冻融循环-动水冲刷对间断级配沥青混合料特性参数影响

党志荣, 念腾飞, 刘宗成, 姜继斌, 杨海丽, 石国雄

(1. 甘肃第七建设集团股份有限公司, 甘肃 兰州 730000; 2. 兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050; 3. 甘肃路桥建设集团养护科技有限责任公司, 甘肃 兰州 730000)

沥青路面以其良好的路用性能、平整耐磨的表面、舒适的行车性能和相对较为稳定的力学性能在道路工程中得到了广泛应用[1].然而，在沥青路面运行早期破坏中，水是主要影响因素之一，当路面结构内有自由水存在时，每一次的车轮荷载作用下，路面结构由于动荷载的作用，其结构发生破坏是干燥状态下结构发生破坏的40倍以上，水损害发生概率相对较大[2].加之，近年来为了使城市的环境变得更好，道路洒水频率提高，使城市道路发生水损害的现象更加突出.

为了减少沥青路面水损害的发生，使沥青路面具有更好的服役性能，各国学者从不同方面对沥青路面抗水损害特性进行了研究[3]，如探寻沥青粘结材料的力学特性[4-5]、增强沥青混合料的水稳定性、改进传统的沥青路面材料水稳定性评价方法、探寻合适的水损害评价指标[6]、完善路面结构设计[7-8]、优化排水系统[9]等.但是由于水损坏的发生，通常使沥青路面材料本身的物理和化学发生机制与服役环境变化、车辆动荷载的力学效应息息相关，较为复杂.加之，在沥青混合料水损坏发生阶段，车轮载荷对路面的破坏由于温度的变化和水的存在变得更加复杂，这也使了解水损坏发生机理变得更加困难[10].

因此，本文通过开展冻融循环-动水冲刷作用对间断级配沥青混合料特性参数影响研究，分析沥青混合料在冻融循环-动水冲刷综合作用下的路用性能参数衰变规律，为探寻沥青路面水损害影响因素与揭示沥青路面水损害机理提供理论支撑.

1 试验原材料与方法

1.1 沥青

本研究中，采用的基质沥青为镇海90号A级道路石油沥青.根据现行公路工程沥青及沥青混合料材料试验规程，对基质沥青各项性能技术指标进行测试，结果见表1.基质沥青各项性能技术指标满足甘肃省《公路沥青路面施工技术规范》(DB62/T 3136—2017)要求.并根据规范规定对所用沥青进行了傅里叶变换红外光谱测试，结果见图1，图1中标准谱为镇海90号沥青的标准谱图，测试谱图通过与镇海90号沥青标准谱图对比可知满足要求.

图1 镇海90号沥青FTIR测试结果Fig.1 Test results of Zhenhai 90 asphalt FTIR

1.2 矿料与填料及配合比设计

研究所用粗集料、细集料和矿粉均来源于兰州市西果园料场，根据甘肃省《公路沥青路面施工技术规范》(DB62/T 3136—2017)要求，对集料和矿粉进行技术指标测试，其结果详见表2.

对于间断级配类型沥青混合料，为了有效地提高沥青混合料的抗剥落性能和粘附性，在混合料拌合时，会加入纤维，在本研究中使用的纤维为聚丙烯纤维，其测试指标为：

1) 该聚丙烯纤维呈白色单丝束状；2) 纤维长度为15 mm；3) 纤维的密度为0.910 g/cm3；4) pH值为0.88；5) 含水率为0.21%.纤维各项指标均符合现行规范要求.

采用马歇尔击实法对间断级配类型SMA-13沥青混合料进行设计，其配合比合成曲线见图2，通过马歇尔试件体积指标参数计算得SMA-13沥青混合料最佳沥青用量为5.7%.

图2 SMA-13沥青混合料配合比设计曲线Fig.2 Mix ratio design curve of SMA-13 asphalt

1.3 试件制备与试验测试

根据集料筛分析与合成级配曲线情况，成型间断级配SMA-13沥青混合料试件，试件直径为(101.6±0.25)mm、高度为(63.5±1.3)mm.对不同循环次数的冻融循环-动水冲刷后的马歇尔试件进行体积特征参数测试分析.根据表干法对沥青混合料的体积指标进行测试，其中包括毛体积密度、吸水率、表观密度和孔隙率，并对不同循环次数后的沥青混合料开展劈裂试验，分析其冻融劈裂强度.

此外，为了进一步表征冻融循环-动水冲刷后沥青混合料内部的劣化情况，本文对不同循环次数后的沥青混合料开展了CT切片扫描试验.

1.4 动水冲刷模拟试验装置与循环过程

自主研发的动水冲刷模拟试验装置见图3[11].通过本装置可以模拟沥青混合料的动水压力作用.本研究中对马歇尔试件开展的冻融循环-动水冲刷过程为：

(1) 采用击实法成型标准马歇尔试件，并测试沥青混合料马歇尔试件的原始体积参数和物理指标；

(2) 将试件装入自主研发的动水冲刷模拟试验装置中，组装好加压夹具，并对装置进行密封性检验；

(3) 对水箱进行水浴升温，待温度满足要求后，打开底部的注水阀门对试件进行注水，在注水过程中，检测进水速率和进水量，待注水量达到所计算的单个试件动水冲刷所需水量时，关闭进水阀门，完成注水.

(4) 通过自主研发装置的控制系统完成动水冲刷的压力模拟循环次数、正压加压时间、抽真空、间隔时间和循环时间的设定与运行.

(5) 根据西北地区季节性冻土区的气象资料，以兰州市为例，确定冻融试验的基本参数，采用循环冷浴控制沥青混合料的冻融，冻结速率采用0.4 ℃/h，从常温(20±1 ℃)逐渐冷却至-10 ℃，保持 6 h，再放至常温至少12 h，为一次冻融循环.

(6) 确定由于荷载引起的动水压力的变化范围，在每单次冻融循环结束后将试件放入模拟荷载的动水冲刷作用的设备中实施正负压各加载100次.

图3 自主研发的动水冲刷模拟试验装置Fig.3 Self-developed dynamic water scouring simulation test device

2 试验结果分析与讨论

2.1 表观密度和毛体积密度

冻融循环-动水冲刷循环下，表观密度和毛体积密度是沥青混合料的物理性能指标，分析其变化对沥青混合料力学指标的评价具有重要意义.通过试验测试和计算，可得SMA-13沥青混合料表观密度和毛体积密度随冻融循环-动水冲刷循环次数的变化如图4所示.

图4 表观密度和毛体积密度随冻融循环-动水冲刷循环次数的变化

从图4可以看出，随着冻融循环-动水冲刷循环次数地不断增加，沥青混合料表观密度则上升的趋势，而毛体积密度则逐渐下降.试件经过12次循环后，其表观密度增大2.097%，毛体积密度减小0.358%.其中，在2次循环后，其表观密度增大1.192%，占12次循环的56.84%，表明试件在前期循环过程中，吸水相对较快.从数值拟合曲线可以看出，沥青混合料表观密度和毛体积密度数值变化率都呈现出一致减小的趋势，即曲线的斜率变的越来越小，表明沥青混合料试件在经过多次冻融循环-动水冲刷循环后，单次循环对试件的破坏越来越小，但试件的累计损伤随循环次数的增大而增大.

2.2 吸水率与吸水率相对变化率

沥青混合料吸水率是评价其开口孔隙的体积占比指标，在经过冻融循环-动水冲刷循环后，沥青混合料内部水既为动力水的来源，又提供冻胀过程中的冻胀力，而吸水率对于动水压力及动水冲刷作用的启动具有密不可分的关系，故对吸水率与吸水率相对变化率的分析，有利于深入开展冻融循环-动水冲刷循环作用对沥青混合料的特性参数影响分析.通过试验测试和计算，可得SMA-13沥青混合料吸水率随冻融循环-动水冲刷循环次数的变化如图5所示，为了分析吸水率的相对变化率，定义采用式(1)对其进行分析，吸水率相对变化率变化情况如图5所示.

(1)

图5 吸水率与吸水率相对变化率随冻融循环-动水冲刷循环次数的变化

式中：Δω为吸水率的相对变化率，%；ω0为冻融循环-动水冲刷循环0次的吸水率，%；ωn为冻融循环-动水冲刷循环n次的吸水率，%.

从图5可以看出，随着冻融循环-动水冲刷循环次数的增加，沥青混合料的吸水率也在不断增大.当循环次数为0次时，试件的吸水率为1.22%；当循环次数为12时，试件的吸水率为3.62%，试件的吸水率在经过多次循环后增大了2.40%.冻融循环-动水冲刷循环作用下，沥青混合料试件吸水率相对变化随循环次数的增大呈现出指数变化关系，且吸水率相对变化率增长速度越来越慢，表明沥青混合料在经过冻融循环-动水冲刷后，如果没有外加压力的作用，水分只能进入沥青混合料较大的空隙中；在外加动力水压作用下，沥青混合料内部吸水量会逐渐增加至饱水状态；沥青混合料的饱水过程在初期会加速，且大量的水会进入沥青混合料的内部，并留存在试件的微孔隙中，然而这部分水不会随试件的冻融循环而排出，并最终滞留在沥青混合料试件中.

2.3 空隙率与空隙率相对变化率

空隙率是影响沥青混合料路用性能的物理指标之一，与沥青路面的抗水损害、抗老化和耐久性密切相关.研究表明，当沥青混合料的空隙率处于8%～12%时，沥青路面的渗透性会急剧增大，其动水冲刷对沥青混合料的侵蚀作用会更加明显[12].故开展冻融循环-动水冲刷循环作用下，沥青混合料空隙率变化对分析沥青路面抗水损害性能具有重要意义.通过试验测试和计算，可得SMA-13沥青混合料空隙率随冻融循环-动水冲刷循环次数的变化如图6所示，为了分析空隙率的相对变化率，定义采用式(2)对其进行分析，空隙率相对变化率变化情况如图6所示.

(2)

式中：ΔVV为空隙率的相对变化率，%；VV0为冻融循环-动水冲刷循环0次的空隙率，%；VVn为冻融循环-动水冲刷循环n次的空隙率，%.

从图6可以看出，随着冻融循环-动水冲刷循环次数的增加，沥青混合料的空隙率也在不断增大.当循环次数为0次时，试件的空隙率为6.373%；当循环次数为12时，试件的空隙率为6.711%，试件的空隙率在经过多次循环后增大了0.338%.然而，同样在前期循环，空隙率变化相对较快.冻融循环-动水冲刷循环作用下，空隙率表现出了与吸水率一致的变化情况.根据动水冲刷对材料的侵蚀作用机理[13]，沥青混合料在动水压力作用下，水的正向被压入和负向泵吸作用对水在沥青混合料微开口中的汇集填充具有明显的作用.冻融循环作用促使沥青混合料试件内部的温度持续下降，当温度下降到一定阶段，微开口中汇集水会由液态逐渐转化为固态，其体积开始膨胀，使沥青混合料的空隙壁在冻胀拉力的作用下产生微裂缝，并随着冻融循环次数的增大，微裂缝逐渐扩大形成空隙，从而增大了沥青混合料的空隙率.随着动水冲刷次数地不断增大，在沥青混合料内部新产生的空隙在动水冲刷作用下逐渐被侵蚀扩大，相互连通，加上温度降低的作用，孔隙内的自由水开始自由流动，冻胀力逐渐消散，使空隙的相对增量逐渐降低.因此，随着冻融循环-动水冲刷循环地不断作用，冻胀力作用下沥青混合料内部更多的微开口空隙发展为开口孔隙，沥青混合料内部的空隙相对变化率再一次增大，并逐渐扩展连通，形成了一种波动的循环增加趋势[14].

图6 空隙率与空隙率相对变化率随冻融循环-动水冲刷循环次数的变化Fig.6 Relative change rate of void fraction and void ratio with the number of freeze-thaw cycles-dynamic water scouring cycles

2.4 劈裂强度与冻融循环-动水冲刷损伤率

随着冻融循环-动水冲刷循环过程的持续作用，沥青混合料内部水分冻胀力不断增大，使沥青薄膜开始剥离并产生裂缝，在混合料内部形成新的空隙，对沥青混合料低温抗裂性能产生严重影响.因此，对冻融循环-动水冲刷循环后沥青混合料劈裂强度的分析可以间接评价沥青混合料的水稳定性.通过试验测试和计算，循环0次、3次、6次、9次和12次后，SMA-13沥青混合料劈裂强度随冻融循环-动水冲刷循环次数的变化如图7a所示.

图7 劈裂强度与冻融循环-动水冲刷损伤率随冻融循环-动水冲刷循环次数的变化Fig.7 Splitting strength and freeze-thaw cycling - dynamic water scour damage rate with the number of freeze-thaw cycles-dynamic water scouring cycles

从图7a可以看出，随着冻融循环-动水冲刷循环次数的增加，沥青混合料的劈裂强度不断减小.经12次循环后，试件的劈裂强度降幅高达65.44%.为了深入分析冻融循环-动水冲刷下沥青混合料力学强度的变化，根据损伤力学原理[13]，提出沥青混合料冻融循环-动水冲刷损伤率的概念，定义沥青混合料冻融循环-动水冲刷损伤率为DF，见式(3)，冻融循环-动水冲刷损伤率变化如图7b所示.

(3)

式中:DF为冻融循环-动水冲刷损伤率，%；F0为冻融循环-动水冲刷循环0次的劈裂强度，MPa；Fn为冻融循环-动水冲刷循环n次的劈裂强度，MPa.

从图7b可以看出，随着冻融循环-动水冲刷循环次数的增加，沥青混合料初期损伤速度较快，后期相对较慢.分析其原因：在冻融循环-动水冲刷循环初期，沥青混合料内部的侵入加速，当内部水饱和后，沥青混合料内部水分不断积聚并对沥青混合料内部结构持续侵蚀，进而产生冻胀作用，逐渐使沥青混合料发生冻胀破坏，其冻胀破坏速率相比水分侵入速度要慢.此宏观力学指标与前述物理指标和路用性能指标分析所得结果一致.

2.5 内部空隙结构变化

结合上述沥青混合料特性参数的影响分析，为了从微观形态对冻融循环-动水冲刷循环下沥青混合料内部结构变化进行分析，对0次、6次和12次循环后的沥青混合料试件进行CT切片扫描.CT切片为距离试件下表面3 cm处的径向切面,结果如图8所示.

图8 CT切片扫描图Fig.8 CT slice scans

从图8可以看出，沥青混合料试件在经过多次冻融循环-动水冲刷循环后，其内部空隙结构和空隙分布发生了明显变化.随着循环次数的增加，试件外部水侵入，内部水使沥青薄膜开始剥离并产生裂缝，在混合料内部形成新的空隙；空隙体积随着循环次数的不断增大而增大.同时可以发现，在试件的外侧，空隙结构的变化和沥青薄膜剥离表现也比较突出.综合前述分析，冻融循环-动水冲刷不仅对间断级配沥青混合料物理特性指标产生较大影响，还对其力学性能指标和路用性能指标有较大影响，使沥青混合料抗水稳定性减小.

3 结论

1) 沥青混合料经多次冻融循环-动水冲刷循环后，单次循环对其破坏越来越小，但累计损伤随循环次数的增大而增大.

2) 在外加动力水压作用下，沥青混合料内部吸水量会逐渐增加至饱水状态，内部更多的微开口空隙发展为开口孔隙.

3) 沥青混合料经多次冻融循环-动水冲刷循环后，其内部空隙结构与形态会发生变化，最终使试件产生冻胀作用.

4) 冻融循环-动水冲刷不仅对间断级配沥青混合料物理特性指标产生较大影响，还对其力学性能指标和路用性能指标影响较大，使沥青混合料抗水稳定性减小.

致谢：本文得到兰州理工大学红柳优秀青年人才计划项目(04-062005)的资助，在此表示感谢.