冻融循环作用下沥青混合料渗透性能的研究

焦华丽

林同棪国际工程咨询（中国）有限公司，重庆 401121

我国季节性冰冻地区约占我国领土面积的75%以上［1］，而冻融循环作用普遍发生在季冻区的沥青路面中。随着温度的降低，内部水分冻结并发生体积膨胀，在沥青混合料内部及空隙间产生巨大的冻胀力，破坏了沥青混凝土的细观结构［2］；温度升高，混合料内部水分融化，水分的迁移加速冻融损伤的演化，不断使沥青混合料性能衰减，引发路面松散、坑槽等病害［3］。而沥青混合料作为一种多孔介质，其渗透特性是固有的属性。冻融循环作用下，增大的联通空隙率从根本上改变了沥青混合料的渗透特性［4］。为此本文结合冻融循环试验与渗透试验，开展冻融循环作用下沥青混合料渗透特性的研究。

1 原材料

试验所用石料为地产安山岩，其毛体积相对密度为2.758，表观相对密度为2.775，吸水率为0.77%，其满足沥青路面用石料的技术要求。

填料采用地产安山岩质矿粉，其表观相对密度为2.629，含水量为0.91%，满足规范要求。

沥青材料选用基质90#沥青，测试技术指标为：25℃针入度为91.2（0.1mm）；软化点为48℃；15℃延度大于100cm。

沥青混合料的级配参照《公里沥青路面施工技术规范》推荐的级配曲线中值，选取AC 级配，SMA 级配以及OGFC 级配，平行件个数为3 个，其试件成型方式为击实成型，试件直径为100mm±0.25mm，高度为63.5mm±1.3mm。其三种级配的空隙率参数为：AC 级配试件平均空隙率3.9%，SMA 级配平均空隙率4.2%，OGFC 级配平均空隙率10.3%。

2 试验方法

冻融循环试验参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》执行，其具体实施方案为：（1）将沥青混合料在真空度为97.3-98.7kPa 的环境中进行真空饱水15min，然后恢复常压后在水中放置0.5h；（2）将试件放在塑料袋中，并加入10mL 的水，在-18℃的环境中放置16h，进行冰冻操作；（3）将试件取出后，放入25℃的水中融化4h。

渗流试验采用沥青混合料渗透试验装置开展，操作步骤为：（1）将试件的侧壁用玻璃胶进行密封，确保试件为不透水状态；（2）放入渗透试验装置中，同样用玻璃胶密封在试验仓内；（3）对试件施加水头高度，并测量水穿透试件的流速。

渗透系数依据达西定理测定，其计算表达式见式（1）：

式中：K 为渗透系数，m/s；Q 为通过试件的水的流量，m3/s；A 为过水断面面积，m2；L 为渗流路径长度，m；Δh为水头梯度，m。

3 结果分析

分别对进行0 次、1 次、3 次、5 次冻融循环作用的沥青混合料进行渗透试验，测定渗透系数，对于3 种不同级配下的渗透系数随冻融循环次数的演变曲线见图1 所示。

由图1 可见，沥青混合料的渗透系数随冻融次数的增加呈增大的趋势。对于AC 级配而言，在0 次冻融时渗透系数为0m/s，试件完全不透水，随着冻融次数的增加，其渗透系数呈线性增大的趋势，在5 次冻融循环作用后，渗透系数增大到0.001m/s；对于SMA 级配而言，随着冻融次数的增大，其渗透系数呈幂函数增长趋势，到5 次冻融循环之后，其渗透系数增大为0.003m/s；而OGFC 级配在初始状态便具有较高的渗透系数，为0.008m/s，随着冻融循环次数的增加，其渗透系数逐渐增大，在5 次循环之后，渗透系数增大到0.010m/s。

图1 冻融循环作用下不同级配沥青混合料的渗透系数

SMA 级配与AC 级配具有相近的空隙率，但渗流特性的演变存在显著差异。在0 次冻融循环时，二者渗透系数均为0m/s，为不透水状态。随着冻融次数的增加，渗透系数逐渐增大，在5 次冻融循环作用后，AC 级配的渗透系数较3 次冻融循环作用后，增加了77.3%；SMA 级配的渗透系数3 次冻融循环作用后，增加了248.5%。可见，SMA 级配的沥青混合料在冻融循环的后期对冻融循环作用更为敏感。

AC 级配近似呈线性增长规律，SMA 级配在3 次冻融循环作用内呈线性规律，在5 次冻融循环之后，其增长速率突然变大，转变为幂函数增长趋势；而OGFC 级配在初始状态下便具有较大的渗透系数，随着冻融循环次数的增加，其增长趋势逐渐变缓，5 次冻融循环次数后的渗透系数较3 次冻融循环仅增加了3.1%。

4 结论

本文通过冻融循环试验与渗透试验相结合的方式探究了沥青混合料的渗透系数在冻融循环作用下的演变规律，主要取得以下结论：

（1）冻融循环作用破坏了沥青混合料的细观结构，使可渗透空隙量增大，导致沥青混合料的渗透系数随冻融循环作用逐渐增大。

（2）OGFC 级配由于具有较大的空隙率，因此渗透系数较大，而SMA 级配与AC 级配的沥青混合料其渗透系数较小。

（3）三种不同级配的沥青混合料渗透系数的演变规律不同，OGFC 级配的渗透系数增长率随冻融循环作用次数增加而逐渐减小，SMA 级配呈幂函数增加，AC 级配呈线性增加。