徐 淵 高俊啟 魯洪強(qiáng) 王召強(qiáng)

(南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院1) 南京 210016) (青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司2) 青島 266101)

長期浸水作用對(duì)瀝青混合料粘聚性的影響研究*

徐 淵1)高俊啟1)魯洪強(qiáng)2)王召強(qiáng)2)

(南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院1)南京 210016) (青島市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司2)青島 266101)

將現(xiàn)場取芯的上、中、下面層的瀝青混合料試件分組并長期放置于水中，每隔3個(gè)月測定試件的質(zhì)量吸水率，采用劈裂試驗(yàn)及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)測定試件的劈裂抗拉強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角，運(yùn)用2種擬合方法對(duì)瀝青混合料試件粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角變化趨勢進(jìn)行擬合.結(jié)果表明,瀝青混合料試件初期階段吸水率迅速增加，后期水分進(jìn)入微空隙，吸水率增加緩慢；試件劈裂抗拉強(qiáng)度隨浸水時(shí)間的增加而減??；長期水作用下瀝青膜與集料之間粘附性下降，粘聚力隨浸水時(shí)間增加大致呈線性變化，內(nèi)摩擦角隨浸水時(shí)間變化大致呈2次拋物線變化.

瀝青混合料；水損壞；粘聚力；內(nèi)摩擦角

0 引 言

瀝青路面由于具有表面平整、行車舒適、噪聲低、養(yǎng)護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于大部分高等級(jí)路面.水損害是瀝青路面主要的早期破壞形式之一，水損害一般會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)性破壞和耐久性降低，并可誘發(fā)其他道路病害，如坑槽、剝落等，從而影響道路的使用壽命.

早期破壞是在未達(dá)到使用壽命之前發(fā)生的非極限損壞[1].造成瀝青路面早期破壞的原因，除了環(huán)境因素和交通荷載的作用以外，水損害是最主要的原因之一.首先自由水侵入瀝青使瀝青粘附性減小，從而導(dǎo)致瀝青混合料的強(qiáng)度及勁度降低；其次是水進(jìn)入瀝青薄膜和集料表面之間，與具有天然親水性的集料充分作用后代替原來裹覆在集料表面的瀝青膜，使得瀝青與集料表面的接觸面減小，使瀝青從集料表面剝落.諸多研究人員都認(rèn)識(shí)到瀝青路面水損壞的出現(xiàn)是由于瀝青混合料本身水穩(wěn)定性不足所導(dǎo)致的，并采用了多種方法來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，主要有浸水馬歇爾試驗(yàn)、Lottman法、AASHTO的凍融劈裂試驗(yàn)[2]、改進(jìn)Lottman試驗(yàn)、Texas凍融基座試驗(yàn).程英偉等[3]提到2種評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法：(1)評(píng)價(jià)瀝青與礦料間的粘附性；(2)評(píng)價(jià)瀝青混合料試件的水穩(wěn)定性.楊瑞華等[4]分析比較了浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、瀝青路面分析儀浸水車轍試驗(yàn)和朱麗葉試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)條件.Mitchell等[5]提到Lottman法相比浸水馬歇爾試驗(yàn)?zāi)芨玫脑u(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性.何中楠[6]考慮到南方雨季持續(xù)時(shí)間大約2個(gè)月，將成型試件放置于室溫下25 ℃浸水60 d，定期觀測試件的質(zhì)量吸水率.郭學(xué)東等[7]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)自由水滯留在試件內(nèi)部達(dá)一周，且當(dāng)殘留水為50%時(shí)，試件水穩(wěn)定性最差.Apeagyei等[8]研究了浸水70 d瀝青混合料的耐久性，并發(fā)現(xiàn)水分對(duì)瀝青混合料的剛度影響是一個(gè)可逆過程.這些試驗(yàn)方法具有嚴(yán)格的溫度和環(huán)境條件，但大多試驗(yàn)時(shí)間短，沒有研究長期浸水作用下水對(duì)瀝青混合料粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ的影響.因此文中首先將試件進(jìn)行真空飽水，進(jìn)而通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)，計(jì)算瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度、粘聚力及內(nèi)摩擦角，研究長期浸水作用對(duì)瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)方法及原理

1.1 試驗(yàn)方案

瀝青混合料試件為江蘇一高速公路取芯芯樣.面層結(jié)構(gòu)為上面層SMA-13、中面層Sup-20和下面層Sup-25.上面層集料為玄武巖，中下面層集料為安徽茅迪生產(chǎn)的石灰?guī)r.現(xiàn)場3種混合料試件按照浸水時(shí)間為0，3，6，9，12個(gè)月，均分成5組，每組試件每個(gè)面層各6個(gè)試件，其中后4組試件長期置于水中，每隔3個(gè)月測定每組試件的質(zhì)量吸水率.上面層試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn)，中面層試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，下面層試件進(jìn)行劈裂、抗壓試驗(yàn).達(dá)到規(guī)定的浸水時(shí)間后，下面層試件放入60 ℃恒溫水槽中浸泡90 min后，立即取出并放置在加載速率為50 mm/min的馬歇爾試驗(yàn)儀下測定其劈裂抗拉強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.試件編號(hào)及瀝青混合料壓實(shí)度結(jié)果見表1～2.下面層Sup-25生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)級(jí)配見表3.通過測定試件的劈裂抗拉強(qiáng)度與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，計(jì)算試件的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，研究長期浸水作用下對(duì)瀝青混合料試件粘結(jié)力及內(nèi)摩擦角的變化.

表1 試驗(yàn)類型及試件編號(hào)

表2 瀝青混合料壓實(shí)度結(jié)果

1.2 劈裂試驗(yàn)

劈裂試驗(yàn)，也稱間接拉伸試驗(yàn)，是通過圓弧形加載壓條，按一定的加載速率對(duì)規(guī)定尺寸的圓柱形試件施加荷載，使用位移傳感器或百分表測定試件變形，從而得到材料的強(qiáng)度和變形等力學(xué)參數(shù)的試驗(yàn)方法.文中將已分組的上面層試件放入恒溫水槽保溫不少于1.5 h，然后取出試件，置于馬歇爾穩(wěn)定度儀基座上的夾具中安放穩(wěn)定，其上下均放有圓弧形壓條，與側(cè)面的十字畫線對(duì)準(zhǔn)，加載速率為50 mm/min，試驗(yàn)溫度為15 ℃.待試件破壞時(shí)停止加載，記錄荷載、垂直變形.通過測定劈裂抗拉強(qiáng)度評(píng)價(jià)混合料試件的低溫抗裂性能.

表3 Sup-25礦料級(jí)配設(shè)計(jì)組成

1.3 粘聚力內(nèi)摩擦角計(jì)算原理

根據(jù)60 ℃劈裂試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)計(jì)算粘結(jié)力c、內(nèi)摩擦角φ的原理見圖1.

圖1 c，φ計(jì)算原理

利用劈裂試驗(yàn)可以有效地反映出瀝青混合料內(nèi)部的界面粘結(jié)狀態(tài)[9].劈裂強(qiáng)度主要由2部分構(gòu)成：礦料間的摩阻力和瀝青混合料的粘聚力，在高溫和水的反復(fù)作用下瀝青本身的粘結(jié)性能也會(huì)相應(yīng)的下降[10].劈裂試驗(yàn)中，由于外加荷載的作用，在試件的中心將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向最大應(yīng)力，為拉伸強(qiáng)度St.由彈性理論可知，橫向拉應(yīng)力σx和豎向壓應(yīng)力σy在試件的中間均達(dá)到最大值.σx和σy計(jì)算如下.

(1)

(2)

式中：P為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；h為試件的厚度，mm.

通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，計(jì)算出試件的抗壓強(qiáng)度σc.

(3)

式中：d為試件直徑，mm.

獲得間接拉伸強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度后，c，φ值可按下列公式計(jì)算.

(4)

(5)

φ=arcsin α1

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 飽水率

瀝青混合料的水損壞主要是自由水侵入導(dǎo)致混合料中集料之間粘附性降低，從而影響瀝青混合料的強(qiáng)度.因此首先需要對(duì)瀝青混合料的飽水特性進(jìn)行研究.試驗(yàn)測定各個(gè)面層混合料試件隨浸水時(shí)間變化的質(zhì)量吸水率.通過改變混合料的浸水時(shí)間，定期對(duì)試件進(jìn)行測定.將測定完空隙特征后的浸水時(shí)間設(shè)置為0 d，其余每個(gè)面層4組試件分別在浸泡3，6，9，12個(gè)月后測定其質(zhì)量吸水率.其飽水率特征曲線見圖2.

圖2 瀝青混合料試件飽水率曲線

由圖2可知，在前3個(gè)月，上面層試件吸水率從0.65%增加到1.29%，中面層試件吸水率從0.95%增加到1.49%，下面層試件吸水率從1.17%到1.28%，而從浸泡6，9，12個(gè)月的質(zhì)量吸水率來看，吸水率增加較緩慢，逐漸趨于平衡.

瀝青混合料是一種具有空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多相體系，從宏觀上看，它是集料、瀝青、空氣組成的三相體系，其內(nèi)部充滿較多空隙，且空隙隨機(jī)分布，有大有小，既有連通空隙，也有閉塞空隙.因此從圖2的飽水率曲線看，前期質(zhì)量吸水率迅速增加是因?yàn)榇罅孔杂伤畛溥B通空隙，而后期由于自由水進(jìn)入閉塞空隙是一個(gè)漫長的過程，而且混合料內(nèi)外產(chǎn)生濃度差，有一部分自由水向外擴(kuò)散，導(dǎo)致增長較緩慢，另外由于長期浸水，連通空隙與閉塞空隙基本達(dá)到飽水狀態(tài)，試件能夠再吸收水分的能力降低，因此浸泡時(shí)間為6，9，12個(gè)月的試件質(zhì)量吸水率增長幅度不大.

2.2 劈裂試驗(yàn)

劈裂試驗(yàn)是進(jìn)行混合料設(shè)計(jì)和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的內(nèi)容之一，也是研究瀝青混合料破損機(jī)理的重要手段之一，因此有必要對(duì)上面層試件進(jìn)行劈裂試驗(yàn).各組不同浸水時(shí)間試件的劈裂抗拉強(qiáng)度值變化見圖3.

圖3 瀝青混合料試件劈裂抗拉強(qiáng)度變化曲線

由圖3可知，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度隨浸水時(shí)間的增加而不斷減小，尤其在前3個(gè)月強(qiáng)度下降幅度較大，劈裂強(qiáng)度從1.28 MPa下降到0.99 MPa，這說明水的存在對(duì)瀝青混合料力學(xué)性能影響是比較大的.這可能在于，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度由集料間的嵌擠力與內(nèi)摩阻力、瀝青與集料交互作用的粘聚力組成.自由水進(jìn)入到試件內(nèi)部不斷擴(kuò)散，滲透到達(dá)瀝青薄膜與集料的界面，降低了薄膜與集料之間的接觸面，且浸水時(shí)間越長，試件受到水損害越嚴(yán)重，導(dǎo)致瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度值減小.

2.3 粘結(jié)力及內(nèi)摩擦角

粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ是材料抗剪強(qiáng)度的重要參數(shù)，根據(jù)莫爾-庫侖破壞理論分析，材料的剪切強(qiáng)度是由粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角組成，粘結(jié)力c表征瀝青混合料粘結(jié)集料顆粒的強(qiáng)弱，內(nèi)摩擦角φ表征礦料之間內(nèi)摩阻力的大小，大量實(shí)際工程表明，內(nèi)摩擦角偏大不容易產(chǎn)生車轍.材料在受到簡單剪切破壞時(shí)受到的最大切應(yīng)力為

τmax=c+σN×tan φ

(7)

式中：σN為垂直破壞面的應(yīng)力，MPa.

試驗(yàn)將下面層試件分別進(jìn)行劈裂試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，通過計(jì)算所得的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角變化見圖4～5.由圖4～5可知，粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角隨浸水時(shí)間的增加而不斷減小，粘結(jié)力從剛開始的0.35 MPa減小到浸水時(shí)間長達(dá)12個(gè)月的0.27 MPa，內(nèi)摩擦角從剛開始的54.32°減小到最后的44.04°，而且浸泡時(shí)間從6到9個(gè)月之間內(nèi)摩擦角顯著降低.由此說明浸水時(shí)間的長短對(duì)粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角都有一定的影響.自由水在侵入過程中透過瀝青薄膜，滯留在瀝青混合料空隙中的自由水不斷侵入內(nèi)部，使得瀝青和集料之間的粘附性減小，由于集料表面對(duì)水分相比瀝青更具吸附力，從而使瀝青和集料表面的接觸面減小，瀝青從表面剝落，降低瀝青混合料試件的力學(xué)性能.文中通過2種擬合方法對(duì)粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角大小隨浸水時(shí)間變化的趨勢進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)粘結(jié)力線性擬合的擬合指數(shù)為0.934，多項(xiàng)式擬合的擬合指數(shù)為0.926，這說明粘結(jié)力隨浸水時(shí)間增加大致呈線性變化，浸水時(shí)間越長，瀝青混合料粘結(jié)力越??；而內(nèi)摩擦角多項(xiàng)式擬合的擬合指數(shù)為0.898，線性擬合指數(shù)為0.872，說明內(nèi)摩擦角隨浸水時(shí)間的增加大致呈二次拋物線變化，不同于粘結(jié)力變化趨勢.

圖4 瀝青混合料試件粘結(jié)力變化曲線

圖5 瀝青混合料試件內(nèi)摩擦角變化曲線

3 結(jié) 論

1) 瀝青混合料的飽水特征曲線表明在浸水初期階段自由水通過連通空隙進(jìn)入試件內(nèi)部，并不斷擴(kuò)散，不同面層的試件質(zhì)量吸水率迅速增加，而在浸水后期，連通空隙中幾乎飽水，水分開始進(jìn)入試件內(nèi)部的微空隙，但過程較漫長，試件吸水率增加緩慢，增幅不大.

2) 劈裂抗拉強(qiáng)度隨浸水時(shí)間的增加而不斷減小，浸水時(shí)間越長，試件水損害越嚴(yán)重；瀝青混合料試件隨浸水時(shí)間變化引起試件的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角下降，表明滯留在試件內(nèi)部空隙的自由水不斷滲透到達(dá)瀝青薄膜與集料的界面，集料更易與水相結(jié)合，導(dǎo)致瀝青與集料粘附性降低，瀝青薄膜與集料表面接觸角減小，粘結(jié)力與內(nèi)摩擦角下降.

3) 運(yùn)用2種擬合方法對(duì)粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角變化趨勢進(jìn)行擬合，粘結(jié)力隨浸水時(shí)間增加大致呈線性變化，而內(nèi)摩擦角變化趨勢大致呈二次拋物線變化.

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Research on Influence of Long Term Immersion to Cohesiveness of Asphalt Mixture

XU Yuan1)GAO Junqi1)LU Hongqiang2)WANG Zhaoqiang2)

(DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China)1)(QingdaoMunicipalEngineeringResearchInstituteCO.,LTD.,Qingdao266101,China)2)

The drilling core asphalt mixtures of the upper, middle and lower layers are grouped and placed in water for long time and the water absorption rate of the specimen is tested every three months. Split test and unconfined compression strength test are used to measure the splitting tensile strength, the cohesion and internal friction angle. Two fitting methods are used to fit the trend of the change of cohesion and internal friction angle. The test results show that the water absorption rate of the asphalt mixtures is increased rapidly at early stage. Moisture enters the micropores, resulting in that the water absorption rate of the asphalt mixtures increase slowly at the later stage. The splitting tensile strength of the asphalt mixture is decreased with the increase of immersion time. Under long-term immersion, the adhesion between asphalt membrane and aggregate is decreased. As the increase of immersion time, the trend of the change of cohesion is approximately a linear change and the trend of the change of internal friction angle is generally a parabolic variation.

asphalt mixtures; water damage; cohesion; internal friction angle

2016-09-26

*中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M541666)、江蘇省博士后科研資助計(jì)劃項(xiàng)目(1302138C)資助

U416.217

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.005

徐淵(1991—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)槁访婀こ?/p>