基于CT扫描的沥青混凝土冻融耐久性研究

郭培达

(湖北交投高速公路运营集团有限公司，武汉 430074)

沥青混凝土路面和水泥混凝土路面是两种典型的路面类型[1]，前者因具有行车舒适、噪音小、易于养护和维修等一些优势而在我国公路建设中被广泛采用，尤其是在高等级公路面层的建设中，90%以上均采用沥青混凝土路面。但公路的面层不仅直接与行车荷载接触，而且也暴露于环境中，同时受到温度、水分等多种环境因素的作用，因此，研究公路面层在单因素或者多种因素共同作用下的破坏过程对于揭示沥青混凝土路面的耐久性特征具有重要的意义[2]。例如沥青混凝土路面的冻融循环破坏就同时涉及到温度和水分两种因素的作用[3]。

在沥青混凝土中，集料主要形成嵌挤骨架提供承载力；而沥青则与填料和细集料的粉料部分形成沥青胶浆将骨架粘结成一个整体，使其具有较好的稳定性。对于沥青混凝土的冻融循环破坏过程，目前认可度比较高的结论是沥青胶浆和集料表面的粘附被破坏，包括两种形式：沥青胶浆内部的粘聚破坏以及沥青胶浆与集料粘结面的破坏[4]。因此，传统方法主要是从强度方面考虑沥青混凝土的抗冻融破坏性能，如以沥青混凝土马歇尔试件的劈裂强度在冻融前后的损失程度来反映沥青混凝土的抗冻融破坏能力。该方法虽然操作简便，但只是通过性能指标的变化间接反映了沥青混凝土的冻融耐久性，未能从结构方面直观揭示出沥青混凝土在冻融环境下的破坏过程。

冻融循环破坏不可缺少的介质是水，而进入到试件内部的水必然存在于空隙中，水的间歇性冻胀作用必然对沥青混凝土试件的空隙等构造产生影响。因此，该研究拟从沥青混凝土试件空隙在冻融循环破坏下的变化来直观揭示沥青混凝土结构尺度的破坏过程。通过采用工业CT分析沥青混凝土试件内部空隙特征，对比研究了小空隙的密集配沥青混凝土和大空隙的开级配沥青混凝土在冻融循环损伤下的空隙变化情况，揭示沥青混凝土试件初始空隙率大小对其冻融耐久性的影响。

1 原材料

沥青混凝土的原材料主要包括粗集料、细集料、填料和沥青。该研究中粗集料、细集料和填料均是通过破碎或粉磨石灰石获得的碎石、石屑和粉料，沥青选用SBS改性沥青。另外在开级配沥青混凝土中还需要使用纤维作为稳定剂。这主要是因为开级配沥青混凝土的空隙率一般超过18%，依靠大量使用粗集料颗粒形成高空隙率的骨架结构来实现。与密级配沥青混凝土中粗集料颗粒周围被细集料及沥青胶浆包围的情况不同，开级配沥青混凝土中粗集料颗粒表面仅有部分区域与其他颗粒依靠沥青胶浆的作用粘结在一起，如图1所示。因而，开级配沥青混凝土中集料与沥青胶浆的作用要弱于密集配沥青混凝土。所以在开级配沥青混凝土中采用了纤维进行增强，该研究中选用聚酯纤维。按照《公路工程集料试验规程》[5]对石灰石集料及填料的性能指标进行测试，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[6]对SBS改性沥青的性能指标进行测试。结果表明，该研究所选原材料的性能指标符合《公路沥青路面施工技术规范》[7]的使用要求。

2 试验方法

按照马歇尔设计方法设计密集配沥青混凝土(AC-16)和开级配沥青混凝土(OGFC-16)，确定集料、填料和SBS改性沥青等原材料在两类沥青混凝土中的掺量，前者设计空隙率为4%～6%，后者则为18%～22%。按照设计结果采用马歇尔击实仪制备沥青混凝土击实试件，马歇尔击实试件的尺寸符合《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》要求(直径101.6 mm、高63.5 mm±1.3 mm)。

采用CT设备分析沥青混凝土试件内部结构时，是对试件进行逐层扫描后再重构的结果。CT图像的明暗特征与被扫描试样内物质的密度有关，不同密度的物质呈现不同的灰度值，因而得以在CT图像下将试件内部不同的物质及结构区分开。以典型的开级配沥青混凝土试件为例进行说明。如图2所示，沿马歇尔试件高度方向自上而下进行逐层扫描。扫描图像显示，集料、沥青胶浆和空隙呈现不同的颜色：集料为灰白色，沥青胶浆为深灰色，而空隙则显示为黑色。这说明密度越大的物质呈现越亮的颜色。增强处理后的CT扫描图更加直观展现了空隙、集料和沥青胶浆三种成分或结构。逐层获取CT扫描图后，通过图像分析软件计算每层空隙面积所占的比例，即可获得沿试件高度方向的空隙率曲线，进而分析试件在冻融破坏前后空隙的变化情况，确定不同类型沥青混凝土的冻融耐久性。

3 结果与讨论

通常在研究沥青混凝土试件的空隙率时，主要通过测试试件的密度再计算其平均空隙率来进行。对两种不同级配沥青混凝土的马歇尔试件进行大量CT扫描分析后发现，不管是密集配沥青混凝土还是开级配沥青混凝土，空隙在试件内部并非呈现均匀分布。如图3所示，对于密集配沥青混凝土，沿马歇尔试件高度方向空隙率波动显著，尤其对于高度在10 mm以下的部分。而空隙率沿开级配马歇尔试件高度方向的变化则更加剧烈，尤其是靠近试件上下两个端面的部分，空隙率接近28%。这主要有两个方面的原因，一是开级配沥青混凝土的设计空隙率本来就大，对于小尺寸的马歇尔试件，其空隙率的不均匀性会更明显；另一方面，与试件内部集料颗粒嵌挤、沥青胶浆填充不同，试件上下端面主要是粗集料颗粒外凸的轮廓点形成的，构造深度大。因而上下表面区域空隙率相比试件内部更大。

因此，对于击实成型的沥青混凝土试件而言，内部空隙率是变化的，而基于密度计算获得的平均空隙率则不能反映出试件内部空隙率的这一特征。这也间接表明该研究采用CT技术分析马歇尔试件空隙这一方法的科学性所在：直观揭示试件内部空隙真实状态的同时，以空隙的变化为参考从结构层面确定沥青混凝土的冻融耐久性。

密集配和开级配沥青混凝土马歇尔试件冻融循环破坏后的空隙率变化情况分别如图4和图5所示。可见两种沥青混凝土的空隙率在冻融循环破坏中均发生了显著的变化，总体上朝着更大空隙率的方向发展，尤其在高冻融循环次数下，两种马歇尔试件的空隙率分布特征完全不同于试件的初始状态，这说明空隙对于冻融循环破坏非常敏感。且两种马歇尔试件空隙率在冻融循环破坏下也呈现出不一样的变化规律。具体来看，图4显示，对于密集配沥青混凝土，在冻融循环破坏早期，试件两端空隙率变化较中部区域(高度20～45 mm)剧烈，这说明试件两端受到的冻融破坏更严重。这主要是因为进入试件两端部的水分继续渗入试件深层区域的能力弱，端部水分的冻胀作用使该区域空隙变大。这也暗示在实际密集配沥青路面中，冻融破坏始于路面的表层区域。随着冻融程度的加大，试件中部区域空隙率的增加也变得明显，最小空隙率也从3%以下升高至5%左右(30 mm层位)。这主要是因为持续的冻胀破坏使得试件两端空隙率进一步变大，水分更容易往深层渗入，因而造成中部区域空隙率的升高。因此，密集配沥青混凝土在冻融循环下的破坏是从试件外部向内部逐渐发展的过程。

开级配沥青混凝土马歇尔试件空隙率在冻融循环破坏下的变化与密集配马歇尔试件区别甚大。图5显示，即使在冻融循环破坏早期，试件内部空隙在高度方向上就整体发生了较剧烈的变化。这说明不同于密集配沥青混凝土，开级配试件在冻融初期就伴随全尺寸的破坏。这主要是因为开级配试件空隙率大，主要由粗集料嵌挤形成的间隙相互间连通，水分容易进入试件内部，因而试件内部不同区域同时发生了冻胀破坏。另外图5还显示出一个非常特殊的现象，冻融循环破坏后的试件空隙率曲线与试件初始空隙率曲线存在多处相交的情况。这说明在开级配试件内部不同层位的空隙率并非随着冻融循环次数的增加而持续增大，相反，某些层位所在的区域空隙率比其初始值还要小。表明在开级配马歇尔试件内部同时具有空隙扩大和压缩两种效应。这主要是因为参与嵌挤形成空隙的粗集料颗粒尺寸较大，水平方向和竖直方向均存在一定的跨度，在冻融循环破坏过程中，水的冻胀作用迫使颗粒调整位置，如发生一定角度的旋转。因而某些层位空隙的扩张就可能带来连锁反应，导致临近区域其他层位空隙的压缩。随着冻融循环次数的进一步增加，空隙被压缩的现象逐渐消失，试件空隙在高度方向上整体都呈现出不同程度地上升。上述分析表明，开级配沥青混凝土在冻融循环过程中，更多的是骨架结构的调整，因而以结构破坏为主。另外，从密集配马歇尔试件冻融循环破坏后的CT图中几乎观察不到空隙被压缩的现象。这都说明开级配沥青混凝土冻融耐久性要弱于密集配沥青混凝土。

4 结 论

采用CT扫描技术分析了密集配和开级配沥青混凝土两类试件内部空隙率分布特征及其在冻融循环破坏下的变化情况，揭示初始空隙率对沥青混凝土冻融耐久性的影响。结果表明，不管是密集配还是开级配沥青混凝土，试件内部空隙率呈现不均匀分布；密集配沥青混凝土冻融环境下的破坏是从试件外部向内部逐渐发展的过程；开级配沥青混凝土在冻融环境下以试件内部的结构破坏为主。说明大空隙的沥青混凝土冻融耐久性差。