徐 渊 高俊启 鲁洪强 王召强

(南京航空航天大学航空宇航学院1) 南京 210016) (青岛市市政工程设计研究院有限责任公司2) 青岛 266101)

长期浸水作用对沥青混合料粘聚性的影响研究*

徐 渊1)高俊启1)鲁洪强2)王召强2)

(南京航空航天大学航空宇航学院1)南京 210016) (青岛市市政工程设计研究院有限责任公司2)青岛 266101)

将现场取芯的上、中、下面层的沥青混合料试件分组并长期放置于水中，每隔3个月测定试件的质量吸水率，采用劈裂试验及无侧限抗压强度试验测定试件的劈裂抗拉强度、粘聚力和内摩擦角，运用2种拟合方法对沥青混合料试件粘结力和内摩擦角变化趋势进行拟合.结果表明,沥青混合料试件初期阶段吸水率迅速增加，后期水分进入微空隙，吸水率增加缓慢；试件劈裂抗拉强度随浸水时间的增加而减小；长期水作用下沥青膜与集料之间粘附性下降，粘聚力随浸水时间增加大致呈线性变化，内摩擦角随浸水时间变化大致呈2次抛物线变化.

沥青混合料；水损坏；粘聚力；内摩擦角

0 引 言

沥青路面由于具有表面平整、行车舒适、噪声低、养护维修方便等优点而广泛应用于大部分高等级路面.水损害是沥青路面主要的早期破坏形式之一，水损害一般会导致路面结构性破坏和耐久性降低，并可诱发其他道路病害，如坑槽、剥落等，从而影响道路的使用寿命.

早期破坏是在未达到使用寿命之前发生的非极限损坏[1].造成沥青路面早期破坏的原因，除了环境因素和交通荷载的作用以外，水损害是最主要的原因之一.首先自由水侵入沥青使沥青粘附性减小，从而导致沥青混合料的强度及劲度降低；其次是水进入沥青薄膜和集料表面之间，与具有天然亲水性的集料充分作用后代替原来裹覆在集料表面的沥青膜，使得沥青与集料表面的接触面减小，使沥青从集料表面剥落.诸多研究人员都认识到沥青路面水损坏的出现是由于沥青混合料本身水稳定性不足所导致的，并采用了多种方法来评价沥青混合料的水稳定性，主要有浸水马歇尔试验、Lottman法、AASHTO的冻融劈裂试验[2]、改进Lottman试验、Texas冻融基座试验.程英伟等[3]提到2种评价沥青混合料水稳定性的方法：(1)评价沥青与矿料间的粘附性；(2)评价沥青混合料试件的水稳定性.杨瑞华等[4]分析比较了浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、沥青路面分析仪浸水车辙试验和朱丽叶试验的优缺点和实验条件.Mitchell等[5]提到Lottman法相比浸水马歇尔试验能更好的评价沥青混合料的水稳定性.何中楠[6]考虑到南方雨季持续时间大约2个月，将成型试件放置于室温下25 ℃浸水60 d，定期观测试件的质量吸水率.郭学东等[7]通过试验发现自由水滞留在试件内部达一周，且当残留水为50%时，试件水稳定性最差.Apeagyei等[8]研究了浸水70 d沥青混合料的耐久性，并发现水分对沥青混合料的刚度影响是一个可逆过程.这些试验方法具有严格的温度和环境条件，但大多试验时间短，没有研究长期浸水作用下水对沥青混合料粘聚力c和内摩擦角φ的影响.因此文中首先将试件进行真空饱水，进而通过无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验，计算沥青混合料的劈裂抗拉强度、粘聚力及内摩擦角，研究长期浸水作用对沥青混合料劈裂抗拉强度、粘聚力和内摩擦角的影响规律.

1 试验方法及原理

1.1 试验方案

沥青混合料试件为江苏一高速公路取芯芯样.面层结构为上面层SMA-13、中面层Sup-20和下面层Sup-25.上面层集料为玄武岩，中下面层集料为安徽茅迪生产的石灰岩.现场3种混合料试件按照浸水时间为0，3，6，9，12个月，均分成5组，每组试件每个面层各6个试件，其中后4组试件长期置于水中，每隔3个月测定每组试件的质量吸水率.上面层试件进行劈裂试验，中面层试件进行冻融劈裂试验，下面层试件进行劈裂、抗压试验.达到规定的浸水时间后，下面层试件放入60 ℃恒温水槽中浸泡90 min后，立即取出并放置在加载速率为50 mm/min的马歇尔试验仪下测定其劈裂抗拉强度和无侧限抗压强度.试件编号及沥青混合料压实度结果见表1～2.下面层Sup-25生产配合比设计级配见表3.通过测定试件的劈裂抗拉强度与无侧限抗压强度，计算试件的粘结力和内摩擦角，研究长期浸水作用下对沥青混合料试件粘结力及内摩擦角的变化.

表1 试验类型及试件编号

表2 沥青混合料压实度结果

1.2 劈裂试验

劈裂试验，也称间接拉伸试验，是通过圆弧形加载压条，按一定的加载速率对规定尺寸的圆柱形试件施加荷载，使用位移传感器或百分表测定试件变形，从而得到材料的强度和变形等力学参数的试验方法.文中将已分组的上面层试件放入恒温水槽保温不少于1.5 h，然后取出试件，置于马歇尔稳定度仪基座上的夹具中安放稳定，其上下均放有圆弧形压条，与侧面的十字画线对准，加载速率为50 mm/min，试验温度为15 ℃.待试件破坏时停止加载，记录荷载、垂直变形.通过测定劈裂抗拉强度评价混合料试件的低温抗裂性能.

表3 Sup-25矿料级配设计组成

1.3 粘聚力内摩擦角计算原理

根据60 ℃劈裂试验和无侧限抗压强度试验计算粘结力c、内摩擦角φ的原理见图1.

图1 c，φ计算原理

利用劈裂试验可以有效地反映出沥青混合料内部的界面粘结状态[9].劈裂强度主要由2部分构成：矿料间的摩阻力和沥青混合料的粘聚力，在高温和水的反复作用下沥青本身的粘结性能也会相应的下降[10].劈裂试验中，由于外加荷载的作用，在试件的中心将会产生一个横向最大应力，为拉伸强度St.由弹性理论可知，横向拉应力σx和竖向压应力σy在试件的中间均达到最大值.σx和σy计算如下.

(1)

(2)

式中：P为试件破坏时的最大荷载，N；h为试件的厚度，mm.

通过无侧限抗压强度试验，计算出试件的抗压强度σc.

(3)

式中：d为试件直径，mm.

获得间接拉伸强度和无侧限抗压强度后，c，φ值可按下列公式计算.

(4)

(5)

φ=arcsin α1

(6)

2 结果与分析

2.1 饱水率

沥青混合料的水损坏主要是自由水侵入导致混合料中集料之间粘附性降低，从而影响沥青混合料的强度.因此首先需要对沥青混合料的饱水特性进行研究.试验测定各个面层混合料试件随浸水时间变化的质量吸水率.通过改变混合料的浸水时间，定期对试件进行测定.将测定完空隙特征后的浸水时间设置为0 d，其余每个面层4组试件分别在浸泡3，6，9，12个月后测定其质量吸水率.其饱水率特征曲线见图2.

图2 沥青混合料试件饱水率曲线

由图2可知，在前3个月，上面层试件吸水率从0.65%增加到1.29%，中面层试件吸水率从0.95%增加到1.49%，下面层试件吸水率从1.17%到1.28%，而从浸泡6，9，12个月的质量吸水率来看，吸水率增加较缓慢，逐渐趋于平衡.

沥青混合料是一种具有空间网络结构的多相体系，从宏观上看，它是集料、沥青、空气组成的三相体系，其内部充满较多空隙，且空隙随机分布，有大有小，既有连通空隙，也有闭塞空隙.因此从图2的饱水率曲线看，前期质量吸水率迅速增加是因为大量自由水填充连通空隙，而后期由于自由水进入闭塞空隙是一个漫长的过程，而且混合料内外产生浓度差，有一部分自由水向外扩散，导致增长较缓慢，另外由于长期浸水，连通空隙与闭塞空隙基本达到饱水状态，试件能够再吸收水分的能力降低，因此浸泡时间为6，9，12个月的试件质量吸水率增长幅度不大.

2.2 劈裂试验

劈裂试验是进行混合料设计和路面结构设计的内容之一，也是研究沥青混合料破损机理的重要手段之一，因此有必要对上面层试件进行劈裂试验.各组不同浸水时间试件的劈裂抗拉强度值变化见图3.

图3 沥青混合料试件劈裂抗拉强度变化曲线

由图3可知，试件的劈裂抗拉强度随浸水时间的增加而不断减小，尤其在前3个月强度下降幅度较大，劈裂强度从1.28 MPa下降到0.99 MPa，这说明水的存在对沥青混合料力学性能影响是比较大的.这可能在于，沥青混合料的劈裂强度由集料间的嵌挤力与内摩阻力、沥青与集料交互作用的粘聚力组成.自由水进入到试件内部不断扩散，渗透到达沥青薄膜与集料的界面，降低了薄膜与集料之间的接触面，且浸水时间越长，试件受到水损害越严重，导致沥青混合料的劈裂抗拉强度值减小.

2.3 粘结力及内摩擦角

粘结力c和内摩擦角φ是材料抗剪强度的重要参数，根据莫尔-库仑破坏理论分析，材料的剪切强度是由粘结力和内摩擦角组成，粘结力c表征沥青混合料粘结集料颗粒的强弱，内摩擦角φ表征矿料之间内摩阻力的大小，大量实际工程表明，内摩擦角偏大不容易产生车辙.材料在受到简单剪切破坏时受到的最大切应力为

τmax=c+σN×tan φ

(7)

式中：σN为垂直破坏面的应力，MPa.

试验将下面层试件分别进行劈裂试验和无侧限抗压试验，通过计算所得的粘结力和内摩擦角变化见图4～5.由图4～5可知，粘结力和内摩擦角随浸水时间的增加而不断减小，粘结力从刚开始的0.35 MPa减小到浸水时间长达12个月的0.27 MPa，内摩擦角从刚开始的54.32°减小到最后的44.04°，而且浸泡时间从6到9个月之间内摩擦角显著降低.由此说明浸水时间的长短对粘结力和内摩擦角都有一定的影响.自由水在侵入过程中透过沥青薄膜，滞留在沥青混合料空隙中的自由水不断侵入内部，使得沥青和集料之间的粘附性减小，由于集料表面对水分相比沥青更具吸附力，从而使沥青和集料表面的接触面减小，沥青从表面剥落，降低沥青混合料试件的力学性能.文中通过2种拟合方法对粘结力和内摩擦角大小随浸水时间变化的趋势进行拟合，发现粘结力线性拟合的拟合指数为0.934，多项式拟合的拟合指数为0.926，这说明粘结力随浸水时间增加大致呈线性变化，浸水时间越长，沥青混合料粘结力越小；而内摩擦角多项式拟合的拟合指数为0.898，线性拟合指数为0.872，说明内摩擦角随浸水时间的增加大致呈二次抛物线变化，不同于粘结力变化趋势.

图4 沥青混合料试件粘结力变化曲线

图5 沥青混合料试件内摩擦角变化曲线

3 结 论

1) 沥青混合料的饱水特征曲线表明在浸水初期阶段自由水通过连通空隙进入试件内部，并不断扩散，不同面层的试件质量吸水率迅速增加，而在浸水后期，连通空隙中几乎饱水，水分开始进入试件内部的微空隙，但过程较漫长，试件吸水率增加缓慢，增幅不大.

2) 劈裂抗拉强度随浸水时间的增加而不断减小，浸水时间越长，试件水损害越严重；沥青混合料试件随浸水时间变化引起试件的粘结力和内摩擦角下降，表明滞留在试件内部空隙的自由水不断渗透到达沥青薄膜与集料的界面，集料更易与水相结合，导致沥青与集料粘附性降低，沥青薄膜与集料表面接触角减小，粘结力与内摩擦角下降.

3) 运用2种拟合方法对粘结力和内摩擦角变化趋势进行拟合，粘结力随浸水时间增加大致呈线性变化，而内摩擦角变化趋势大致呈二次抛物线变化.

[1]张宏超,孙立军.沥青路面早期损坏的现象与试验分析[J].同济大学学报(自然科学版),2006,34(3):331-334.

[2]AASHTO.Standard test method for resistance of compacted bituminous mixture to moisture-induced damage: T 283-89[S]. America：AASHTO，2001.

[3]程英伟,何晓鸣,董丁球.级配对AC-13C型沥青混合料水稳定性的影响[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2006,30(3):477-480.

[4]杨瑞华,许志鸿,李宇峙.沥青混合料水稳定性评价方法研究[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(11):1486-1491.

[5]MITCHELL D, HAO P, LIU H Y. A laboratory study of the effectiveness of various additives on moisture susceptibility of asphalt mixtures[J]. Journal of Testing & Evaluation,2006,34(4):261-268.

[6]何中楠.长期浸水对沥青和集料-沥青界面性能损伤的试验研究[J].中外公路,2012,32(2):261-263.

[7]GUO X D, CAO J, FANG X Y. Study of water stability of asphalt mixture based on residual water[J]. Applied Mechanics & Materials,2011,71:1791-1794.

[8]APEAGYEI A K, GRENFELL J R A, AIREY G D. Observation of reversible moisture damage in asphalt mixtures[J]. Construction & Building Materials,2014,60(9):73-80.

[9]赵永利,吴震,黄晓明.沥青混合料水稳定性的试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2001,31(3):99-102.

[10]张宏超,孙立军.沥青混合料水稳定性能全程评价方法研究[J].同济大学学报(自然科学版),2002,30(4):422-426.

Research on Influence of Long Term Immersion to Cohesiveness of Asphalt Mixture

XU Yuan1)GAO Junqi1)LU Hongqiang2)WANG Zhaoqiang2)

(DepartmentofCivilEngineering,NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016,China)1)(QingdaoMunicipalEngineeringResearchInstituteCO.,LTD.,Qingdao266101,China)2)

The drilling core asphalt mixtures of the upper, middle and lower layers are grouped and placed in water for long time and the water absorption rate of the specimen is tested every three months. Split test and unconfined compression strength test are used to measure the splitting tensile strength, the cohesion and internal friction angle. Two fitting methods are used to fit the trend of the change of cohesion and internal friction angle. The test results show that the water absorption rate of the asphalt mixtures is increased rapidly at early stage. Moisture enters the micropores, resulting in that the water absorption rate of the asphalt mixtures increase slowly at the later stage. The splitting tensile strength of the asphalt mixture is decreased with the increase of immersion time. Under long-term immersion, the adhesion between asphalt membrane and aggregate is decreased. As the increase of immersion time, the trend of the change of cohesion is approximately a linear change and the trend of the change of internal friction angle is generally a parabolic variation.

asphalt mixtures; water damage; cohesion; internal friction angle

2016-09-26

*中国博士后科学基金项目(2013M541666)、江苏省博士后科研资助计划项目(1302138C)资助

U416.217

10.3963/j.issn.2095-3844.2016.06.005

徐渊(1991—)：男，硕士生，主要研究领域为路面工程