基于不同浸水状态的沥青混凝土路面损害研究

秦康康 李根森

(1.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000； 2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000)



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基于不同浸水状态的沥青混凝土路面损害研究

秦康康1,2李根森1,2

(1.兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州 730000； 2.兰州大学土木工程与力学学院，甘肃 兰州 730000)

通过马歇尔稳定度及质量损失率试验，分析道路在不同工况下的抗水损害能力及沥青混凝土的破坏形式，试验结果表明，浸水状态对路面破坏的影响为干湿循环大于无水；干湿循环对路面的破坏形式主要为细集料的磨损而产生的网裂。

沥青混凝土，水损害，质量损失率，马歇尔稳定度

0 引言

近年来，多个城市通过加强道路洒水的力度和频率来改善市区空气质量取得了明显效果，但与此同时也使得道路路面出现较以往年份更为严重的损害情况，主要表现为路面的网裂、松散、坑洞、唧浆[1]等，这种现象引发了笔者对沥青混凝土路面水损害的思考。所谓沥青混凝土路面水损害[2-5]，主要是指渗透入路面的自由水在温度变化及车载负荷的作用下，逐步浸入沥青与集料的界面上，导致沥青膜从集料表面剥离以及集料之间的粘结力丧失而发生路面破坏的过程。水作用于路面的形式可以是饱水状态，如降雨，也可以是干湿循环状态，如反复洒水。

目前，我国主要采用沥青混凝土马歇尔稳定度试验来检验沥青混凝土的水稳定性，通过试验检验沥青混凝土受水损害时抵抗剥落的能力。李之达[6]等人使沥青混凝土试块分别处于无水和饱水状态进行单轴无反向应力的轴向压缩疲劳试验，了解无水和饱水状态下沥青混凝土面层的疲劳破坏现象；王法欣[7]对沥青与集料的粘附性进行了试验研究，通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究了不同油石比、不同击实次数、不同沥青类型、不同级配、老化和不同厚度对水稳性的影响。以上文章只对试块进行无水与饱水试验，并未考虑到雨天、路面洒水、车辆行驶等实际路况。本文重点研究水对沥青混凝土路面损坏的影响因素，考虑无水、干湿循环等工况，通过马歇尔稳定度及质量损失率试验来研究道路的抗水损害的能力及沥青混凝土的破坏形式。

1 试验方法

1.1 试件准备及试验过程

采用标准击实仪制作标准马歇尔试件圆柱体，规格为φ101.6 mm×(63.5 mm±1.3 mm)。沥青混凝土型号为AC-10，该型号沥青混凝土目前广泛应用于市区道路面层的铺设。试验在温度上分为当地室外地表温度(约25 ℃)和50 ℃(模拟夏天高温情况)，在浸水状态上分为无水、干湿循环，在碾压循环次数上设定为循环50次、循环100次、循环150次，共9组、36个试样。每组试样使用滚轮碾压以模拟市区道路车辆行驶工况，滚轮碾压500次视为碾压循环1次。试验前需测量每个试块初始质量。无水组试样经滚轮碾压后放入指定温度恒温箱，不做其他处理；干湿循环组试样碾压前进行洒水，经一次循环后试样放入指定温度恒温箱中静置至干燥。试块每碾压循环10次测量其质量及观察表面破损情况，根据质量损失和马歇尔稳定度找出各工况因素对路面抗水损害的影响。

1.2 试验结果

1)质量损失率。本试验各组试件的质量损失为各组的4个平行试件的平均值。各组试件的质量损失率见图1。

由图1中曲线分布可知，随着循环次数的增加，试样的质量损失率呈增大趋势。无水试样的质量损失率曲线走向平缓，且25 ℃和50 ℃试样质量损失率都较小，均在1%以下；干湿循环试样的质量损失率均大于无水试样，25 ℃试样在循环150次后为无水试样的17.9倍；50 ℃干湿循环试样在循环90次以后呈缓慢上升趋势，但25 ℃干湿循环试样的质量损失率上升趋势较快，且明显大于50 ℃干湿循环试样，循环150次后质量损失率分别为3.5%与2.5%。

2)马歇尔稳定度。图2为马歇尔稳定度试验曲线，可以看出，无水试样的马歇尔稳定度随着试验次数的增加有较小的上升趋势，且50 ℃试样的马歇尔稳定度低于25 ℃试样；干湿循环试样的马歇尔稳定度均随循环次数增加呈下降趋势，循环次数对稳定度影响显著，在循环150次后干湿循环试样马歇尔稳定度降至无水试样的90%；50 ℃干湿循环试样的马歇尔稳定度大于25 ℃试样；对于同温度下各试样马歇尔稳定度为：无水试样>干湿循环试样。

3)试验结果及破坏形式分析。对于无水试样，在试验过程中试样表面没有明显的集料剥落，表现出较好的耐劳损性能，循环次数对试样的破坏影响并不明显，基本没有质量损失；随着循环次数的增加，试样表面出现不同程度的车辙现象(见图3)，相应的也使试样产生了压缩变形，使试样的空隙率随之减小，从而在马歇尔试验中表现出同一组试样，循环次数越高马歇尔稳定度越高的情况；温度的增高会使沥青软化，故温度越高，车辙现象越为明显，50 ℃无水试样的车辙明显大于25 ℃试样。

随着循环次数的增加，干湿循环试样表面出现缝隙且逐渐增大增多，部分试样表面有露出白色粗集料的现象，这说明在干湿循环状态下，水对试样的损害主要是试样表面沥青粘聚力的降低，粘聚力的降低使得细集料更容易脱落，在滚轮的碾压和摩擦作用下沥青混凝土中的细集料被磨损并带走，试样表面的缝隙增大增多，形成网裂，这在城市道路的十字路口尤为明显，刹车对路面的摩擦力在洒水的情况下对路面细集料的损失较其他路段更为严重；随着循环次数的增大，细集料损失过多使缝隙逐渐连通，试样表面出现肉眼可见的细小坑洞(见图4)，质量损失率呈逐步增加的规律也可以说明干湿循环状态下质量损失主要为细集料；从质量损失率和马歇尔稳定度均能看出，干湿循环状态对试样的损坏大于无水试样，在循环150次后干湿循环试样的马歇尔稳定度降至无水试样的90%；试验中观察到50 ℃试样在洒水后，表面的水分很快蒸发，使得水对沥青混凝土的作用有所降低，所以，50 ℃试样的质量损失率小于25 ℃试样，且50 ℃试样的马歇尔稳定度大于25 ℃试样。

2 沥青混凝土路面水损害的影响因素分析

沥青混凝土是由集料、沥青和空隙构成的典型的颗粒类复合材料。从体积结构角度分析，沥青混凝土中集料占绝大部分，约为混合料总体积的90%，其颗粒的自身强度远大于其联结强度，在外力作用下更容易发生颗粒间的相互错位位移。

从以上试验中可知，影响沥青混凝土路面面层水损害的主要因素有车流量、浸水状态、温度等。

1)车流量。沥青混凝土路面在正常的情况下，在设计范围内的车流量对路面损坏影响不大。在降水或人工洒水的情况下，车流量越大，路面受到的动态荷载越大，继而产生更大的孔隙水压力，使更多细集料从沥青中剥落出来。当车辆行驶速度较快时，车轮与路面发生相对速度很大的滚动，根据伯努利方程可知，速度越快接触面处压强越大，这时被剥落的细集料在大气压力作用下被车轮带出路面，形成唧浆、坑洞等水损害现象。

2)浸水状态。沥青混凝土路面出现大量积水情况可视为饱水状态，一般为降雨(也可能为管道跑水)；更多的情况是，路面面

层没有完全饱水，比如频繁洒水，只是表层被水附着呈湿润状态，使得路面面层上表面沥青混凝土粘聚力降低。在车轮摩擦力作用下，路面面层沥青混凝土出现磨损、掉粒，剥落的细集料被车轮带出路面，产生网裂、坑洞现象。

3)温度。沥青材料对温度是极其敏感的。由试验可知，浸水沥青混凝土试样在高温情况下的水损害情况更为严重，因为高温状态下，沥青发生融化，沥青混凝土结构中沥青和集料的粘结作用力变小，经过车轮碾压后变形也较大。而在路面经常洒水的情况下，高温可以让表面附着的水更快的蒸发，相应的常温情况下水不能较快的蒸发因此增大了水对沥青路面的侵蚀作用，一定程度上增大了路面水损害的程度。

3 结语

水作为危害沥青混凝土路面的主要因素之一，大大加剧了沥青混凝土路面面层的破坏速度和破坏程度。其中车流量、浸水状态和温度均对路面有着重要影响。

1)随着碾压循环次数的增加，试样的质量损失率均呈增大趋势，在循环150次后，干湿循环试样的质量损失率最大为无水试样的17.9倍。

2)随着碾压循环次数的增加，干湿循环试样马歇尔稳定度呈降低趋势，而无水试样正相反；在循环150次后，干湿循环试样的马歇尔稳定度降至无水试样的90%。

3)当路面处于无水状态时，温度(25 ℃～50 ℃)越高，路面抗水损害能力越低；但当路面处于干湿循环状态时，50 ℃时路面抗水损害能力高于25 ℃。

4)不同的浸水状态，沥青混凝土在车辆碾压作用下的破坏形式不同，无水状态时主要表现为车辙，干湿循环时主要为细集料的磨损而产生的网裂。

[1] 兰永红,张 俊,刘世平,等.沥青混凝土路面水损害破坏机理及预防措施[J].公路交通技术,2003(5):43-46.

[2] 郑传峰,宋振丰,王立峰.基层结构特性对沥青路面裂缝的影响分析[J].路基工程,2010(1):99-101.

[3] 胡启青.沥青混凝土路面常见缺陷处理技术探讨[J].路基工程,2007(6):135-136.

[4] 李延慧.高等级公路沥青路面水破坏的原因和解决措施[J].东北公路,2003(2):9-11.

[5] 沈金安.沥青及沥青混凝土路用性能[M].北京:人民交通出版社，2001.

[6] 李之达,陈智军,李 芬,等.沥青混凝土路面水破坏的疲劳损伤模型研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2009(1):5-8.

[7] 王法欣.沥青混合料水稳定性及路面水损害研究[D].杭州：浙江工业大学，2009.

Study on asphalt concrete pavement damage on the basis of different soaking states

Qin Kangkang1,2Li Gensen1,2

(1.MajorEducationalMinistryLaboratoryofWesternDisaster&EnvironmentMechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China; 2.CollegeofCivilEngineering&Mechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Through Marshall stability and quality loss ratio test, the paper analyzes the road water damage resisting capability and asphalt concrete damage forms under different working conditions. The experimental results show that: the impact of soaking state upon the pavement damage belongs to dry-wet cycling method, which is worse than the impact of no-soaking state， furthermore, the major damage form of dry-wet cycling upon pavement is net-shaped cracking owning to fine aggregate abrasion.

asphalt concrete, water damage, quality loss ratio, Marshall stability

1009-6825(2016)11-0140-02

2016-02-01

秦康康(1990- )，男，在读硕士； 李根森(1991- )，男，在读硕士

U416.217

A