黨志榮, 念騰飛, 劉宗成, 姜繼斌, 楊海麗, 石國雄

(1. 甘肅第七建設(shè)集團股份有限公司, 甘肅 蘭州 730000; 2. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 3. 甘肅路橋建設(shè)集團養(yǎng)護科技有限責(zé)任公司, 甘肅 蘭州 730000)

瀝青路面以其良好的路用性能、平整耐磨的表面、舒適的行車性能和相對較為穩(wěn)定的力學(xué)性能在道路工程中得到了廣泛應(yīng)用[1].然而，在瀝青路面運行早期破壞中，水是主要影響因素之一，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)有自由水存在時，每一次的車輪荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)由于動荷載的作用，其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞是干燥狀態(tài)下結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的40倍以上，水損害發(fā)生概率相對較大[2].加之，近年來為了使城市的環(huán)境變得更好，道路灑水頻率提高，使城市道路發(fā)生水損害的現(xiàn)象更加突出.

為了減少瀝青路面水損害的發(fā)生，使瀝青路面具有更好的服役性能，各國學(xué)者從不同方面對瀝青路面抗水損害特性進行了研究[3]，如探尋瀝青粘結(jié)材料的力學(xué)特性[4-5]、增強瀝青混合料的水穩(wěn)定性、改進傳統(tǒng)的瀝青路面材料水穩(wěn)定性評價方法、探尋合適的水損害評價指標(biāo)[6]、完善路面結(jié)構(gòu)設(shè)計[7-8]、優(yōu)化排水系統(tǒng)[9]等.但是由于水損壞的發(fā)生，通常使瀝青路面材料本身的物理和化學(xué)發(fā)生機制與服役環(huán)境變化、車輛動荷載的力學(xué)效應(yīng)息息相關(guān)，較為復(fù)雜.加之，在瀝青混合料水損壞發(fā)生階段，車輪載荷對路面的破壞由于溫度的變化和水的存在變得更加復(fù)雜，這也使了解水損壞發(fā)生機理變得更加困難[10].

因此，本文通過開展凍融循環(huán)-動水沖刷作用對間斷級配瀝青混合料特性參數(shù)影響研究，分析瀝青混合料在凍融循環(huán)-動水沖刷綜合作用下的路用性能參數(shù)衰變規(guī)律，為探尋瀝青路面水損害影響因素與揭示瀝青路面水損害機理提供理論支撐.

1 試驗原材料與方法

1.1 瀝青

本研究中，采用的基質(zhì)瀝青為鎮(zhèn)海90號A級道路石油瀝青.根據(jù)現(xiàn)行公路工程瀝青及瀝青混合料材料試驗規(guī)程，對基質(zhì)瀝青各項性能技術(shù)指標(biāo)進行測試，結(jié)果見表1.基質(zhì)瀝青各項性能技術(shù)指標(biāo)滿足甘肅省《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(DB62/T 3136—2017)要求.并根據(jù)規(guī)范規(guī)定對所用瀝青進行了傅里葉變換紅外光譜測試，結(jié)果見圖1，圖1中標(biāo)準(zhǔn)譜為鎮(zhèn)海90號瀝青的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，測試譜圖通過與鎮(zhèn)海90號瀝青標(biāo)準(zhǔn)譜圖對比可知滿足要求.

圖1 鎮(zhèn)海90號瀝青FTIR測試結(jié)果Fig.1 Test results of Zhenhai 90 asphalt FTIR

1.2 礦料與填料及配合比設(shè)計

研究所用粗集料、細集料和礦粉均來源于蘭州市西果園料場，根據(jù)甘肅省《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(DB62/T 3136—2017)要求，對集料和礦粉進行技術(shù)指標(biāo)測試，其結(jié)果詳見表2.

對于間斷級配類型瀝青混合料，為了有效地提高瀝青混合料的抗剝落性能和粘附性，在混合料拌合時，會加入纖維，在本研究中使用的纖維為聚丙烯纖維，其測試指標(biāo)為：

1) 該聚丙烯纖維呈白色單絲束狀；2) 纖維長度為15 mm；3) 纖維的密度為0.910 g/cm3；4) pH值為0.88；5) 含水率為0.21%.纖維各項指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范要求.

采用馬歇爾擊實法對間斷級配類型SMA-13瀝青混合料進行設(shè)計，其配合比合成曲線見圖2，通過馬歇爾試件體積指標(biāo)參數(shù)計算得SMA-13瀝青混合料最佳瀝青用量為5.7%.

圖2 SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計曲線Fig.2 Mix ratio design curve of SMA-13 asphalt

1.3 試件制備與試驗測試

根據(jù)集料篩分析與合成級配曲線情況，成型間斷級配SMA-13瀝青混合料試件，試件直徑為(101.6±0.25)mm、高度為(63.5±1.3)mm.對不同循環(huán)次數(shù)的凍融循環(huán)-動水沖刷后的馬歇爾試件進行體積特征參數(shù)測試分析.根據(jù)表干法對瀝青混合料的體積指標(biāo)進行測試，其中包括毛體積密度、吸水率、表觀密度和孔隙率，并對不同循環(huán)次數(shù)后的瀝青混合料開展劈裂試驗，分析其凍融劈裂強度.

此外，為了進一步表征凍融循環(huán)-動水沖刷后瀝青混合料內(nèi)部的劣化情況，本文對不同循環(huán)次數(shù)后的瀝青混合料開展了CT切片掃描試驗.

1.4 動水沖刷模擬試驗裝置與循環(huán)過程

自主研發(fā)的動水沖刷模擬試驗裝置見圖3[11].通過本裝置可以模擬瀝青混合料的動水壓力作用.本研究中對馬歇爾試件開展的凍融循環(huán)-動水沖刷過程為：

(1) 采用擊實法成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，并測試瀝青混合料馬歇爾試件的原始體積參數(shù)和物理指標(biāo)；

(2) 將試件裝入自主研發(fā)的動水沖刷模擬試驗裝置中，組裝好加壓夾具，并對裝置進行密封性檢驗；

(3) 對水箱進行水浴升溫，待溫度滿足要求后，打開底部的注水閥門對試件進行注水，在注水過程中，檢測進水速率和進水量，待注水量達到所計算的單個試件動水沖刷所需水量時，關(guān)閉進水閥門，完成注水.

(4) 通過自主研發(fā)裝置的控制系統(tǒng)完成動水沖刷的壓力模擬循環(huán)次數(shù)、正壓加壓時間、抽真空、間隔時間和循環(huán)時間的設(shè)定與運行.

(5) 根據(jù)西北地區(qū)季節(jié)性凍土區(qū)的氣象資料，以蘭州市為例，確定凍融試驗的基本參數(shù)，采用循環(huán)冷浴控制瀝青混合料的凍融，凍結(jié)速率采用0.4 ℃/h，從常溫(20±1 ℃)逐漸冷卻至-10 ℃，保持 6 h，再放至常溫至少12 h，為一次凍融循環(huán).

(6) 確定由于荷載引起的動水壓力的變化范圍，在每單次凍融循環(huán)結(jié)束后將試件放入模擬荷載的動水沖刷作用的設(shè)備中實施正負壓各加載100次.

圖3 自主研發(fā)的動水沖刷模擬試驗裝置Fig.3 Self-developed dynamic water scouring simulation test device

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 表觀密度和毛體積密度

凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)下，表觀密度和毛體積密度是瀝青混合料的物理性能指標(biāo)，分析其變化對瀝青混合料力學(xué)指標(biāo)的評價具有重要意義.通過試驗測試和計算，可得SMA-13瀝青混合料表觀密度和毛體積密度隨凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化如圖4所示.

圖4 表觀密度和毛體積密度隨凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化

從圖4可以看出，隨著凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)地不斷增加，瀝青混合料表觀密度則上升的趨勢，而毛體積密度則逐漸下降.試件經(jīng)過12次循環(huán)后，其表觀密度增大2.097%，毛體積密度減小0.358%.其中，在2次循環(huán)后，其表觀密度增大1.192%，占12次循環(huán)的56.84%，表明試件在前期循環(huán)過程中，吸水相對較快.從數(shù)值擬合曲線可以看出，瀝青混合料表觀密度和毛體積密度數(shù)值變化率都呈現(xiàn)出一致減小的趨勢，即曲線的斜率變的越來越小，表明瀝青混合料試件在經(jīng)過多次凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)后，單次循環(huán)對試件的破壞越來越小，但試件的累計損傷隨循環(huán)次數(shù)的增大而增大.

2.2 吸水率與吸水率相對變化率

瀝青混合料吸水率是評價其開口孔隙的體積占比指標(biāo)，在經(jīng)過凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)后，瀝青混合料內(nèi)部水既為動力水的來源，又提供凍脹過程中的凍脹力，而吸水率對于動水壓力及動水沖刷作用的啟動具有密不可分的關(guān)系，故對吸水率與吸水率相對變化率的分析，有利于深入開展凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)作用對瀝青混合料的特性參數(shù)影響分析.通過試驗測試和計算，可得SMA-13瀝青混合料吸水率隨凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化如圖5所示，為了分析吸水率的相對變化率，定義采用式(1)對其進行分析，吸水率相對變化率變化情況如圖5所示.

(1)

圖5 吸水率與吸水率相對變化率隨凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化

式中：Δω為吸水率的相對變化率，%；ω0為凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)0次的吸水率，%；ωn為凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)n次的吸水率，%.

從圖5可以看出，隨著凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的吸水率也在不斷增大.當(dāng)循環(huán)次數(shù)為0次時，試件的吸水率為1.22%；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為12時，試件的吸水率為3.62%，試件的吸水率在經(jīng)過多次循環(huán)后增大了2.40%.凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)作用下，瀝青混合料試件吸水率相對變化隨循環(huán)次數(shù)的增大呈現(xiàn)出指數(shù)變化關(guān)系，且吸水率相對變化率增長速度越來越慢，表明瀝青混合料在經(jīng)過凍融循環(huán)-動水沖刷后，如果沒有外加壓力的作用，水分只能進入瀝青混合料較大的空隙中；在外加動力水壓作用下，瀝青混合料內(nèi)部吸水量會逐漸增加至飽水狀態(tài)；瀝青混合料的飽水過程在初期會加速，且大量的水會進入瀝青混合料的內(nèi)部，并留存在試件的微孔隙中，然而這部分水不會隨試件的凍融循環(huán)而排出，并最終滯留在瀝青混合料試件中.

2.3 空隙率與空隙率相對變化率

空隙率是影響瀝青混合料路用性能的物理指標(biāo)之一，與瀝青路面的抗水損害、抗老化和耐久性密切相關(guān).研究表明，當(dāng)瀝青混合料的空隙率處于8%～12%時，瀝青路面的滲透性會急劇增大，其動水沖刷對瀝青混合料的侵蝕作用會更加明顯[12].故開展凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)作用下，瀝青混合料空隙率變化對分析瀝青路面抗水損害性能具有重要意義.通過試驗測試和計算，可得SMA-13瀝青混合料空隙率隨凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化如圖6所示，為了分析空隙率的相對變化率，定義采用式(2)對其進行分析，空隙率相對變化率變化情況如圖6所示.

(2)

式中：ΔVV為空隙率的相對變化率，%；VV0為凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)0次的空隙率，%；VVn為凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)n次的空隙率，%.

從圖6可以看出，隨著凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的空隙率也在不斷增大.當(dāng)循環(huán)次數(shù)為0次時，試件的空隙率為6.373%；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為12時，試件的空隙率為6.711%，試件的空隙率在經(jīng)過多次循環(huán)后增大了0.338%.然而，同樣在前期循環(huán)，空隙率變化相對較快.凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)作用下，空隙率表現(xiàn)出了與吸水率一致的變化情況.根據(jù)動水沖刷對材料的侵蝕作用機理[13]，瀝青混合料在動水壓力作用下，水的正向被壓入和負向泵吸作用對水在瀝青混合料微開口中的匯集填充具有明顯的作用.凍融循環(huán)作用促使瀝青混合料試件內(nèi)部的溫度持續(xù)下降，當(dāng)溫度下降到一定階段，微開口中匯集水會由液態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為固態(tài)，其體積開始膨脹，使瀝青混合料的空隙壁在凍脹拉力的作用下產(chǎn)生微裂縫，并隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，微裂縫逐漸擴大形成空隙，從而增大了瀝青混合料的空隙率.隨著動水沖刷次數(shù)地不斷增大，在瀝青混合料內(nèi)部新產(chǎn)生的空隙在動水沖刷作用下逐漸被侵蝕擴大，相互連通，加上溫度降低的作用，孔隙內(nèi)的自由水開始自由流動，凍脹力逐漸消散，使空隙的相對增量逐漸降低.因此，隨著凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)地不斷作用，凍脹力作用下瀝青混合料內(nèi)部更多的微開口空隙發(fā)展為開口孔隙，瀝青混合料內(nèi)部的空隙相對變化率再一次增大，并逐漸擴展連通，形成了一種波動的循環(huán)增加趨勢[14].

圖6 空隙率與空隙率相對變化率隨凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化Fig.6 Relative change rate of void fraction and void ratio with the number of freeze-thaw cycles-dynamic water scouring cycles

2.4 劈裂強度與凍融循環(huán)-動水沖刷損傷率

隨著凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)過程的持續(xù)作用，瀝青混合料內(nèi)部水分凍脹力不斷增大，使瀝青薄膜開始剝離并產(chǎn)生裂縫，在混合料內(nèi)部形成新的空隙，對瀝青混合料低溫抗裂性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響.因此，對凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)后瀝青混合料劈裂強度的分析可以間接評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性.通過試驗測試和計算，循環(huán)0次、3次、6次、9次和12次后，SMA-13瀝青混合料劈裂強度隨凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化如圖7a所示.

圖7 劈裂強度與凍融循環(huán)-動水沖刷損傷率隨凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的變化Fig.7 Splitting strength and freeze-thaw cycling - dynamic water scour damage rate with the number of freeze-thaw cycles-dynamic water scouring cycles

從圖7a可以看出，隨著凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料的劈裂強度不斷減小.經(jīng)12次循環(huán)后，試件的劈裂強度降幅高達65.44%.為了深入分析凍融循環(huán)-動水沖刷下瀝青混合料力學(xué)強度的變化，根據(jù)損傷力學(xué)原理[13]，提出瀝青混合料凍融循環(huán)-動水沖刷損傷率的概念，定義瀝青混合料凍融循環(huán)-動水沖刷損傷率為DF，見式(3)，凍融循環(huán)-動水沖刷損傷率變化如圖7b所示.

(3)

式中:DF為凍融循環(huán)-動水沖刷損傷率，%；F0為凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)0次的劈裂強度，MPa；Fn為凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)n次的劈裂強度，MPa.

從圖7b可以看出，隨著凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)次數(shù)的增加，瀝青混合料初期損傷速度較快，后期相對較慢.分析其原因：在凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)初期，瀝青混合料內(nèi)部的侵入加速，當(dāng)內(nèi)部水飽和后，瀝青混合料內(nèi)部水分不斷積聚并對瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)持續(xù)侵蝕，進而產(chǎn)生凍脹作用，逐漸使瀝青混合料發(fā)生凍脹破壞，其凍脹破壞速率相比水分侵入速度要慢.此宏觀力學(xué)指標(biāo)與前述物理指標(biāo)和路用性能指標(biāo)分析所得結(jié)果一致.

2.5 內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)變化

結(jié)合上述瀝青混合料特性參數(shù)的影響分析，為了從微觀形態(tài)對凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)下瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化進行分析，對0次、6次和12次循環(huán)后的瀝青混合料試件進行CT切片掃描.CT切片為距離試件下表面3 cm處的徑向切面,結(jié)果如圖8所示.

圖8 CT切片掃描圖Fig.8 CT slice scans

從圖8可以看出，瀝青混合料試件在經(jīng)過多次凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)后，其內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)和空隙分布發(fā)生了明顯變化.隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件外部水侵入，內(nèi)部水使瀝青薄膜開始剝離并產(chǎn)生裂縫，在混合料內(nèi)部形成新的空隙；空隙體積隨著循環(huán)次數(shù)的不斷增大而增大.同時可以發(fā)現(xiàn)，在試件的外側(cè)，空隙結(jié)構(gòu)的變化和瀝青薄膜剝離表現(xiàn)也比較突出.綜合前述分析，凍融循環(huán)-動水沖刷不僅對間斷級配瀝青混合料物理特性指標(biāo)產(chǎn)生較大影響，還對其力學(xué)性能指標(biāo)和路用性能指標(biāo)有較大影響，使瀝青混合料抗水穩(wěn)定性減小.

3 結(jié)論

1) 瀝青混合料經(jīng)多次凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)后，單次循環(huán)對其破壞越來越小，但累計損傷隨循環(huán)次數(shù)的增大而增大.

2) 在外加動力水壓作用下，瀝青混合料內(nèi)部吸水量會逐漸增加至飽水狀態(tài)，內(nèi)部更多的微開口空隙發(fā)展為開口孔隙.

3) 瀝青混合料經(jīng)多次凍融循環(huán)-動水沖刷循環(huán)后，其內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)與形態(tài)會發(fā)生變化，最終使試件產(chǎn)生凍脹作用.

4) 凍融循環(huán)-動水沖刷不僅對間斷級配瀝青混合料物理特性指標(biāo)產(chǎn)生較大影響，還對其力學(xué)性能指標(biāo)和路用性能指標(biāo)影響較大，使瀝青混合料抗水穩(wěn)定性減小.

致謝：本文得到蘭州理工大學(xué)紅柳優(yōu)秀青年人才計劃項目(04-062005)的資助，在此表示感謝.