張海濤，郭志超，劉作強

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150040)

0 引言

相比于傳統(tǒng)瀝青混合料，透水瀝青混合料(PAC-13)具有良好的排水、降噪和抗滑等功能，因此被廣泛應(yīng)用到高速公路和城市道路的建設(shè)中。透水瀝青混合料具有較大的孔隙，雨水可以快速滲入路表中，并通過路面邊緣和排水設(shè)施快速排出，因而有效保證了雨天行車安全[1]。透水瀝青混合料是典型的大孔隙骨架結(jié)構(gòu)，且其內(nèi)部存在一定的連通孔隙，這對透水瀝青混合料承受行車荷載產(chǎn)生不利影響；而且在實際應(yīng)用中，殘留在孔隙內(nèi)部的水分在行車荷載作用下，產(chǎn)生滲透壓力和膨脹壓力，進(jìn)一步擴大了混合料的孔隙，加速了瀝青在集料表面的剝落，最終產(chǎn)生路面病害[2]。因此，在保證透水瀝青混合料力學(xué)性能的同時使其兼具良好的水穩(wěn)性能是當(dāng)下研究的熱點。

Pan等[3]發(fā)現(xiàn)混合料的水穩(wěn)定性與集料級配、瀝青種類、成型方法有關(guān)。此外相比于基質(zhì)瀝青混合料，改性瀝青混合料的水穩(wěn)定性更佳；余海游[4]發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青與石灰?guī)r之間的抗剝落能力較強，且摻加消石灰和生石灰能明顯改善混合料的水穩(wěn)定性；雷鵬群[5]通過Abaqus軟件對重荷載條件下的排水瀝青路面開展研究，發(fā)現(xiàn)摻加纖維可以提高混合料的內(nèi)部穩(wěn)定性；李兆生等[6]研究了凍融對瀝青混合料力學(xué)性能的影響特性，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用增大了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性對應(yīng)力水平的敏感性；于立澤等[7]研究發(fā)現(xiàn)排水瀝青混合料的力學(xué)與排水性能呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且其力學(xué)和排水性能均隨著集料公稱最大粒徑的增大而提高。

綜上所述，目前對于透水瀝青混合料水穩(wěn)定性的研究主要集中在瀝青種類、外加劑比例對混合料水穩(wěn)定性的影響，以及凍融循環(huán)作用對瀝青混合料孔隙率和疲勞性能的影響等。本研究選用90#SBS瀝青和高粘改性瀝青，針對PAC-13開展劈裂試驗，凍融劈裂試驗以及浸水馬歇爾試驗，以確定透水瀝青混合料水溫穩(wěn)定性的主要影響因素，同時以AC-13作為對比研究。通過數(shù)字圖像技術(shù)獲取PAC-13的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合宏觀試驗綜合分析水溫對于瀝青混合料的損傷機理，為解決透水瀝青混合料在實際工程中的水溫穩(wěn)定性問題提供理論基礎(chǔ)。

1 瀝青混合料組成設(shè)計

1.1 瀝青

試驗采用90#SBS改性瀝青和高粘改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

試驗采用的粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機制砂，礦粉親水系數(shù)為0.6。表2為試驗采用集料的技術(shù)指標(biāo)。

表2 集料的技術(shù)指標(biāo)

1.3 纖維穩(wěn)定劑

玄武巖石質(zhì)纖維具有良好的耐酸、耐堿和耐高溫等性能，能顯著提高透水瀝青混合料的力學(xué)性能和高低溫穩(wěn)定性。研究采用在PAC-13中摻入0.3%的玄武巖石質(zhì)纖維，其技術(shù)指標(biāo)列于表3。

1.4 瀝青混合料設(shè)計

本研究以PAC-13瀝青混合料為研究對象，根據(jù)《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》(CJJT190-2012)[8]的相關(guān)要求，進(jìn)行目標(biāo)孔隙率和級配設(shè)計。綜合考慮強度和排水性能要求，將PAC-13的目標(biāo)孔隙率設(shè)置為20%，同時對AC-13進(jìn)行對比分析研究，設(shè)計級配如圖1所示。通過馬歇爾配合比設(shè)計可得，PAC-13和AC-13的最佳瀝青用量分別為4.7%和4.8%。

圖1 級配曲線

2 水溫對瀝青混合料力學(xué)性能影響

瀝青路面早期水損壞已經(jīng)成為我國瀝青路面最常見的病害之一，對于瀝青路面水損壞問題，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的理論成果[9]，基于此，本研究在之前研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展水溫對瀝青混合料力學(xué)性能的影響研究。選用高粘瀝青和SBS改性瀝青，通過劈裂試驗、凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，研究不同溫度、凍融循環(huán)和熱水浴3種水溫作用下透水瀝青混合料的力學(xué)性能變化規(guī)律。

2.1 劈裂試驗與凍融劈裂試驗

采用不同溫度以及凍融循環(huán)2種水溫狀態(tài)來模擬路面實際環(huán)境，分別采用劈裂強度，劈裂強度比TSR作為評價以上2種水溫狀態(tài)下瀝青混合料的水溫穩(wěn)定性指標(biāo)。

1) 選用圖1中的2種級配，分別用SBS改性瀝青和高粘改性瀝青制備馬歇爾試件。每個級配制備15個試件并隨機分成3組，每組5個，分別測試瀝青混合料在10、20和30 ℃下的劈裂強度。

2) 同1)，制備成型上述2種級配的試件，每個級配20個試件并隨機4組。前3組分別進(jìn)行1次、3次和5次的凍融循環(huán)，第4組不進(jìn)行凍融。將凍融循環(huán)后的3組試件與第4組試件同時放入25 ℃的恒溫水浴箱中保持2 h，并在25 ℃下進(jìn)行試件的劈裂試驗。劈裂抗拉強度按照式(1)和式(2)計算，凍融劈裂強度比按照式(3)計算。

RT1=0.006 287PT1/h1

(1)

RT2=0.006 287PT2/h2

(2)

式中：RT1和RT2分別為未經(jīng)凍融循環(huán)和經(jīng)歷凍融循環(huán)后試件的劈裂抗拉強度，MPa；PT1和PT2為試驗荷載數(shù)值，N；h1和h2為試件的高度,mm。

(3)

式中:TSR為凍融劈裂強度比，RΤ2為凍融循環(huán)后試件的劈裂強度,MPa；RΤ1為未經(jīng)凍融循環(huán)試件的劈裂抗拉強度,MPa。

試驗1)中不同溫度下瀝青混合料的劈裂強度如圖2所示。

圖2 不同試驗溫度下瀝青混合料劈裂強度

由圖2可知，2種級配瀝青混合料在SBS改性瀝青和高粘改性瀝青下的的劈裂強度都隨溫度的升高呈現(xiàn)降低趨勢，并且相關(guān)系數(shù)R2為0.97～0.99，初步表明瀝青混合料的劈裂強度和溫度之間具有一定線性相關(guān)性。通過圖2還可以看出，高粘瀝青制備的2種瀝青混合料劈裂強度，都明顯優(yōu)于SBS改性瀝青。

試驗2)中經(jīng)不同凍融循環(huán)次數(shù)后的瀝青混合料劈裂強度和孔隙率如表4和圖3所示。

表4 各凍融循環(huán)次數(shù)下瀝青混合料的劈裂強度與孔隙率

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下瀝青混合料的劈裂強度與TSR

根據(jù)上述結(jié)果可知：

1) 2種級配瀝青混合料的劈裂強度都隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低，這與瀝青混合料的孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的趨勢相符。其原因是因為凍融循環(huán)的試件先后經(jīng)歷真空飽水，凍融和熱水浴3個階段。水分在真空飽水期間滲透到瀝青與集料的粘結(jié)面上，一方面降低了瀝青對石料的粘附性，另一方面水分對瀝青起到一定的乳化作用，從而降低了混合料強度。而凍融和熱水浴，進(jìn)一步促進(jìn)瀝青的乳化和粘附性的降低，從而導(dǎo)致混合料的強度隨著循環(huán)次數(shù)的增加不斷降低，并且相關(guān)系數(shù)R2處于0.94～0.99，初步表明瀝青混合料的劈裂強度和凍融循環(huán)次數(shù)有一定的線性相關(guān)性。換言之，瀝青混合料的劈裂強度隨水溫作用時間而不斷降低。

2) 凍融循環(huán)作用下，PAC-13瀝青混合料劈裂強度都低于AC-13劈裂強度。這是由于AC-13瀝青混合料屬于密集配類型，空隙率低，水分很難進(jìn)入到瀝青混合料內(nèi)部，所以凍融對AC-13的內(nèi)部影響較小，損壞更多發(fā)生在混合料的表面而不是內(nèi)部，從而保證了較高強度。而PAC-13瀝青混合料屬于大孔隙排水結(jié)構(gòu)，水分很容易進(jìn)到混合料內(nèi)部并滲透到瀝青與集料的孔隙之間，導(dǎo)致瀝青與集料的粘附性降低。而進(jìn)入混合料內(nèi)部的水分，由于凍漲作用，對周圍的混合料產(chǎn)生擠壓作用從而貫通部分孔隙，因此相比于AC-13，PAC-13的空隙增長率更大，所以凍融下PAC-13的強度低于AC-13。

3) 從瀝青類型來看，高粘改性瀝青混合料TSR數(shù)值明顯高于SBS改性瀝青混合料。以PAC-13為例，經(jīng)1次凍融作用后，SBS瀝青混合料TSR數(shù)值為90%，而高粘瀝青混合料為92.2%，是前者的1.024倍；在3次凍融后，后者是前者的1.127倍；5次凍融后為1.15倍，說明相比于SBS瀝青，高粘瀝青混合料具有更好的水溫穩(wěn)定性。分析原因，這是由于瀝青強度來源于石料之間的嵌擠以及瀝青與集料之間的粘聚力，觀察劈裂后的試件，破壞多發(fā)生在空隙較大處，孔隙較大處瀝青與集料的粘附性更易受到水溫破壞，使用高粘度改性瀝青，可以顯著提高瀝青的粘聚力以及瀝青與集料之間的粘附性，從而提高混合料的強度。說明高粘瀝青可以明顯改善混合料的水溫穩(wěn)定性。

2.2 浸水馬歇爾試驗

殘留穩(wěn)定度是評價瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。為研究不同水溫以及作用時間對混合料性能的影響，針對PAC-13,設(shè)置20、40和60 ℃ 3種水浴溫度，將同一瀝青制備的混合料試件分成 2組，一組馬歇爾試件放在某一溫度水中保持 0.5 h，另一組馬歇爾試件放在同溫度水中保持48 h，分別測定其馬歇爾穩(wěn)定度，然后按照式(4)計算此水溫下的殘留穩(wěn)定度。

(4)

式(4)中：MS殘-T為T溫度下混合料試件的穩(wěn)定度，%；MS0.5-T和MS48-T分別為T溫度下浸水 0.5 h和48 h后的馬歇爾穩(wěn)定度。

試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 浸水馬歇爾穩(wěn)定度

圖5 殘留穩(wěn)定度

根據(jù)上述結(jié)果可知：

1) 瀝青混合料的穩(wěn)定度隨著溫度的升高而逐漸降低，并且相關(guān)指數(shù)介于0.96～0.99，表明瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度和溫度之間有一定的線性關(guān)系。

2) 同一種瀝青混合料試件，浸水48 h的馬歇爾穩(wěn)定度數(shù)值明顯低于同溫度浸水0.5 h狀態(tài)下穩(wěn)定度數(shù)值，說明馬歇爾穩(wěn)定度隨著浸水時長的增加而降低；此外，混合料的殘留穩(wěn)定度隨著水浴溫度的升高而加速降低，說明高溫水浴會加速混合料的水損壞。

3) 高溫浸水狀態(tài)下，高粘瀝青混合料能更好的保持水溫穩(wěn)定性，比如60 ℃水浴下，高粘瀝青混合料試件殘留穩(wěn)定度為0.79，而SBS瀝青試件殘留穩(wěn)定度為0.71。說明相比于SBS改性瀝青，高粘瀝青更適用于高溫雨多地區(qū)的瀝青路面。

綜合劈裂試驗和馬歇爾穩(wěn)定度試驗，得出如下結(jié)論：

1) 瀝青混合料的力學(xué)性能隨著溫度的升高而降低；

2) 水溫作用時間越久，混合料的性能衰減越嚴(yán)重；大孔隙路面的力學(xué)性能降低更明顯；

通過對我校大學(xué)生亞健康狀況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我校大學(xué)生存在亞健康狀況比較普遍.女生的亞健康狀況要比男生嚴(yán)重.亞健康檢查發(fā)現(xiàn)，膀胱、肺、肝、胃、大腸等器官存在的問題比較嚴(yán)重和普遍.不良生活習(xí)慣是造成我校大學(xué)生亞健康狀況產(chǎn)生的最主要原因.缺乏運動、抽煙、飲酒、通宵上網(wǎng)、不吃早餐、熬夜等不良的生活習(xí)慣都給我校大學(xué)生的身體健康帶來了嚴(yán)重的危害.

3) 高溫會加速瀝青混合料的水損壞；

4) 高粘瀝青更適用于高溫多雨氣度，有良好的水溫穩(wěn)定性。

3 圖像采集與細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

3.1 試件處理與圖像采集

采用高粘瀝青PAC-13，制備15個試件隨機分成3組，一組不做處理，一組進(jìn)行一次凍融循環(huán)試驗，最后一組試件進(jìn)行60 ℃水浴48 h處理。用CDD工業(yè)相機采集各組斷面圖像，并從每組圖像中隨機抽取一副進(jìn)行數(shù)字圖像處理分析。通過Matlab數(shù)字圖像處理技術(shù)，采用最大類方差值法對全局閾值進(jìn)行圖像分割[10]，閾值分割原理可表示為：

(5)

x=φ1x1+φ2x2

(6)

式(5)中，F(xiàn)(x,y)是分割后的圖像；g(x,y)是分割前的圖像；T是閾值。X為圖像總平均灰度；φ1和φ2分別是前景圖案中有效點數(shù)占比和背景圖案有效占比，x1和x2分別為前景和背景的平均灰度。

當(dāng)類間方差值G=φ1(x-x1)2+φ2(x-x2)2達(dá)到最大時，前景和背景差別最大，生成的圖像效果最好[11]，能更加清晰地反映出混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的空隙特征以及集料之間的嵌擠程度。閾值處理后的斷面圖如圖6所示。

圖6 閾值處理后的斷面

3.2 細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征分析

表5 孔隙特征值

圖7 瀝青混凝土孔隙類型

從圖8可知，PAC-13試件在熱水浴48 h后，在原本的孔隙周圍增加了一些微小的孔隙，分析原因，這是有熱水浴作用下，瀝青變軟粘性降低，水在高溫作用下加速侵蝕，進(jìn)入到瀝青與集料表面薄膜處，進(jìn)一步降低了瀝青與石料之間的粘附性，導(dǎo)致部分瀝青從石料表面剝落，在產(chǎn)生新的微小孔隙的同時，增加孔隙面積。而經(jīng)過凍融循環(huán)作用的試件，由于低溫情況下水的凍結(jié)是由外向內(nèi)，內(nèi)部凍結(jié)的水分無法沖破外試件外部的冰封層，所以水凍漲壓力作用到混合料內(nèi)部，貫通一些孔隙的薄弱位置，而當(dāng)熱水浴融化時，水流滲透到這些薄弱處，加速瀝青從集料上剝落，進(jìn)一步增加孔隙長度和面積等。對圖8中3種狀態(tài)下混合料孔隙形態(tài)進(jìn)行對比，熱水浴后試件新增的一些微小孔隙以及凍融循環(huán)后原孔隙周圍的細(xì)小連通孔隙，與表5中孔隙特征值相符，更加充分闡述了水溫對瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響。

4 結(jié)論

1) 水溫作用會對瀝青混合料的力學(xué)性能造成一定程度的損傷，并且瀝青混合料的力學(xué)性能與水溫作用時間以及溫度呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外，同種瀝青制備的混合料試件，PAC-13的水溫穩(wěn)定性低于AC-13，說明水溫作用對大空隙的透水瀝青路面影響更大。

2) 高粘改性瀝青制備的混合料試件水溫穩(wěn)定性優(yōu)于SBS瀝青制備的試件，在高溫多雨地區(qū)，更適宜采用高粘改性瀝青鋪筑路面。

3) 獲取PAC-13在3種水溫狀態(tài)下的斷面圖像，利用閾值分割處理以及Image-Pro plus軟件的圖像分析技術(shù)，獲取了各狀態(tài)下PAC-13的孔隙特征值，并提取孔隙形態(tài)，更加充分闡述了水溫對瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影響。