徐俊鵬,鄭傳峰,包崇昊,宋振豐,羅海松

(1. 吉林大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)院,吉林 長春 130012; 2. 吉林大學(xué) 交通學(xué)院,吉林 長春 130025)

0 引 言

大空隙瀝青混合料因其良好的排水、抗滑和降噪等優(yōu)點,已成為我國多功能路面以及“海綿型城市”建設(shè)的關(guān)注熱點[1]。當(dāng)該路面在我國寒區(qū)應(yīng)用時,除考慮常規(guī)車輪行駛引起的動水沖刷和顆粒堵塞等損傷影響外[2-5],冬季極端的冰晶體凍脹損傷也是大空隙瀝青混合料路用性研究須考慮的因素。

車輪碾壓以及融雪劑的大量使用,會使冬季北方路面長期處于高含水狀態(tài),隨著自由水的不斷擴(kuò)散浸入,瀝青混合料的孔隙內(nèi)部逐漸被水充滿,在車輛荷載的泵送作用下形成動水壓力,對黏結(jié)層產(chǎn)生沖刷侵蝕,破壞瀝青混合料的整體穩(wěn)定性。杜生翔[6]曾通過動水沖刷試驗對OGFC-13損傷規(guī)律進(jìn)行了研究,結(jié)果表明動水沖刷會降低瀝青混合料的水穩(wěn)定性,試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比均隨動水壓力和作用時間的增大而減小;XU Huining 等[7-8]利用X射線量化了動水作用前后的空隙分布規(guī)律,闡述了空隙特征與路面滲透性之間的內(nèi)在聯(lián)系,發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會加劇水分進(jìn)入基體內(nèi)部,使沖刷作用更加明顯。徐洪躍[9]通過宏觀試驗對比分析了PAC-10和PAC-13透水瀝青混合料的低溫性能和水穩(wěn)定性等路用性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著粗集料的增多,同種透水瀝青混合料的水穩(wěn)定性和低溫性能降低。

在車輪的擾動與強大的動態(tài)水壓沖刷下,特殊的空隙結(jié)構(gòu)和較大的空隙數(shù)量,會使大空隙瀝青混合料的堵塞損傷遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)密級配瀝青混合料路面。D.M.WILLIAM等[10]以級配砂為堵塞材料,利用變水頭裝置對10種不同類型的OGFC的堵塞特性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)級配與多孔路面的宏觀構(gòu)造深度和堵塞前后的滲透性密切相關(guān);趙曉亮等[11]在OGFC型瀝青混合料的堵塞研究中指出0.3～0.6 mm的顆粒對滲流影響最大,小于0.3 mm的顆粒容易通過連通空隙自由流出,不會造成大范圍連通空隙的堵塞。

隨著白天自由水分的不斷滲流遷移,當(dāng)夜間基體溫度下降至凍結(jié)溫度以下時,混合料內(nèi)部的水分就會凍結(jié)成冰,體積增大9%,產(chǎn)生推動周圍物體的凍脹力。該凍脹力會在水分的遷移與正負(fù)溫度的循環(huán)作用下反復(fù)作用,當(dāng)累積凍脹損傷超過瀝青混合料的自身抗力時,路面便會出現(xiàn)松散掉渣現(xiàn)象。很多學(xué)者也開始從內(nèi)部細(xì)觀結(jié)果上對冰晶體的凍脹損傷規(guī)律展開研究分析,WU Shuyin等[12]采用X射線和壓汞法研究了含鹽量、浸泡時間和凍融循環(huán)對空隙特征的影響,發(fā)現(xiàn)空隙率隨含鹽量、水浴時間和凍融次數(shù)的增加而增加;王文盛[13]和JI Jie等[14]利用X射線掃描技術(shù)對凍融循環(huán)前后的瀝青混合料進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)空隙率會隨凍融次數(shù)增加而增加,影響路面在整個服役過程中的受力特性。

綜上,既有研究多以常規(guī)服役環(huán)境為背景,對動水沖刷、顆粒堵塞以及凍脹等單一因素影響下的大空隙瀝青混合料損傷規(guī)律展開研究分析。對于寒區(qū)服役環(huán)境下的多因素完整性系統(tǒng)損傷規(guī)律研究還很少。因此,筆者以寒區(qū)路面實際服役環(huán)境為例,采用宏細(xì)觀相結(jié)合的方法對3種不同空隙率(20%、23%和25%)下的OGFC-13和OGFC-16進(jìn)行性能和細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)特性研究。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用瀝青結(jié)合料由90#基質(zhì)瀝青添加SBS改性而成,SBS摻量確為瀝青質(zhì)量的5%,改性瀝青指標(biāo)如表1。為提高瀝青膠漿與集料之間的界面黏附性,試驗采用S95級優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r礦粉作為填料。

表1 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

筆者通過前期基礎(chǔ)試驗得到了滿足要求的OGFC-13和OGFC-16最佳配比,并以13-I～16-III試驗編號來表示不同設(shè)計空隙率對應(yīng)的級配類型。具體配比見文獻(xiàn)[15]。

1.2 寒區(qū)宏觀損傷試驗?zāi)M

1.2.1 動水沖刷試驗

為使損傷結(jié)果更加貼近實際動態(tài)沖刷過程,以文獻(xiàn)[16]中的路面實測值為實驗室模擬器的設(shè)置參數(shù)。20、40、60、80 km/h的車速對應(yīng)的動水壓力分別為34、161、210、324 kPa。試驗溫度設(shè)置為60 ℃保持20 h,以模擬靜態(tài)水分對瀝青黏結(jié)面長期侵蝕乳化作用。采用試驗車速進(jìn)行0、900、1 800、2 700、3 600次的循環(huán)模擬。

1.2.2 顆粒堵塞試驗

為準(zhǔn)確模擬大空隙瀝青混合料在寒區(qū)服役環(huán)境下的空隙堵塞情況,以文獻(xiàn)[17]中長春市路面堵塞物數(shù)據(jù)進(jìn)行堵塞物級配設(shè)計,如圖1?？紤]到主干道路面堵塞物的覆蓋密度(110 g/m2)和該地區(qū)的年平均降水量,將堵塞材料與水按質(zhì)量比1∶1 000配制成渾濁液,實驗中滲流時長為10 min。設(shè)備采用15 cm常水頭滲水裝置。此外,為保證堵塞劑在試件內(nèi)豎直方向單向流通,利用橡膠套包裹試件側(cè)壁,并以輕質(zhì)黏土填充試件頂部、底部與透水儀管壁之間的縫隙。

圖1 堵塞物的級配曲線Fig. 1 Grading curve of blockage

1.2.3 低溫凍脹試驗

以長春冬季凍融時長為參考,進(jìn)行大空隙瀝青混合料凍融循環(huán)的試驗設(shè)計。單次凍融循環(huán)步驟為:①對制備好的試件進(jìn)行真空飽水處理;②16 h低溫-20 ℃的凍脹模擬;③8 h高溫60 ℃的融解模擬。試驗共進(jìn)行0、3、6、9、12、15、18、21次凍融循環(huán),循環(huán)完成后進(jìn)行強度試驗,取4個平行試驗的平均值。

1.3 細(xì)觀圖像的采集與處理

通過對CT掃描圖像的對比分析,掃描電壓為130 kV,電流為120 mA,掃描間距為0.6 mm?？紤]到圖像的總體數(shù)量和每幅圖片的特點,采用IPP圖像處理技術(shù)來對CT掃描圖像進(jìn)行降噪、增強和分割處理。首先,將圖像轉(zhuǎn)化為灰度值在0～255之間的8 bit灰度圖,用于區(qū)分混合料內(nèi)部骨料和空隙。再利用軟件提供的中值濾波法對圖像傳輸過程中的噪點進(jìn)行處理。最后,對圖像二值化處理,進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)的提取精度,降低計算量。

1.4 試驗數(shù)據(jù)的分析和處理

1.4.1 凍融損傷度

損傷度D是瀝青混合料損傷常用參數(shù),計算如式(1):

(1)

式中:E0為OGFC樣本試件試件凍融前劈裂強度;En為OGFC樣本試件n次凍融后劈裂強度。

D=0時,表示樣本試件完好無損,D=100時,表示試件完全喪失承載能力。

1.4.2 空隙率

空隙率作為大空隙路面研究、設(shè)計和施工時的必測項目,是混合料排水降噪能力和耐久性好壞等能力的定量評判標(biāo)準(zhǔn)。二維平面內(nèi)基體內(nèi)部空隙率計算如式(2):

(2)

式中:VV為每個橫切面的空隙率;∑Si為橫切面內(nèi)所有空隙面積的總和;S為橫切面面積。

1.4.3 空隙直徑

空隙直徑是空隙定量分析中代表材料內(nèi)部空隙的名義直徑。通過修正將復(fù)雜的空隙形態(tài)轉(zhuǎn)化為橫截面為圓形的當(dāng)量圓,用等效直徑來區(qū)分截面上的空隙大小,計算如式(3):

(3)

式中:Di為修正后的等效直徑;Si為單個空隙面積。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 宏觀特性分析

2.1.1 初始狀態(tài)下的低溫性能

低溫抗裂性和耐久性往往是寒區(qū)瀝青混合料路面設(shè)計時的重點。兩類大空隙瀝青混合料初始狀態(tài)時的低溫(-10 ℃)性能如表2。

表2 大空隙瀝青混合料初始狀態(tài)下的宏觀力學(xué)性能

由表2可知,OGFC混合料的E0、En、D均隨空隙率的增加明顯下降。此外,隨著設(shè)計空隙率的增大,OGFC-13和OGFC-16混合料的最終破壞應(yīng)變和勁度模量均呈降低趨勢。在設(shè)計空隙率相同的情況下,OGFC-16的彎曲勁度模量要略小于OGFC-13,對應(yīng)破壞應(yīng)變的排序則正好相反。這是因為大粒徑粗集料含量增大,骨料比表面積減小,起膠凝作用的瀝青用量也相應(yīng)減小,導(dǎo)致其低溫彎曲變形能力出現(xiàn)差異。

2.1.2 動水沖刷試驗

動水沖刷后的劈裂強度變化如圖2,滲透系數(shù)如圖3。

圖2 沖刷后的劈裂強度變化Fig. 2 Changes in splitting strength after erosion

圖3 沖刷之后的滲透系數(shù)Fig. 3 Permeability coefficient after erosion

從圖2來看,隨著動態(tài)水壓沖刷次數(shù)的增加,OGFC-13和OGFC-16劈裂強度均呈一定的下降趨勢。其中,13-II和16-II的降幅最小,13-I和16-I次之,13-III和16-III的降幅最大?？梢钥闯鱿噍^于沖刷帶來的影響,空隙率的大小、骨料級配以及膠凝材料用量等因素仍是影響大空隙瀝青混合料強度的主要因素。以損傷程度最為明顯的80 km/h車速為例進(jìn)行說明,與初始強度相比,經(jīng)過3 600次沖刷后,13-III和16-III兩組試件的強度降幅分別達(dá)到了30%和40%。因此,大空隙瀝青混合料雖然具備很好的排水能力,但強烈的動態(tài)水壓沖刷會使骨料表面的瀝青膜剝落,降低混合料在低溫環(huán)境下的劈裂強度。

從圖3來看,在車速和沖刷次數(shù)雙重因素的作用下,試件的滲透系數(shù)均隨空隙率的增加而增加。其中,13-III和16-III滲透系數(shù)的最大值有向小沖刷次數(shù)方向移動的趨勢。這是因為大空隙率試件的油石比較小,長期的沖刷使細(xì)集料或瀝青剝落堵塞空隙造成的。從級配組成來看,OGFC-13的滲透系數(shù)要略小于OGFC-16。說明在空隙含量相同的情況下,大粒徑骨料咬合形成的空隙結(jié)構(gòu)更有利于水分的自由通過。

2.1.3 顆粒堵塞試驗

經(jīng)顆粒堵塞試驗后,混合料的滲透系數(shù)如圖4,空隙率與劈裂強度變化規(guī)律如圖5。

圖4 瀝青混合料的滲透系數(shù)Fig. 4 Permeability coefficient of asphalt mixture

圖5 堵塞后的空隙率與劈裂強度變化規(guī)律Fig. 5 Variation law of porosity and splitting strength after blockage

從試驗后的試件可見,小粒徑的堵塞材料會更容易進(jìn)入空隙內(nèi)部,大粒徑材料受自身尺寸以及空隙結(jié)構(gòu)的影響,主要集中在試件表面的大空隙內(nèi)。

與堵塞前的滲透系數(shù)相比,混合料堵塞后的滲透系數(shù)均小于0.06 cm/s,且OGFC-13的滲透性要略大于OGFC-16的滲透性。這是因為OGFC-16堵塞前的滲透性大于OGFC-13,在相同的堵塞時長下,堵塞物進(jìn)入基體內(nèi)部的數(shù)量更多,所以堵塞后的滲透系數(shù)更小。在圖4中,OGFC-13型瀝青混合料的滲透系數(shù)隨空隙率的增加而增加,說明大空隙率的瀝青混合料在吸收更多的堵塞劑后仍具有較強的滲透性。OGFC-16型瀝青混合料的滲透系數(shù)呈先降低后上升的趨勢發(fā)展。

從圖5可知, OGFC-13和OGFC-16的內(nèi)部空隙率在10 min極端堵塞環(huán)境下的發(fā)展趨勢相一致,均隨設(shè)計空隙率的增加而增加。與堵塞前的空隙含量相比,堵塞后的空隙衰減明顯。相同空隙率下,OGFC-13的空隙衰減速率要小于OGFC-16。這是因為小粒徑的骨料之間形成的空隙結(jié)構(gòu)更小,阻礙了堵塞物向基體內(nèi)部的進(jìn)一步侵入。在低溫劈裂強度中,圖5所示強度數(shù)值與圖2中80 km/h車速下沖刷3 600次的試驗結(jié)果相差較小,說明顆粒堵塞會嚴(yán)重降低大空隙瀝青混合料的滲透性能,但對強度影響較小。

2.1.4 凍融循環(huán)試驗

以損傷度為指標(biāo),給出了兩類瀝青混合料凍融循環(huán)試驗后的損傷結(jié)果如圖6,圖中線條為擬合曲線。

圖6 大空隙瀝青混合料損傷度變化規(guī)律Fig. 6 Change law of damage degree of large-void asphalt mixture

從圖6看到,混合料的損傷度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。除16-III外其余試驗組的損傷度增長速率在凍融次數(shù)大于15次后略有減緩,且在15次凍脹變形穩(wěn)定后,兩種粒徑混合料的損傷度發(fā)展規(guī)律大致相同。除去油石比非常小的16-III試驗組的結(jié)果,凍融循環(huán)21次后,OGFC-13的損傷度范圍在0.96%～31.73%之間,略小于OGFC-16的5.88%～36.13%,更適合寒區(qū)大空隙瀝青混合料的建設(shè)使用。

在凍融循環(huán)后期,16-III的強度損失已達(dá)到50%以上,接近完全破壞。因此取前12次的凍融損傷結(jié)果進(jìn)行分析,如表3。

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下劈裂試驗的應(yīng)變與勁度模量(15 ℃)

由表3可知,在相同的級配類型下,大空隙瀝青混合料的拉應(yīng)變和勁度模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加分別呈不同的增大和減小趨勢。12次凍融循環(huán)后,6組試件的拉伸應(yīng)變明顯增大,勁度模量明顯減小。這是因為空隙率較大瀝青混合料在進(jìn)過多次的冰晶體凍脹損傷積累后,基體內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)明顯損傷,在變形量增加的同時荷載并不會增加。

2.2 細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)定量分析

2.2.1 空隙率的空間衍化規(guī)律

給出了原始、沖刷、堵塞和凍融4個狀態(tài)下,試件內(nèi)部沿試件高度方向上的空隙率變化結(jié)果如圖7。

圖7 空隙率變化趨勢Fig. 7 Change trend of void fraction

從圖7的變化趨勢來看,空隙率在4種工況條件下的整體變化呈無規(guī)則的波動形式變化。具體來說,在原始結(jié)構(gòu)中13-I～16-III上下波動的中值分別為19.20%、23.49%、24.92%、21.26%、20.08%和25.93%,與各個試件的實測空隙率較為接近。這也從印證了CT無損掃描定量分析的準(zhǔn)確性。

試件在經(jīng)過3 600次沖刷后,13-I～16-III的平均空隙率分別變?yōu)?9.55%、24.42%、25.88%、20.05%、21.89%和24.50%,與原始狀態(tài)的空隙率并無太大差別,而且沖刷前后的空隙率變化規(guī)律與宏觀沖刷試驗后的滲透系數(shù)變化一致,說明空隙率的細(xì)觀定量分析與宏觀試驗相關(guān)性好。

相比與前兩種工況,堵塞試驗之后,13-I～16-III空隙率的波動中值分別降為11.20%、11.88%、13.12%、8.55%、10.93%和11.91%,為原始狀態(tài)空隙率的50%左右,而且試件上部位置降幅要明顯高于試件中下部。經(jīng)凍融循環(huán)試驗后,13-I～16-III的平均空隙率分別為23.5%、25.1%、26.8%、23.1%、24.3%和27.3%。比原始狀態(tài)下的空隙含量略有增大。

2.2.2 空隙數(shù)量的空間衍化規(guī)律

為了更好的表述透水瀝青試件內(nèi)部空隙在不同工況下的變化規(guī)律,圖8以細(xì)觀數(shù)據(jù)空隙數(shù)量為關(guān)注點對試驗結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

圖8 空隙數(shù)量變化趨勢Fig. 8 Change trend of void quantity

從所有試驗組的整體分布來看,無論是原始狀態(tài)、動態(tài)水壓沖刷、堵塞還是凍融循環(huán)之后,試件中上部的空隙數(shù)量都要略大于試件中下部,這與文獻(xiàn)[16]結(jié)果類似。而且堵塞后的空隙數(shù)量要明顯大于堵塞前的空隙數(shù)量,這與空隙率分析中涉及到的空隙面積分布規(guī)律正好相反。從兩個截然相反的變化趨勢來看,大空隙瀝青混合料在堵塞之后,空隙面積雖然大幅降低,但空隙數(shù)量卻有所提升。說明每個截面上的空隙面積與空隙數(shù)量間不成正比。這是因為堵塞劑在進(jìn)入空隙內(nèi)部時,會在空隙變截面處沉積堵塞,把原本較大的空隙分割成尺寸較小的空隙。

2.2.3 空隙等效直徑的空間衍化規(guī)律

通過對細(xì)觀數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),空隙等效直徑在所有級配類型中的分布具有很好的相似性。為了避免描述上的重復(fù),僅對設(shè)計空隙率為23%的13-II為例進(jìn)行了詳細(xì)討論。將大空隙瀝青混合料試件內(nèi)部空隙按等效圓直徑的大小分為[0,0.3) mm、[0.3,1.18) mm、[1.18,4.75) mm、[4.75,13.2) mm、≥13.2 mm這5個區(qū)間范圍,如圖9。

圖9 試件13-II的等效直徑變化趨勢Fig. 9 Change trend of equivalent diameter of specimen 13-II

從圖9可見,13-II在原始狀態(tài)和沖刷試驗之后,等效直徑雖然在5個區(qū)間范圍內(nèi)都有所分布,但空隙等效直徑大小還是以1.18～4.75 mm范圍內(nèi)的分布為主,整體占比達(dá)到了50%以上,且沿試件高度方向的分布也相對均衡。

當(dāng)試件經(jīng)過10 min極端環(huán)境下的堵塞試驗后,試件內(nèi)部空隙開始向小尺寸的方向偏移,大于13.2 mm的空隙占比幾乎為0。與此同時,受堵塞顆粒分布的影響,占主導(dǎo)地位的1.18～4.75 mm的空隙也主要集中在試件中下部。與前3種工況相比,試件在經(jīng)過多次凍融循環(huán)后,1.18～4.75 mm范圍內(nèi)的空隙占比明顯增大。這也解釋了空隙數(shù)量減小的同時,空隙率增大原因。此外對其它試驗組的試件來說,空隙級配的分布與13-II基本一致。在不同的工況條件下,試件內(nèi)部的空隙大小均以1.18～4.75 mm尺寸分布為主。

3 結(jié) 論

研究采用宏細(xì)觀相結(jié)合的方法,對寒區(qū)服役環(huán)境下的大空隙瀝青混合料的性能和細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了研究分析,并得出以下結(jié)論:

1)在沖刷試驗中,大空隙瀝青混合料的滲透性會隨車速和沖刷次數(shù)的增加而增加。受空隙分布形態(tài)以及油石比大小的影響,設(shè)計空隙率為20%和23%的兩組試件雖然在沖刷過程中空隙率波動變化較大,但試件整體強度降幅較小。而空隙率為25%的13-III和16-III兩組試件強度降幅分別達(dá)到了30%和40%,并不適合寒區(qū)大空隙路面的建設(shè)使用。

2)在以寒區(qū)路面堵塞物為例的10 min極端堵塞試驗中,大空隙瀝青混合料內(nèi)部最大的堵塞深度在20 mm左右。與堵塞試驗前相比,堵塞之后的滲透系數(shù)雖然隨設(shè)計空隙率的增加而增加,但堵塞后所有試驗組的滲透系數(shù)不會超過0.06 cm/s。

3)在宏觀凍融循環(huán)試驗中,大空隙瀝青混合料的內(nèi)部空隙率會隨冰晶體的反復(fù)凍脹而增大。兩種粒徑混合料的損傷度在凍融循環(huán)大于15次后趨于穩(wěn)定。凍融循環(huán)21次后,OGFC-13的損傷度范圍在0.96%～31.73%之間要略小于OGFC-16的5.88%～36.13%。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,劈裂試驗的應(yīng)變和勁度模量分別呈明顯的上升和下降趨勢。

4)在細(xì)觀結(jié)構(gòu)定量分析中,凍融后的空隙率>沖刷后的空隙率>原始狀態(tài)下的空隙率>堵塞后的空隙率,空隙數(shù)量的分布規(guī)律正好與之相反。在所有工況下,試件內(nèi)部的空隙等效直徑均以1.18～4.75 mm大小分布為主,約占空隙整體數(shù)量的50%。