基于质量损失法的沥青混凝土抗水损害性能研究

郭杰

摘  要：水损害是沥青混凝土路面典型的早期病害之一，研究沥青混凝土的抗水损害性能对于改善沥青路面的服役耐久性具有重要意义。目前主要采用水煮法和力学指标法表征沥青混凝土的抗水损害性能，存在客观性差、因素单一的问题。本研究中采用质量损失法克服传统评价方法存在的问题。首先通过质量损失法研究了集料-沥青界面在热水损伤条件下的破坏情况;其次将质量损失法作为传统力学指标法的补充，采用质量损失法、力学指标法评价沥青混凝土在冻融循环损伤条件下的抗水损害性能。结果表明，质量损失法可定量反映沥青混凝土抵抗热水损害的能力，质量损失法和传统力学指标法复合使用可更加精准地显现沥青混凝土的抗冻融破坏能力。

关键词：质量损失法;沥青混凝土;热水损害;冻融循环损害;性能

中图分类号：U418.6        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）22-0119-03

Abstract： The moisture damage is one typical early disease of asphalt pavement. Investigating the moisture stability of asphalt mixture is benefit for improving the durability of asphalt pavement. The boiling water method and mechanical index method are currently used to evaluate the moisture stability of asphalt mixture， and they are one-sided and poor objectivity. A mass loss method is proposed in this research to overcome the shortage of the traditional method. The change of aggregate-asphalt interface under hot water damage mode is first investigated by the mass loss method. Then the mass loss method， as a supplementary of traditional mechanical index method， is used to evaluate the freeze-thaw damage resistance of asphalt mixture. Results suggest that the mass loss method can quantitatively reflect the hot water damage resistance of asphalt mixture， and the combination of mass loss method and mechanical index method is helpful for reflecting the freeze-thaw damage resistance of asphalt mixture accurately.

Keywords： mass loss method; asphalt mixture; hot water damage; freeze-thaw cycle damage; performance

水泥路面和沥青路面是目前采用最多的两种路面形式，沥青路面因具有耐磨抗滑、低噪音、行车舒适、施工方便等特点而被广泛应用于等级路面建设中，尤其是高等级公路的面层，据统计，我国高速公路90%以上均采用沥青混凝土铺筑[1]。随着沥青路面服役时间的延长以及交通荷载和自然环境的持续作用，沥青路面总会出现一些病害，如疲劳开裂、水损害、高温变形等[2-4]，这和沥青混凝土的原始性能有很大关系。因此，赋予沥青混凝土优异的路用性能是保障沥青路面较好耐久性的前提。

水损害是沥青路面典型的早期病害之一[5]。沥青混凝土主要由沥青和集料组成，集料组成矿质混合料骨架，沥青将骨料粘结成具有一定强度的整体结构。因此虽然沥青在沥青混凝土中的含量少，但其具有重要的作用。沥青路面水损害表现为路面掉粒、开裂、出现坑槽等现象[6]。从微观尺度考虑，沥青路面发生水损害的本质原因是水分取代了集料表面的沥青，破坏了沥青与集料间的粘附状态，久而久之出现掉粒、坑槽等病害。

根据我国现行的公路工程相关试验规程，目前主要通过两种方法评价沥青混凝土的抗水损害性能：一是水煮法[7]。将沥青包裹的粗集料颗粒置于微沸水中煮3min，观察集料颗粒表面沥青膜的剥落情况，按照瀝青剥落面积的不同，将集料与沥青的粘附性能划为不同的等级。该方法虽然操作简单，但是沥青从集料表面剥落的面积全凭观察确定，主观性强，结论的可靠性存疑。二是力学指标评价方法[7]。将沥青混凝土马歇尔试件进行冻融循环破坏，冻融处理条件为：试件首先在-18℃环境下冷冻16h，然后置于60℃水浴箱中浸泡24h，以马歇尔试件冻融破坏前后劈裂强度的损失情况来反映沥青混凝土抵抗冻融破坏的能力。该方法仅考虑了沥青混凝土冻融破坏过程中强度的变化，反映的指标单一，如缺乏对应变等其他重要指标的考虑。

针对传统方法在评价沥青混凝土抗水损害性能方面存在客观性和综合性不足的问题，本研究提出了一种质量损失法。首先采用质量损失法定量研究集料-沥青粘附界面在热水损害条件下的变化情况;进而采用质量损失法作为传统力学指标法的补充，评价沥青混凝土抵抗冻融破坏的能力。

1 原材料

本研究中矿质原材料（粗集料、细集料、填料）全部采用石灰岩，沥青采用AH-70基质沥青。原材料性能满足要求是制备沥青混凝土的前提，按照我国现行的公路工程相关试验规范和规程对所用原材料的基本物理性质指标进行测试[7，8]。集料、填料及沥青的基本物理性质指标测试结果分别如表1至表3所示，从表中可以看出，本研究所选用的原材料各项基本物理性质指标均满足我国规范中提出的技术要求[9]，原材料可用于制备沥青混凝土。

    2 试验方法

抗热水损害能力评价。传统水煮法通过观察粗集料表面包裹的沥青膜在微沸水破坏3min后的剥落情况判定沥青包裹的集料抵抗热水损害的能力。除了客观性差的问题，该方法由于水损害的时间比较短，常常使得集料表面的沥青剥落不明显，尤其是在横向对比不同集料与沥青的粘附性能时，难以显现出沥青包裹的不同集料颗粒抵抗热水损伤能力的区别。因此在本研究中将水煮时间增加到15min，同时采用质量损失法代替传统的观察法。质量损失法在此处即通过包裹沥青的集料颗粒水煮前后质量的变化来定量反映沥青混凝土抗热水损害性能，引入沥青剥落率指标，按照式（1）计算。

3 结果与讨论

热水损伤模式下，集料表面沥青膜的剥落情况如图2所示。结果表明，随着水煮时间的延长，石灰岩集料颗粒表面裹附的沥青膜剥落率持续增加，实验结束时刻，沥青剥落率高达25%，说明高温和水复合作用时对沥青混凝土抗水损害性能影响非常显著。具体来看，在热水损伤初始3min内，集料表面的沥青剥落率相比其他时段都要大，数值上约为9%，这主要是集料颗粒表面包裹的沥青存在富余的情况，部分富余沥青与集料表面粘附作用弱，在热水损伤条件下极易发生剥离。这也是传统水煮观察法难以准确判定沥青与集料粘附性能等级的原因之一，传统方法中沸水损伤时间选定为3min，在这个时间内主要是集料表面富余的沥青发生剥落，而并不是集料与沥青粘附界面的破坏。此后，随着热水损伤时间的延长，集料表面沥青膜的剥落率几乎呈现线性增加，考虑沥青与集料表面作用时具有较为固定的粘附强度，说明3-15min时段主要是集料与沥青粘附界面的破坏。以上分析表明采用质量损失法（沥青剥落率）来评价沥青混凝土抗热水损伤能力具有独特的优势，一方面可规避传统观察法客观性不足的问题，另一方面可更加真实反映出集料表面沥青膜的变化与热水损伤强度间的对应关系。

冻融损伤模式下，沥青混凝土的劈裂强度随冻融循环破坏次数的变化关系如图3所示。结果显示，随着冻融损伤程度的增加，沥青混凝土劈裂强度总体呈现下降的趋势，说明沥青混凝土的劈裂强度对冻融损害条件非常敏感。在冻融破坏早期，沥青混凝土的强度损失很大，经过2次冻融循环处理后，沥青混凝土的强度损失了近18%。随着冻融循环次数的增加，沥青混凝土强度衰减速率明显减缓，当冻融循环次数达到6次时，沥青混凝土强度总损失约为25%。但观察马歇尔试件冻融破坏后的外观形貌发现，早期冻融破坏并未对马歇尔试件外观造成明显破坏，随着冻融循环破坏次数的增加，马歇尔试件外周出现明显的掉粒。因此反映出强度损失与混凝土的冻融破坏并没有形成严格的对应关系。

冻融循环损伤模式下，沥青混凝土马歇尔试件的质量变化情况如图4所示，可见，马歇尔试件的质量损失率与其劈裂强度损失率变化规律大致相同，两者数值上都是随着冻融循环次数的增加而持续增大。但细节上前者又不同于后者，从图4可以看出，随着冻融循环破坏次数的增加，沥青混凝土马歇尔试件的质量损失速率逐渐提高，当冻融循环次数达到6次时，质量损失率高达14%;而劈裂强度损失速率在冻融循环破坏中后期是有所减缓的。前面已经提到，虽然沥青混凝土的劈裂强度下降速率减缓，但是混凝土试件的外观显示，冻融循环对沥青混凝土试件造成的破坏却是在逐渐加强的。因此，质量损失法可更加直观反映出沥青混凝土试件的破坏情况，其是力学指标法的有效补充。

4 结论

传统水煮法以及力学指标法在评价沥青混凝土抗水损害性能时缺乏客观性和综合性，本文针对这一问题提出以质量损失法来评价沥青混凝土的抗水损害性能。结果表明，采用质量损失法定量评价沥青混凝土抗热水损伤能力，规避传统水煮观察法客观性不足的同时，可更加真实反映出集料表面沥青膜的变化与水损强度间的关联;另外，质量损失法可直观反映出沥青混凝土试件在冻融循环损害条件下的真实破坏情况，其是力学指标法的有效补充。

参考文献：

[1]陈启宗.我国沥青路面再生技术与设备的现状和展望[J].交通世界，2005（12）：36-46+16.

[2]王文奇，丁海波，黄超，等.沥青抗疲劳性能新型试验与影响因素分析[J].化工新型材料，2017，45（06）：253-255.

[3]罗志刚，周志刚，郑健龙.沥青路面水损害问题研究现状[J].长沙交通学院学报，2003（03）：39-44.

[4]徐世法.瀝青混合料高温变形特性的实验研究[J].力学与实践，1994（03）：34-36.

[5]赵成海.沥青路面水损坏的养护对策[J].交通世界：建养，2009，201（8）：120-121.

[6]陈亚胜，王晓峰.浅析高速公路沥青路面水损害的成因及防治[J].黑龙江交通科技，2011，34（04）：18.

[7]交通部公路科学研究所.JTGE20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[8]交通部公路科学研究所.JTGE42-2005公路工程集料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2005.

[9]交通部公路科学研究所.JTGF40-2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2004.