冻融循环作用下沥青混合料渗透性能的研究

2020-02-27焦华丽

江西建材 2020年1期

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%。