离析对湿热地区沥青混合料长期水稳定性的影响

2022-04-20杨智敏曾国鹏郭寅川毛松纯

硅酸盐通报 2022年3期

杨智敏，曾国鹏，郭寅川，肖葳，毛松纯，牟戈

(1.嘉兴市交通工程质量安全服务中心，嘉兴 314000；2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，西安 710064)

0 引言

沥青路面具有良好的连续性、平整性，以及优异的路用性能，是我国高速公路路面的主要形式[1]。离析[2]是沥青路面常见的一种质量缺陷，即不同粒径的集料在沥青混合料中分布不均匀，混合料在拌和、运输以及摊铺过程中都可能存在离析现象。离析主要分为级配离析和温度离析，级配离析是指粗、细集料分布不均匀，温度离析则是指摊铺、碾压温度不均匀[3-4]。离析的存在使得碾压成型后的沥青路面整体均匀性受损，从而降低了沥青混合料的路用性能[5-6]，导致沥青路面早期病害频繁出现[7-9]。

沥青路面的早期破坏[10]与离析对沥青混合料水稳定性有重要影响，学者们就离析对沥青混合料的水稳定性的影响已展开一定程度的研究。姜旺恒等[11]通过模拟动水压力试验研究了沥青混合料的抗水损害能力，结果显示级配离析使混合料的劈裂强度损失了30%。韩冷[12]分别采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验研究了混合料的水稳定性，发现粗集料离析对混合料的水稳定性有衰减作用，细集料离析则有提升作用。张争奇等[13]通过试验也得到了同样的结果，原因在于细集料离析增大了集料的比表面积和结构沥青的比重，提高了沥青与集料间的黏聚力；粗集料离析则会使混合料内部空隙率增大，集料的比表面积减小，结构沥青比重下降，集料与沥青的黏附性降低，从而降低混合料的水稳定性。然而在上述的离析对水稳定性研究中，并未考虑实际工程的气候条件。对于降水与高温交替存在的湿热地区，水对混合料的作用形式为干湿循环，研究干湿循环对沥青混合料水稳定性的影响具有重要意义。因此本文基于湿热地区的气候条件，以干湿循环为试验变量，分别设置级配离析和温度离析，研究不同离析状况对沥青混合料长期水稳定性的影响。

1 实验

1.1 级配离析类型

为了模拟实际工程中不同的级配离析状况，本文依托杭州湾大桥北接线(二期)公路工程确定了级配A。参考《季冻区沥青混合料离析测评、预防与控制关键技术研究》相关成果[14]，借助计算机进行矿料级配设计，将4.75 mm筛孔的通过率偏差控制在2.5%～3.0%，使合成级配曲线尽量在生产配比曲线的上方，由此得到细集料离析(B)的合成级配；0.075 mm筛孔的通过率偏差控制在-0.5%～-1.0%，2.36 mm、4.75 mm筛孔的通过率偏差控制在-1.5%～-3.0%，尽量使13.2 mm和9.5 mm筛孔的通过率偏差小于-2.0%，由此得到轻微离析(C)的合成级配；0.075 mm筛孔的通过率偏差控制在-1.0%～-2.0%，2.36 mm、4.75 mm筛孔的通过率偏差控制在-1.5%～-3.0%，尽量使13.2 mm和9.5 mm筛孔的通过率偏差小于-3.0%，由此得到中度离析(D)的合成级配；0.075 mm筛孔的通过率偏差控制在-2.0%～-3.0%，2.36 mm、4.75 mm筛孔的通过率偏差控制在-3.0%～-4.0%，尽量使13.2 mm和9.5 mm筛孔的通过率偏差小于-4.0%～-5.0%，由此得到重度离析(E)的合成级配。表1为最终合成的不同离析类型的沥青混合料级配。

表1 不同离析类型的沥青混合料级配

1.2 温度离析类型

为了研究干湿循环状态下温度离析对沥青混合料长期水稳定性的影响，制作4种不同成型温度的沥青混合料试件，击实成型温度分别为170 ℃、155 ℃、140 ℃、125 ℃。

1.3 试验条件

干湿循环条件既可以模拟湿热地区高温与降水循环出现的场景，又能够使水与沥青膜充分接触，因此采用干湿循环试验来研究离析对沥青混合料长期水稳定性的影响。采用(60±0.5) ℃流动水浴来模拟潮湿环境，室温自然风干模拟干燥环境，通过观察浙江省嘉善县路面，发现雨后潮湿时间与干燥时间的比例接近1 ∶5，因此粗略地将试验的潮湿时间与干燥时间比例定为1 ∶5。相关研究[15]表明，当沥青混合料水浴2 h后，水分已经充分进入混合料的空隙。为了方便试验，本文共设定1次、3次、6次、8次、10次干湿循环为试验周期。

1.4 试验方法及测试参数

为了研究干湿循环状态下离析对长期水稳定性的影响，制作5种不同类型级配的沥青混合料试件共54个，将其平均分为3组，每组18个试件，编号为1～18。其中每组的1～6号试件60 ℃水浴0.5 h，用于测试马歇尔稳定度；7～12号试件用于测试不同干湿循环周期下的试件残留稳定度；13～18号试件用于测试干湿循环下的试件空隙率。

2 结果与讨论

2.1 干湿循环状态下级配离析对长期水稳定性的影响

2.1.1 干湿循环状态下空隙率的变化规律

通过排水法测试沥青混合料的空隙率，得到不同级配的沥青混合料在干湿循环作用下的空隙率，结果如图1所示。

由图1可知，细集料离析的沥青混合料空隙率整体最低，重度离析下的空隙率整体最高，在同一干湿循环作用周期后，沥青混合料的空隙率排序为：细集料离析(B)<无离析(A)<轻度离析(C)<中度离析(D)<重度离析(E)。其中细集料离析相比于无离析时的空隙率减少了约1个百分点，轻度离析与无离析相比增加了1个百分点左右，中度离析相较于无离析时的空隙率也增加了约1.5个百分点，重度离析下的空隙率相对于无离析时增加了近2个百分点，说明随着离析程度的增加，其空隙率的变化也越大。随着干湿循环次数的增加，各种离析程度下的沥青混合料的空隙率都相应增加，其中细集料离析与重度离析时均增加了0.34%，无离析时增加了0.17%，轻度离析时增加了0.22%，中度离析时增加了0.19%。空隙率增加的最大值仅为0.34%，结果表明干湿循环次数对沥青混合料空隙率增加的幅度有限。

图1 干湿循环作用下的不同级配离析状态的沥青混合料空隙率

2.1.2 干湿循环状态下混合料稳定度的衰减规律

通过马歇尔稳定度仪测试不同级配的沥青混合料在干湿循环作用下的马歇尔稳定度，结果如图2所示。

图2 干湿循环下不同级配离析状态的沥青混合料的马歇尔稳定度

由图2可知，在初始状态下，即未进行干湿循环作用时，当沥青混合料发生细集料离析，其马歇尔稳定度值最大，主要原因在于级配偏细，细集料偏多，油石比增大，空隙率变小，沥青与集料之间的黏结力增大，集料不易剥落，从而抗水害能力有所增强[16]。相对而言，除细集料离析外，其他级配离析的混合料马歇尔稳定度都比无离析的要低，其中轻度离析与中度离析下降较小，分别下降了11.1%、23.7%，降幅最大的是重度离析，其马歇尔稳定度比无离析状态降低了近44.2%。随着干湿循环试验的进行，各离析程度的沥青混合料的马歇尔稳定度都有所下降，在前6次干湿循环作用下马歇尔稳定度呈快速下降的趋势，而第6～10次干湿循环状态下的马歇尔稳定度下降较为缓慢，其中第8次与第10次干湿循环后的马歇尔稳定度相差较小，下降幅度仅介于0.15～0.22个百分点之间。

计算每一次干湿循环后的残留稳定度发现，细集料离析的混合料在干湿循环状态下不易出现强度损耗，在第10次干湿循环后，其仍有87.8%的残留稳定度；而对于重度离析的混合料，第1次干湿循环后仅剩余79.8%的残留稳定度，在第10次干湿循环后，残留稳定度下降到67.4%；与无离析的混合料相比，轻度离析的混合料的残留稳定度下降幅度并不明显，第10次干湿循环后其残留稳定度与无离析状态的差值仅为3.48%;中度离析条件下的沥青混合料残留稳定度有小幅度的下降。为深入研究沥青混合料水稳定性的衰减规律，确定干湿循环作用对混合料水稳定性的影响程度，采用非线性拟合法对不同干湿循环周期下的沥青混合料残留稳定度进行拟合，拟合得到各级配离析状态下沥青混合料的残留稳定度的衰减曲线(见图3)。

图3 不同级配离析状态下沥青混合料残留稳定度的衰减曲线

由图3可得，随着干湿循环次数的增加，混合料的残留稳定度整体呈下降趋势，且下降的速度先快后趋于缓慢。这种变化的产生与水对沥青膜的侵蚀过程有关，当外界水进入到沥青混合料内部后，在汽车荷载的作用下产生动水压力，在动水压力作用下，水与沥青膜发生置换、乳化等作用[17]，导致沥青与集料的黏附性快速降低，当作用至一定程度后，其降低黏附性的能力开始衰退。因此推测，无论沥青混合料是否存在离析，干湿循环对沥青混合料的作用效果存在转折点，即干湿循环前期对混合料残留稳定度的作用显著，在达到转折点后，作用效果逐渐变得缓慢。为了确定转折点的位置，将图3进行拆分，绘制如图4所示的干湿循环作用下各级配类型的沥青混合料残留稳定度拟合曲线。

图4 不同级配离析类型的沥青混合料残留稳定度拟合曲线

沥青与水接触发生置换、乳化反应后黏结性降低的程度是一定的，所以，混合料前期的残留稳定度下降速度越缓慢，就越能延后干湿循环作用发生衰退的时间，从而使混合料抵抗干湿循环侵蚀的能力增强，其水稳定性也越好。如图4所示，细集料离析的混合料在第6次干湿循环之后出现残留稳定度的下降转折点；无离析的混合料在试验过程中出现转折点的干湿循环作用次数为6次；随着离析程度的加重，出现转折点的干湿循环次数也在降低，观察图4(e)，重度离析的混合料在第5次干湿循环就开始出现残留稳定度的下降转折点。

出现这种现象的主要原因在于，在前期的潮湿环境中，水分移动和渗透效果一般，水分主要吸附于液态水易到达的区域。当试件从潮湿环境转换到干燥环境时，进入混合料内部的水分蒸发汽化，将混合料浅层的水分带入更深的区域，且发生离析的程度越严重，水分进入的区域也更深，沥青膜也更容易受到水分的渗透与剥蚀，因而出现了随着离析程度加重，混合料残留稳定度的下降转折点逐渐前移的现象。

2.2 干湿循环状态下温度离析对长期水稳定性的影响

2.2.1 干湿循环状态下空隙率变化规律

通过排水法测试沥青混合料的空隙率，得到干湿循环作用下的不同击实温度下的沥青混合料空隙率，结果如图5所示。

图5 干湿循环状态下的不同击实温度的沥青混合料的空隙率

由图5可得，随着温度降低，沥青混合料不易被击实成型，沥青混合料的空隙率相应增加。在干湿循环状态下，击实温度越高的混合料空隙率增加幅度越小，击实温度越低的混合料空隙率增加的幅度相对较大。其中在125 ℃下击实的混合料的空隙率增加幅度尤为明显，第10次干湿循环下的空隙率要比初始空隙率高出0.33个百分点，相比较而言，170 ℃下击实的空隙率仅高出0.13个百分点，表明击实温度越低的沥青混合料越容易受到干湿循环的影响。在125 ℃击实成型的沥青混合料，其空隙率相比于155 ℃时增加了近1.7个百分点；击实温度为140 ℃的沥青混合料与155 ℃时相比，其空隙率增加不到1个百分点；155 ℃击实成型的混合料与170 ℃相比，其空隙率增加不到1个百分点。因此，在进行施工时，应保证沥青混合料的压实温度与规范一致。

2.2.2 干湿循环状态下稳定度衰减规律

通过马歇尔稳定度仪测试不同击实温度下的沥青混合料在干湿循环作用下的马歇尔稳定度，结果如图6所示。

由图6可知，在未进行干湿循环试验时，随着击实温度的下降，混合料的马歇尔稳定度也随之下降，155 ℃时下降了约17.6%，140 ℃时下降了约24.6%，降幅最大的是125 ℃，其马歇尔稳定度比170 ℃下击实的混合料约低37.1%。随着干湿循环试验的进行，各击实温度下的混合料的马歇尔稳定度都有所下降，前6次干湿循环状态下的马歇尔稳定度呈快速下降趋势，而第6～10次干湿循环状态下的马歇尔稳定度下降速度较为缓慢，第8次与第10次干湿循环的后的马歇尔稳定度相差较小，下降幅度介于0.02～0.09 kN，远低于因级配离析而导致的下降幅度。通过计算每一次干湿循环后的残留稳定度发现：无离析的混合料在干湿循环下最不易出现强度损耗，在第10次干湿循环后，仍有82.8%的残留稳定度；当击实温度为155 ℃时，其残留稳定度下降较小，在第10次干湿循环后，还有80.8%的残留稳定度；在140 ℃下，混合料的残留稳定度下降较大，经过10次干湿循环后，残留稳定度下降到74.2%；在125 ℃下击实的混合料更容易出现大幅度的强度损耗，在第1次干湿循环后只剩余79.6%的残留稳定度，第10次干湿循环后的残留稳定度下降到69.2%。

图6 干湿循环下的不同击实温度的沥青混合料的马歇尔稳定度

同理，使用幂函数y=a·xb对不同击实温度下的沥青混合料的残留稳定度和干湿循环作用数据进行拟合与回归分析，最终的拟合曲线如图7所示。

图7 不同击实温度下的沥青混合料残留稳定度的衰减曲线

由图7可知，温度离析的混合料强度的衰减曲线与上述级配离析的混合料的强度衰减规律类似。在干湿循环前期，沥青混合料的残留稳定度一直在下降，而且降低的幅度较大；到干湿循环试验后期，残留稳定度的降低幅度逐渐变小并且降低速度也逐渐变缓。因此同样推测，干湿循环试验对温度离析沥青混合料的作用效果也存在转折点。为了确定转折点的位置，绘制不同击实温度下的沥青混合料的残留稳定度拟合曲线，如图8所示。

图8 不同击实温度下的沥青混合料残留稳定度拟合曲线

由图8可知：未发生温度离析的混合料在第6次干湿循环试验后出现残留稳定度的下降转折点；随着温度下降，155 ℃和140 ℃下的混合料出现转折点的干湿循环次数逐渐前移，125 ℃击实温度下的混合料在第5次干湿循环试验时出现残留稳定度的下降转折点。这是由于混合料发生温度离析后，不易被压实，混合料内部的孔隙增大，水分更容易进入混合料的内部，沥青膜更容易受到水分的渗透与剥落，使得沥青和集料的黏附性大大降低，混合料前期残留稳定度的下降速度增加，干湿循环作用发生衰退的时间提前，混合料抵抗干湿循环作用的能力减弱，最终出现了随着温度离析程度加重，转折点前移的现象。