同時間動水沖刷作用后的劈裂強度進行比值，試驗結(jié)果如圖6～圖7所示。

圖6 基質(zhì)瀝青混合料TSR*

圖7 改性瀝青混合料TSR*

由圖6～圖7可以看出，隨著動水沖刷作用時間的增加，TSR*呈現(xiàn)一直上升的趨勢，并沒有出現(xiàn)峰值拐點。造成這一結(jié)果的原因可能是因為當動水沖刷作用時間超過4h后，未凍融組和凍融組的馬歇爾試件整體強度均呈現(xiàn)下降趨勢，同時試件本身對水的敏感性降低，未凍融組試件的最大劈裂荷載下降幅度小于凍融組，導致未凍融組和凍融組之間的劈裂強度越來越接近，故劈裂強度比值TSR*呈現(xiàn)越來越大的趨勢。

將凍融組不同時間動水沖刷作用后的劈裂強度對應未凍融組0h的劈裂強度進行比值，結(jié)果如圖8～圖9所示。

圖8 基質(zhì)瀝青混合料TSR*

圖9 改性瀝青混合料TSR*

由圖8～圖9可以看出，0～4h之間TSR*先略微下降然后上升達到峰值，與不固定對照組TSR*試驗結(jié)果的規(guī)律基本一致，基質(zhì)瀝青組一次成型混合料和二次成型混合料4hTSR*相較于0hTSR*分別提升了約5%和14%，改性瀝青組一次成型混合料和二次成型混合料4hTSR*相較于0hTSR*分別提升了約11%和15%。由此可見，動水壓力對瀝青混合料水穩(wěn)定性起著改善作用；6h之后，與不固定對照組TSR*試驗結(jié)果規(guī)律基本相反，TSR*急劇下降。因此，對比兩種比值結(jié)果，可以綜合判斷動水壓力對瀝青混合料水穩(wěn)定性起著先提升后減弱的作用。

2.4 疲勞性能

疲勞開裂是瀝青路面主要的破壞模式之一[16]。本文采用循環(huán)加載半圓彎曲(R-SCB)試驗研究不同動水沖刷作用時間、不同應力比條件下瀝青混合料的疲勞性能[17-18]。試驗儀器選取IPC UTM-100多功能材料試驗系統(tǒng)，測試過程在符合規(guī)范要求的環(huán)境箱內(nèi)進行。試驗加載大小由平行試驗第一個試件通過半圓彎曲試驗所確定。基質(zhì)瀝青混合料試驗參數(shù)選取0.3、0.4、0.5、0.6、0.7五個應力比水平；改性瀝青混合料試驗參數(shù)選取0.4、0.5、0.6、0.7、0.8五個應力比水平[19-20]，試驗頻率為2Hz。試驗結(jié)果如圖10～圖13所示。

圖10 一次成型基質(zhì)瀝青混合料

圖11 二次成型基質(zhì)瀝青混合料

圖12 一次成型改性瀝青混合料

圖13 二次成型改性瀝青混合料

通過圖10～圖13試驗結(jié)果可以看出，在同樣的應力比試驗條件下，對于不同的動水作用時間，隨著動水作用時間的增加，瀝青混合料的疲勞壽命有明顯提高。動水作用時間為4h時，提高幅度最為明顯；4h后，隨著動水作用時間的增加，瀝青混合料的疲勞壽命迅速下降回落且低于對照組。

在五個應力比范圍下，基質(zhì)瀝青組一次成型瀝青混合料0～4h疲勞壽命平均增長率為38%，4～6h疲勞壽命平均下降率為40%；基質(zhì)瀝青組二次成型瀝青混合料0～4h疲勞壽命平均增長率為24%，4～6h疲勞壽命平均下降率為32%；改性瀝青組一次成型瀝青混合料0～4h疲勞壽命平均增長率為26%，4～6h疲勞壽命平均下降率為18%；改性瀝青組二次成型瀝青混合料0～4h疲勞壽命平均增長率為18%，4～6h疲勞壽命平均下降率為24%。一次成型的瀝青混合料疲勞壽命受動水壓力的影響要大于二次成型的瀝青混合料，這可能是因為經(jīng)過同等條件動水壓力作用后，成型后的瀝青混合料試件除了試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到破壞，試件內(nèi)部還存在少量水分；松散的瀝青混合料在二次成型過程中完全排除了水分的干擾。這一結(jié)果表明水分的存在對于瀝青混合料的應力敏感性起著不可忽視的作用。

在0～4h動水沖刷的作用下，混合料內(nèi)外粘附性較差的局部缺陷以細集料和粉塵的形式被帶出，而細集料的流失也對混合料抵抗荷載重復作用起到改善作用。超過4h后，水分完全侵蝕到混合料的內(nèi)部，甚至對瀝青本身造成了破壞，降低了集料與瀝青之間的粘附性，造成了內(nèi)部缺陷的發(fā)展，并導致結(jié)構(gòu)的破壞。綜合分析認為，4h前的動水沖刷作用會提高瀝青混合料的疲勞壽命，4h后的動水沖刷作用會減小瀝青混合料的疲勞壽命。

2.5 動態(tài)模量

瀝青混合料是一種粘彈性體，在受到高溫荷載時，其內(nèi)部受力和變形表現(xiàn)為粘彈性特征，材料變形分為彈性變形和粘性變形。瀝青混合料的動態(tài)模量是瀝青混合料在正弦荷載下的響應特征[21]。瀝青混合料的動態(tài)模量試驗主要是在無側(cè)向壓力的條件下，對瀝青混合料試件按照一定的溫度、頻率、波形施加豎向荷載，同時測量試件可恢復的軸向變形。

本文根據(jù)AASHTO TP62進行不同時間動水壓力作用下的一次成型、二次成型瀝青混合料的動態(tài)模量測試。測試溫度分別設(shè)定為-10℃、4.4℃、21℃、38℃和54℃；荷載施加頻率分別為0.1Hz、0.5Hz、1.0Hz、5.0Hz、10.0Hz和25.0Hz。采用sigmoidal函數(shù)式(1)～式(3)進行主曲線擬合。動態(tài)模量主曲線如圖14～圖17所示。

(1)

fr=f×αT

(2)

(3)

式中:E*為瀝青混合料的動態(tài)模量；

δ，α，β，γ，C1和C2是擬合參數(shù)；

fr是在參考溫度下的加載頻率；f是試驗頻率；

αT是移位因子，T和Tr分別是試驗和參考溫度(℃)。

圖14 一次成型基質(zhì)瀝青混合料動態(tài)模量主曲線

圖15 二次成型基質(zhì)瀝青混合料動態(tài)模量主曲線

圖16 一次成型改性瀝青混合料動態(tài)模量主曲線

圖17 二次成型改性瀝青混合料動態(tài)模量主曲線

由圖14～圖17可以看出：瀝青混合料主曲線呈現(xiàn)S型分布，4h動水作用主曲線始終位于最上方，說明經(jīng)過4h動水作用時間，瀝青混合料的性能有所提升。6h動水作用主曲線始終位于最下方，說明4h之后的動水作用已經(jīng)開始對瀝青混合料的性能造成破壞和損傷。0h和2h動水作用主曲線存在逼近、交叉現(xiàn)象，說明短時間的動水作用對瀝青混合料性能影響不大。

3 結(jié)論

本文基于動水壓力模擬試驗，探究動水壓力作用對混合料路用性能影響，得出以下結(jié)論：

(1)短時間的動水沖刷作用導致瀝青混合料內(nèi)部的粉塵等雜質(zhì)被抽提出來，使得瀝青混合料的含泥量降低，更加純凈，可以有效地提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、抗疲勞性能。隨著動水沖刷作用時間的增長，水分的弱化作用開始體現(xiàn)并逐漸增強。

(2)通過室內(nèi)試驗測定和評價了不同時間動水沖刷作用后瀝青混合料的力學性能，得到瀝青混合料的劈裂強度和動態(tài)模量隨著動水沖刷作用時間的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，4h處達到峰值轉(zhuǎn)折點。在動水沖刷作用前中期增長幅度較緩，后期在動水沖刷作用中下降幅度較大。

(3)綜合路用性能和力學性能測試來看，瀝青混合料的動水沖刷作用顯然會改變材料的性能，但這種改變在4h前對其材料性能有所提升，4h后才會對其材料性能產(chǎn)生損傷乃至破壞。