水对沥青膜乳化作用研究
2014-10-20 10:00兰宏
建材发展导向 2014年5期
摘 要：水渗入沥青路面之后，由于路面结构排水能力不足，水长时间积聚在路面内部对沥青膜产生乳化破坏作用。一段时间之后，水就会渗透沥青膜到达沥青与集料界面，将沥青膜从集料表面剥离，降低沥青混合料粘结性、强度、弹性模量等性能，水在沥青膜中的渗透速度直接影响着混合料性能降低的速度。
关键词：水损害；沥青膜；渗透速度
高速公路沥青路面水损害现象非常普遍，这已是不争的事实。水损害原因非常复杂，主要包括静水损害和动水损害。静水损害是指水长时间滞留在混合料内部对沥青膜产生乳化作用，一方面降低沥青胶结料自身的粘结性，另一方面将沥青膜从集料表面剥离；动水损害是指路表面有积水时，高速行驶的车辆会产生很高的水压，对沥青混合料造成冲刷破坏。本文重点研究水对沥青膜的渗透速度。
1 原材料技术性能
本次试验用到的原材料是国家“7918”高速公路网的组成路段青兰高速公路河北段二期工程所用原材料，沥青的技术性能见表1，粗集料技术性能见表2。
表1 沥青技术性能
试验项目 单位 东海牌A级
70号沥青 SBS（I—D）型
改性沥青
要求 试验结果 要求 试验结果
针入度（25℃，5s，100g） 0.1mm 60～80 67 40～60 51
15℃延度，≥ cm 100 >100 20 30
软化点（环球法），≥ ℃ 46 47.5 3 1.9
TFOT
后 质量变化≤ % ±0.8 -0.12 ±1.0 -0.13
延度≥ cm 6 10 15 20
表2 粗集料技术性能
试验项目 单位 JTGF40-
2004要求 玄武岩
（mm） 石灰岩（mm） 试件（mm）
3～5 5～10 3～5 5～10 10～20 20
毛体积相对密度 — — 2.665 2.682 2.684 2.701 2.712 1.842
吸水率，≤ % 3.0 — 0.49 — 0.49 0.26 —
粘附性，≥ — 4级 5级 5级 — — 5级 5级
0.075mm通过率 % 1 — 0.2 — 0.2 0.1 0
2 试验方法介绍
为了弄清不同温度的水对不同种类、不同厚度沥青膜的渗透破坏情况，必须模拟实际的沥青膜进行渗透试验，而拌和均匀的混合料与实际情况最吻合，但是直接对拌和好的沥青混合料进行渗透试验时，无法测定水渗透沥青膜的具体时间。为了解决这一矛盾，本文自行设计了沥青膜渗透破坏试验。采用泥土为原材料成型粒径为20mm的球形试件来代替10～20mm的集料拌和沥青混合料。
本次试验采用土为原料制成粒径为20mm的球形试件代替AC-20C级配中10～20mm的集料。油石比采用3.0%～5.0%，按0.5%递增。将拌和均匀试件取出，冷却两小时后进行渗透试验研究。
3 渗透试验结果及分析
3.1 沥青膜厚度计算
壳牌沥青手册中指出热拌沥青混合料适宜厚度为5～15μm。本文沥青膜渗透试验采用改性与基质两种沥青，沥青膜厚度计算结果见表3：
表3 改性沥青膜厚度计算结果（μm）
油石比（%） 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
改性沥青膜厚（μm） 5.35 6.35 7.35 8.33 9.31
基质沥青膜厚（μm） 5.80 6.73 7.75 8.87 9.67
对于改性沥青和机制沥青拌和的混合料，油石比与沥青膜厚之间的关系如图1所示：从图表数据可以看出：无论是基质沥青还是改性沥青，沥青膜厚度随沥青用量增加线性增大，且相关性非常好。油石比每增大0.5%，沥青膜厚度增大1μm。
3.2 渗透试验结果
由于老化后的沥青膜与老化前沥青膜的试验结果有相同规律，分析实验结果时以未老化的沥青膜为例。不同水温时，沥青膜渗透时间与沥青膜厚度之间的关系见图2和图3；不同沥青膜厚度时，沥青膜渗透时间与水温关系见图4和图5，所示：
图2 基质沥青膜厚与渗透时间关系
图3 改性沥青膜厚与渗透时间关系
图4 基质沥青水温与渗透时间的关系
图5 改性沥青水温与渗透时间的关系
从图2和图3可发现：随着沥青膜厚的增加，不同水温下沥青膜的渗透时间不断增长。当沥青膜厚小于7.5μm时，渗透时间增长趋势比较缓慢，当沥青膜厚度超过7.5μm后，渗透时间明显增长。
从图4和图5可以可发现：沥青膜厚小于7.5μm时，温度由25℃升高到40℃时，渗透时间急剧缩短。与40℃升高到60℃两个阶段相比，前一个阶水渗透时间明显缩短，后一个阶段水渗透的时间缩短幅度不明显。当沥青膜厚增加9.5μm，两个阶段内水渗透沥青沥青膜的时间均匀缩短。这说明较薄的沥青膜能够抵抗低温水的破坏但不能抵抗高温水的破坏，较厚的沥青膜抵抗高温水的渗透破坏能力明显增强。
3.3 渗透速度计算
根据沥青膜的厚度和水渗透所需要的时间之间的关系，可以根据式（1）计算水在沥青中渗透的平均速度：
（1）
其中：v表示平均渗透速度，m/s；DA表示沥青膜厚度，μm；t表示时间，s。
从图3.10中可以发现：随着温度的升高，水的渗透速度变快。对于油石比5.0%而言，水温从25℃上升至60℃时，水在基质沥青膜中的渗透速度由0.9×10-11m/s上升到1.6×10-11m/s，增长了1.8倍。
水在改性沥青中的渗透速度由0.77×10-11m/s上升到1.35× 10-11m/s，增长了1.75倍。水在老化基质沥青中的渗透速度由1.24×10-11m/s上升到2.8×10-11m/s，增长了2.26倍。水在老化改性沥青中的渗透速度由1.1×10-11m/s上升到2.16×10-11m/s，增长了1.96倍。
可以发现：在相同温度下，水在不同厚度的沥青膜中平均渗透速度不一样。对于60℃水温环境而言，基质沥青膜厚从5.8μm增加到9.67μm，渗透速度由3.4×10-11m/s 降为1.6×10-11m/s，减慢了2.1倍。改性沥青膜厚从5.35μm增加到9.31μm，渗透速度由3.1×10-11m/s将为1.4×10-11m/s，减慢了2.3倍。
图6 油石比为5.0%时平均渗透速度
图7 60℃水温时平均渗透速度
4 结语
（1）水长时间与沥青膜接触会透过沥青膜到达沥青膜与集料界面，减弱沥青与集料之间的粘附性，降低沥青混凝土的性能。根据实验结果推断，保证沥青膜在短时间内不被水渗透，建议沥青膜厚度大于7.5μm。（2）水在较薄的沥青膜中渗透速度较快，当沥青膜较厚，水进一步渗透时，速度会比较慢。（3）随着温度的升高，水的渗透速度变快。（4）无论是基质沥青还是改性沥青老化之后，水的渗透速度都会变快。基质沥青老化后，水温在40℃以下时渗透速度增长1.3倍，60℃时渗透速度增长2.3倍。改性沥青老化后渗透速度增长1.4～1.6倍。（5）水在不同沥青膜中渗透速度按从大到小的顺序为：老化基质沥青﹥老化改性沥青﹥基质沥青﹥改性沥青。水的渗透速度对温度的敏感性由大到小的顺序为：老化基质沥青﹥老化改性沥青﹥基质沥青﹥改性沥青。
参考文献
[1] 张登良.沥青路面工程手册[M].北京：人民交通出版社，2003.
[2] 兰宏.沥青路面水损害行为及机理研究[D].西安：长安大学，2011.
[3] 申爱琴.长寿命沥青路面合理结构及沥青混合料设计、施工质量控制关键技术研究[R].2010.
摘 要：水渗入沥青路面之后，由于路面结构排水能力不足，水长时间积聚在路面内部对沥青膜产生乳化破坏作用。一段时间之后，水就会渗透沥青膜到达沥青与集料界面，将沥青膜从集料表面剥离，降低沥青混合料粘结性、强度、弹性模量等性能，水在沥青膜中的渗透速度直接影响着混合料性能降低的速度。
关键词：水损害；沥青膜；渗透速度
高速公路沥青路面水损害现象非常普遍，这已是不争的事实。水损害原因非常复杂，主要包括静水损害和动水损害。静水损害是指水长时间滞留在混合料内部对沥青膜产生乳化作用，一方面降低沥青胶结料自身的粘结性，另一方面将沥青膜从集料表面剥离；动水损害是指路表面有积水时，高速行驶的车辆会产生很高的水压，对沥青混合料造成冲刷破坏。本文重点研究水对沥青膜的渗透速度。
1 原材料技术性能
本次试验用到的原材料是国家“7918”高速公路网的组成路段青兰高速公路河北段二期工程所用原材料，沥青的技术性能见表1，粗集料技术性能见表2。
表1 沥青技术性能
试验项目 单位 东海牌A级
70号沥青 SBS（I—D）型
改性沥青
要求 试验结果 要求 试验结果
针入度（25℃，5s，100g） 0.1mm 60～80 67 40～60 51
15℃延度，≥ cm 100 >100 20 30
软化点（环球法），≥ ℃ 46 47.5 3 1.9
TFOT
后 质量变化≤ % ±0.8 -0.12 ±1.0 -0.13
延度≥ cm 6 10 15 20
表2 粗集料技术性能
试验项目 单位 JTGF40-
2004要求 玄武岩
（mm） 石灰岩（mm） 试件（mm）
3～5 5～10 3～5 5～10 10～20 20
毛体积相对密度 — — 2.665 2.682 2.684 2.701 2.712 1.842
吸水率，≤ % 3.0 — 0.49 — 0.49 0.26 —
粘附性，≥ — 4级 5级 5级 — — 5级 5级
0.075mm通过率 % 1 — 0.2 — 0.2 0.1 0
2 试验方法介绍
为了弄清不同温度的水对不同种类、不同厚度沥青膜的渗透破坏情况，必须模拟实际的沥青膜进行渗透试验，而拌和均匀的混合料与实际情况最吻合，但是直接对拌和好的沥青混合料进行渗透试验时，无法测定水渗透沥青膜的具体时间。为了解决这一矛盾，本文自行设计了沥青膜渗透破坏试验。采用泥土为原材料成型粒径为20mm的球形试件来代替10～20mm的集料拌和沥青混合料。
本次试验采用土为原料制成粒径为20mm的球形试件代替AC-20C级配中10～20mm的集料。油石比采用3.0%～5.0%，按0.5%递增。将拌和均匀试件取出，冷却两小时后进行渗透试验研究。
3 渗透试验结果及分析
3.1 沥青膜厚度计算
壳牌沥青手册中指出热拌沥青混合料适宜厚度为5～15μm。本文沥青膜渗透试验采用改性与基质两种沥青，沥青膜厚度计算结果见表3：
表3 改性沥青膜厚度计算结果（μm）
油石比（%） 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
改性沥青膜厚（μm） 5.35 6.35 7.35 8.33 9.31
基质沥青膜厚（μm） 5.80 6.73 7.75 8.87 9.67
对于改性沥青和机制沥青拌和的混合料，油石比与沥青膜厚之间的关系如图1所示：从图表数据可以看出：无论是基质沥青还是改性沥青，沥青膜厚度随沥青用量增加线性增大，且相关性非常好。油石比每增大0.5%，沥青膜厚度增大1μm。
3.2 渗透试验结果
由于老化后的沥青膜与老化前沥青膜的试验结果有相同规律，分析实验结果时以未老化的沥青膜为例。不同水温时，沥青膜渗透时间与沥青膜厚度之间的关系见图2和图3；不同沥青膜厚度时，沥青膜渗透时间与水温关系见图4和图5，所示：
图2 基质沥青膜厚与渗透时间关系
图3 改性沥青膜厚与渗透时间关系
图4 基质沥青水温与渗透时间的关系
图5 改性沥青水温与渗透时间的关系
从图2和图3可发现：随着沥青膜厚的增加，不同水温下沥青膜的渗透时间不断增长。当沥青膜厚小于7.5μm时，渗透时间增长趋势比较缓慢，当沥青膜厚度超过7.5μm后，渗透时间明显增长。
从图4和图5可以可发现：沥青膜厚小于7.5μm时，温度由25℃升高到40℃时，渗透时间急剧缩短。与40℃升高到60℃两个阶段相比，前一个阶水渗透时间明显缩短，后一个阶段水渗透的时间缩短幅度不明显。当沥青膜厚增加9.5μm，两个阶段内水渗透沥青沥青膜的时间均匀缩短。这说明较薄的沥青膜能够抵抗低温水的破坏但不能抵抗高温水的破坏，较厚的沥青膜抵抗高温水的渗透破坏能力明显增强。
3.3 渗透速度计算
根据沥青膜的厚度和水渗透所需要的时间之间的关系，可以根据式（1）计算水在沥青中渗透的平均速度：
（1）
其中：v表示平均渗透速度，m/s；DA表示沥青膜厚度，μm；t表示时间，s。
从图3.10中可以发现：随着温度的升高，水的渗透速度变快。对于油石比5.0%而言，水温从25℃上升至60℃时，水在基质沥青膜中的渗透速度由0.9×10-11m/s上升到1.6×10-11m/s，增长了1.8倍。
水在改性沥青中的渗透速度由0.77×10-11m/s上升到1.35× 10-11m/s，增长了1.75倍。水在老化基质沥青中的渗透速度由1.24×10-11m/s上升到2.8×10-11m/s，增长了2.26倍。水在老化改性沥青中的渗透速度由1.1×10-11m/s上升到2.16×10-11m/s，增长了1.96倍。
可以发现：在相同温度下，水在不同厚度的沥青膜中平均渗透速度不一样。对于60℃水温环境而言，基质沥青膜厚从5.8μm增加到9.67μm，渗透速度由3.4×10-11m/s 降为1.6×10-11m/s，减慢了2.1倍。改性沥青膜厚从5.35μm增加到9.31μm，渗透速度由3.1×10-11m/s将为1.4×10-11m/s，减慢了2.3倍。
图6 油石比为5.0%时平均渗透速度
图7 60℃水温时平均渗透速度
4 结语
（1）水长时间与沥青膜接触会透过沥青膜到达沥青膜与集料界面，减弱沥青与集料之间的粘附性，降低沥青混凝土的性能。根据实验结果推断，保证沥青膜在短时间内不被水渗透，建议沥青膜厚度大于7.5μm。（2）水在较薄的沥青膜中渗透速度较快，当沥青膜较厚，水进一步渗透时，速度会比较慢。（3）随着温度的升高，水的渗透速度变快。（4）无论是基质沥青还是改性沥青老化之后，水的渗透速度都会变快。基质沥青老化后，水温在40℃以下时渗透速度增长1.3倍，60℃时渗透速度增长2.3倍。改性沥青老化后渗透速度增长1.4～1.6倍。（5）水在不同沥青膜中渗透速度按从大到小的顺序为：老化基质沥青﹥老化改性沥青﹥基质沥青﹥改性沥青。水的渗透速度对温度的敏感性由大到小的顺序为：老化基质沥青﹥老化改性沥青﹥基质沥青﹥改性沥青。
参考文献
[1] 张登良.沥青路面工程手册[M].北京：人民交通出版社，2003.
[2] 兰宏.沥青路面水损害行为及机理研究[D].西安：长安大学，2011.
[3] 申爱琴.长寿命沥青路面合理结构及沥青混合料设计、施工质量控制关键技术研究[R].2010.
摘 要：水渗入沥青路面之后，由于路面结构排水能力不足，水长时间积聚在路面内部对沥青膜产生乳化破坏作用。一段时间之后，水就会渗透沥青膜到达沥青与集料界面，将沥青膜从集料表面剥离，降低沥青混合料粘结性、强度、弹性模量等性能，水在沥青膜中的渗透速度直接影响着混合料性能降低的速度。
关键词：水损害；沥青膜；渗透速度
高速公路沥青路面水损害现象非常普遍，这已是不争的事实。水损害原因非常复杂，主要包括静水损害和动水损害。静水损害是指水长时间滞留在混合料内部对沥青膜产生乳化作用，一方面降低沥青胶结料自身的粘结性，另一方面将沥青膜从集料表面剥离；动水损害是指路表面有积水时，高速行驶的车辆会产生很高的水压，对沥青混合料造成冲刷破坏。本文重点研究水对沥青膜的渗透速度。
1 原材料技术性能
本次试验用到的原材料是国家“7918”高速公路网的组成路段青兰高速公路河北段二期工程所用原材料，沥青的技术性能见表1，粗集料技术性能见表2。
表1 沥青技术性能
试验项目 单位 东海牌A级
70号沥青 SBS（I—D）型
改性沥青
要求 试验结果 要求 试验结果
针入度（25℃，5s，100g） 0.1mm 60～80 67 40～60 51
15℃延度，≥ cm 100 >100 20 30
软化点（环球法），≥ ℃ 46 47.5 3 1.9
TFOT
后 质量变化≤ % ±0.8 -0.12 ±1.0 -0.13
延度≥ cm 6 10 15 20
表2 粗集料技术性能
试验项目 单位 JTGF40-
2004要求 玄武岩
（mm） 石灰岩（mm） 试件（mm）
3～5 5～10 3～5 5～10 10～20 20
毛体积相对密度 — — 2.665 2.682 2.684 2.701 2.712 1.842
吸水率，≤ % 3.0 — 0.49 — 0.49 0.26 —
粘附性，≥ — 4级 5级 5级 — — 5级 5级
0.075mm通过率 % 1 — 0.2 — 0.2 0.1 0
2 试验方法介绍
为了弄清不同温度的水对不同种类、不同厚度沥青膜的渗透破坏情况，必须模拟实际的沥青膜进行渗透试验，而拌和均匀的混合料与实际情况最吻合，但是直接对拌和好的沥青混合料进行渗透试验时，无法测定水渗透沥青膜的具体时间。为了解决这一矛盾，本文自行设计了沥青膜渗透破坏试验。采用泥土为原材料成型粒径为20mm的球形试件来代替10～20mm的集料拌和沥青混合料。
本次试验采用土为原料制成粒径为20mm的球形试件代替AC-20C级配中10～20mm的集料。油石比采用3.0%～5.0%，按0.5%递增。将拌和均匀试件取出，冷却两小时后进行渗透试验研究。
3 渗透试验结果及分析
3.1 沥青膜厚度计算
壳牌沥青手册中指出热拌沥青混合料适宜厚度为5～15μm。本文沥青膜渗透试验采用改性与基质两种沥青，沥青膜厚度计算结果见表3：
表3 改性沥青膜厚度计算结果（μm）
油石比（%） 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
改性沥青膜厚（μm） 5.35 6.35 7.35 8.33 9.31
基质沥青膜厚（μm） 5.80 6.73 7.75 8.87 9.67
对于改性沥青和机制沥青拌和的混合料，油石比与沥青膜厚之间的关系如图1所示：从图表数据可以看出：无论是基质沥青还是改性沥青，沥青膜厚度随沥青用量增加线性增大，且相关性非常好。油石比每增大0.5%，沥青膜厚度增大1μm。
3.2 渗透试验结果
由于老化后的沥青膜与老化前沥青膜的试验结果有相同规律，分析实验结果时以未老化的沥青膜为例。不同水温时，沥青膜渗透时间与沥青膜厚度之间的关系见图2和图3；不同沥青膜厚度时，沥青膜渗透时间与水温关系见图4和图5，所示：
图2 基质沥青膜厚与渗透时间关系
图3 改性沥青膜厚与渗透时间关系
图4 基质沥青水温与渗透时间的关系
图5 改性沥青水温与渗透时间的关系
从图2和图3可发现：随着沥青膜厚的增加，不同水温下沥青膜的渗透时间不断增长。当沥青膜厚小于7.5μm时，渗透时间增长趋势比较缓慢，当沥青膜厚度超过7.5μm后，渗透时间明显增长。
从图4和图5可以可发现：沥青膜厚小于7.5μm时，温度由25℃升高到40℃时，渗透时间急剧缩短。与40℃升高到60℃两个阶段相比，前一个阶水渗透时间明显缩短，后一个阶段水渗透的时间缩短幅度不明显。当沥青膜厚增加9.5μm，两个阶段内水渗透沥青沥青膜的时间均匀缩短。这说明较薄的沥青膜能够抵抗低温水的破坏但不能抵抗高温水的破坏，较厚的沥青膜抵抗高温水的渗透破坏能力明显增强。
3.3 渗透速度计算
根据沥青膜的厚度和水渗透所需要的时间之间的关系，可以根据式（1）计算水在沥青中渗透的平均速度：
（1）
其中：v表示平均渗透速度，m/s；DA表示沥青膜厚度，μm；t表示时间，s。
从图3.10中可以发现：随着温度的升高，水的渗透速度变快。对于油石比5.0%而言，水温从25℃上升至60℃时，水在基质沥青膜中的渗透速度由0.9×10-11m/s上升到1.6×10-11m/s，增长了1.8倍。
水在改性沥青中的渗透速度由0.77×10-11m/s上升到1.35× 10-11m/s，增长了1.75倍。水在老化基质沥青中的渗透速度由1.24×10-11m/s上升到2.8×10-11m/s，增长了2.26倍。水在老化改性沥青中的渗透速度由1.1×10-11m/s上升到2.16×10-11m/s，增长了1.96倍。
可以发现：在相同温度下，水在不同厚度的沥青膜中平均渗透速度不一样。对于60℃水温环境而言，基质沥青膜厚从5.8μm增加到9.67μm，渗透速度由3.4×10-11m/s 降为1.6×10-11m/s，减慢了2.1倍。改性沥青膜厚从5.35μm增加到9.31μm，渗透速度由3.1×10-11m/s将为1.4×10-11m/s，减慢了2.3倍。
图6 油石比为5.0%时平均渗透速度
图7 60℃水温时平均渗透速度
4 结语
（1）水长时间与沥青膜接触会透过沥青膜到达沥青膜与集料界面，减弱沥青与集料之间的粘附性，降低沥青混凝土的性能。根据实验结果推断，保证沥青膜在短时间内不被水渗透，建议沥青膜厚度大于7.5μm。（2）水在较薄的沥青膜中渗透速度较快，当沥青膜较厚，水进一步渗透时，速度会比较慢。（3）随着温度的升高，水的渗透速度变快。（4）无论是基质沥青还是改性沥青老化之后，水的渗透速度都会变快。基质沥青老化后，水温在40℃以下时渗透速度增长1.3倍，60℃时渗透速度增长2.3倍。改性沥青老化后渗透速度增长1.4～1.6倍。（5）水在不同沥青膜中渗透速度按从大到小的顺序为：老化基质沥青﹥老化改性沥青﹥基质沥青﹥改性沥青。水的渗透速度对温度的敏感性由大到小的顺序为：老化基质沥青﹥老化改性沥青﹥基质沥青﹥改性沥青。
参考文献
[1] 张登良.沥青路面工程手册[M].北京：人民交通出版社，2003.
[2] 兰宏.沥青路面水损害行为及机理研究[D].西安：长安大学，2011.
[3] 申爱琴.长寿命沥青路面合理结构及沥青混合料设计、施工质量控制关键技术研究[R].2010.
