唐建鋒，楊 藝

(1.建德市交通發(fā)展投資有限公司，浙江 建德 311600；2.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 211100)

0 引言

瀝青路面裸露于自然環(huán)境之中，經(jīng)受著循環(huán)的降雨和溫度變化耦合作用下的侵蝕。在行車荷載的作用下，瀝青面層內(nèi)部受動(dòng)水沖刷作用[1]，極易產(chǎn)生水損害，從而引發(fā)開裂、坑槽等病害。相關(guān)的研究表明，這些病害與瀝青路面材料的抗水損害能力、孔隙率均有較強(qiáng)的相關(guān)性。

瀝青混合料的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其水穩(wěn)定性的影響很大，當(dāng)前瀝青路面多采用密級(jí)配瀝青混合料來減少路表水的下滲或利用多孔瀝青混合料鋪設(shè)排水路面，但此類瀝青混合料易產(chǎn)生空隙堵塞的問題,高溫重載條件下抗車轍能力也較差。針對(duì)瀝青混合料的孔徑結(jié)構(gòu)與水穩(wěn)定性的關(guān)系，已有研究表明，瀝青混合料孔隙率在8%～12%時(shí)，抗水損害能力急劇下降[3]。使用改性瀝青是提高瀝青混合料水穩(wěn)定性的重要方法之一，研究人員通過水煮法、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)等試驗(yàn)方法，證明了環(huán)氧瀝青混合料具有十分優(yōu)越的抗水損害能力[4-5]。然而，環(huán)氧瀝青混合料的微觀孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀抗水損害能力之間的關(guān)系目前所知甚少，相應(yīng)的試驗(yàn)研究通常局限于建立孔隙率與凍融劈裂強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系。

瀝青混合料的滲水性能受到孔隙結(jié)構(gòu)的影響，又與水損害的產(chǎn)生與發(fā)展密不可分。相較于水煮法和凍融劈裂試驗(yàn)等，滲水試驗(yàn)?zāi)軌蚋玫啬M實(shí)際的路面結(jié)構(gòu)，對(duì)路面材料水穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)?？紤]到行車荷載作用下的動(dòng)水沖刷作用，采用壓力滲水試驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)一步貼合現(xiàn)場情況。本文利用工業(yè)CT掃描技術(shù)，建立三維孔隙結(jié)構(gòu)模型，對(duì)凍融循環(huán)作用下的普通瀝青混合料和環(huán)氧瀝青混合料的孔隙結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，結(jié)合壓力滲水試驗(yàn)，分析環(huán)氧瀝青混合料的水穩(wěn)定性改善效果。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)研究選用殼牌瀝青及方山料場礦料集料配制SMA-13級(jí)配瀝青混合料，礦料規(guī)格為0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm，設(shè)計(jì)級(jí)配曲線如圖1所示。原材料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42—2005)和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行檢測，各指標(biāo)檢測結(jié)果均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)。

1.2 凍融試驗(yàn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法分別制備普通瀝青混合料試件和環(huán)氧瀝青混合料試件，試件尺寸為φ101.6mm×63.5mm，用馬歇爾擊實(shí)儀雙面擊實(shí)各50次。

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011)進(jìn)行凍融試驗(yàn)。首先對(duì)試件進(jìn)行真空飽水，并在常壓下置于水槽中0.5h；然后將試件放入塑料袋，袋內(nèi)注入10mL水，試件在-18℃下冷凍2h；取出試件后，放入60℃的恒溫水槽中融化，再將試件從塑料袋中取出，保溫2h。當(dāng)試件完成凍融試驗(yàn)后，分別進(jìn)行工業(yè)CT掃描試驗(yàn)和壓力滲水試驗(yàn)。

2 工業(yè)CT掃描試驗(yàn)及分析

2.1 工業(yè)CT掃描試驗(yàn)

CT掃描的空間分辨率和密度分辨率直接影響到二維灰度圖的清晰度，兩者制約著樣品的尺寸，因此需要對(duì)凍融前后的瀝青混合料試件進(jìn)行鉆芯取樣，采用直徑30mm、高60mm的圓柱體試件進(jìn)行CT掃描試驗(yàn)。此次CT掃描試驗(yàn)在東南大學(xué)材料學(xué)院進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為X射線斷層掃描儀和三維X射線顯微鏡。其中，普通瀝青混合料試件采用X射線斷層掃描儀獲取CT圖像，掃描間隔為0.1mm；環(huán)氧瀝青混合料試件采用三維X射線顯微鏡獲取CT圖像，掃描間隔為0.01mm。工業(yè)CT掃描試驗(yàn)結(jié)果得到的灰度圖如圖2所示，本文利用灰度圖重構(gòu)瀝青混合料的三維模型，提取其中的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)行分析。

圖2 二維灰度圖(左側(cè)為凍融前普通瀝青混合料，右側(cè)為凍融后普通瀝青混合料)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)工業(yè)CT掃描圖像進(jìn)行三維重構(gòu)，提取孔隙信息得到孔隙率(表1)。為便于觀察凍融后孔隙結(jié)構(gòu)的變化，將孔隙按不同孔徑大小進(jìn)行劃分。圖3與圖4分別體現(xiàn)了凍融前后不同孔徑下孔隙數(shù)量與孔隙體積的變化情況。

表1 凍融前后瀝青混合料試件孔隙率

分析試驗(yàn)結(jié)果可知：

(1) 對(duì)比表1中的孔隙率數(shù)據(jù)，凍融前后均呈現(xiàn)瀝青混合料試件孔隙率增大的現(xiàn)象，其中環(huán)氧瀝青混合料的孔隙率的增長率要遠(yuǎn)小于普通瀝青混合料。同為環(huán)氧瀝青混合料，初始孔隙率越低，凍融后孔隙率的增長量越小。各試件中，初始孔隙率最低的環(huán)氧瀝青混合料試件B孔隙率增長率最小，僅增長了4.98%；普通瀝青混合料試件A的孔隙率增長率最大，增長了49.16%。說明提高混合料密實(shí)度、摻加環(huán)氧樹脂均具有改善瀝青混合料水穩(wěn)定性的效果，摻加環(huán)氧樹脂的改善效果較明顯。

(2)普通瀝青混合料試件A，各孔徑范圍內(nèi)均有孔隙數(shù)量大幅下降，在孔徑100～500μm內(nèi)孔隙數(shù)量減少量最大；環(huán)氧瀝青混合料試件B，各孔徑范圍內(nèi)均有孔隙數(shù)量增加，以50μm孔徑以下孔隙為主；環(huán)氧瀝青混合試件C，各孔徑范圍內(nèi)均有孔隙數(shù)量減少，同樣以50μm孔徑以下孔隙為主。由于各試件均有凍融后孔隙率的增加，說明普通瀝青混合料試件A和環(huán)氧瀝青混合試件C在凍融作用下，均表現(xiàn)為孔隙的擴(kuò)大至連通發(fā)展，但受到環(huán)氧樹脂三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的影響，試件C孔隙發(fā)展相對(duì)較慢；而環(huán)氧瀝青混合料試件B的孔隙仍以孔隙自身孔徑的擴(kuò)大為主，各孔隙發(fā)展相對(duì)獨(dú)立。

(3)觀察圖4中的孔隙體積變化情況，發(fā)現(xiàn)試件A與C有相同的規(guī)律，在孔徑為500μm以下的孔隙體積均表現(xiàn)為凍融后減小，而500μm以上的孔隙體積大幅增大。而試件B表現(xiàn)為凍融循環(huán)后各孔徑范圍內(nèi)的孔隙體積均提高，以孔徑為500μm以上的孔隙體積增大量為主?？梢哉J(rèn)為凍融循環(huán)作用下，瀝青混合料孔隙率的增加，普遍依賴于500μm孔徑以上孔隙體積的增大。

3 壓力滲水試驗(yàn)及分析

當(dāng)路面存在自由水時(shí)，在行車荷載作用下，自由水會(huì)在瀝青混合料內(nèi)部發(fā)生滲流，在動(dòng)水沖刷作用下，集料與瀝青逐漸失去粘附性，部分細(xì)集料剝落，進(jìn)一步引發(fā)裂縫、松散、坑槽等病害。瀝青混合料水損害的發(fā)生與瀝青混合料的滲流特征息息相關(guān)，同時(shí)自由水在混合料內(nèi)部的移動(dòng)又取決于連通孔隙，因此對(duì)凍融循環(huán)前后的各環(huán)氧瀝青混合料試件進(jìn)行壓力滲水試驗(yàn)，測定水壓分別為0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa和0.7MPa時(shí)單位時(shí)間內(nèi)滲入試件的水量(表2)。

表2 不同壓力下環(huán)氧瀝青混合料的滲水量

由表2可知：

(1)試件B的滲水量始終為0，即在低孔隙率時(shí)，環(huán)氧瀝青混合料滲水量為0。說明低孔隙率的環(huán)氧瀝青混合料在早期凍融循環(huán)下，試件內(nèi)部還未形成上下連通的孔隙，依然具有較好的水穩(wěn)定性。

(2)凍融前后，瀝青混合料內(nèi)孔隙率增大，連通孔隙增多，滲水量也提高，水穩(wěn)定性下降。隨著壓力的增大，滲水量增大，凍融前后試件的滲水量差值變大。

(3)觀察初始孔隙率為7.74%的環(huán)氧瀝青混合料試件C，呈現(xiàn)隨著壓力增加滲水量逐漸增加，但滲水量的增加量逐漸減小的關(guān)系。這是因?yàn)樵嚰?nèi)部連通的孔隙體積一定時(shí)，滲水能力受限，一定范圍內(nèi)隨著壓力的增大，滲水量趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文通過凍融循環(huán)試驗(yàn)、工業(yè)CT掃描試驗(yàn)和壓力滲水試驗(yàn)，分析凍融循環(huán)作用下普通瀝青混合料及環(huán)氧瀝青混合料孔隙結(jié)構(gòu)的變化及滲透特性，得到主要結(jié)論:

(1)凍融循環(huán)作用下，瀝青混合料的孔隙率增大，環(huán)氧瀝青混合料的孔隙率變化量小于普通瀝青混合料，其中又以較小孔隙率的環(huán)氧瀝青混合料的孔隙率變化量最小。

(2)凍融前后，瀝青混合料孔隙率的增加，主要來源于500μm孔徑以上孔隙體積的增大。普通瀝青混合料A和較大孔隙率的環(huán)氧瀝青混合料C在各孔徑范圍的孔隙數(shù)量都有所減少，孔隙體積以500μm為界，孔徑在500μm以上的孔隙體積增大，500μm以下的孔隙體積減小；而小孔隙率的環(huán)氧瀝青混合料B在各孔徑范圍的孔隙數(shù)量和孔隙體積均增加，以孔徑在500μm以上的孔隙體積增大為主。

(3)環(huán)氧瀝青混合料的滲水量受到孔隙率和壓力的影響。低孔隙率的試件B凍融前后均不滲水，水穩(wěn)定性更好；凍融作用導(dǎo)致的環(huán)氧瀝青混合料連通孔隙增多，滲水量相應(yīng)增加；滲水量呈現(xiàn)隨壓力增加而增長的現(xiàn)象，但滲水量增加量逐漸減小，滲水量趨于穩(wěn)定。