寒区大空隙沥青混合料性能衍化效应研究

徐俊鹏,郑传峰,包崇昊,宋振丰,罗海松

(1. 吉林大学 建设工程学院,吉林 长春 130012; 2. 吉林大学 交通学院,吉林 长春 130025)

0 引 言

大空隙沥青混合料因其良好的排水、抗滑和降噪等优点,已成为我国多功能路面以及“海绵型城市”建设的关注热点[1]。当该路面在我国寒区应用时,除考虑常规车轮行驶引起的动水冲刷和颗粒堵塞等损伤影响外[2-5],冬季极端的冰晶体冻胀损伤也是大空隙沥青混合料路用性研究须考虑的因素。

车轮碾压以及融雪剂的大量使用,会使冬季北方路面长期处于高含水状态,随着自由水的不断扩散浸入,沥青混合料的孔隙内部逐渐被水充满,在车辆荷载的泵送作用下形成动水压力,对黏结层产生冲刷侵蚀,破坏沥青混合料的整体稳定性。杜生翔[6]曾通过动水冲刷试验对OGFC-13损伤规律进行了研究,结果表明动水冲刷会降低沥青混合料的水稳定性,试件的马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均随动水压力和作用时间的增大而减小;XU Huining 等[7-8]利用X射线量化了动水作用前后的空隙分布规律,阐述了空隙特征与路面渗透性之间的内在联系,发现冻融循环会加剧水分进入基体内部,使冲刷作用更加明显。徐洪跃[9]通过宏观试验对比分析了PAC-10和PAC-13透水沥青混合料的低温性能和水稳定性等路用性能,结果发现随着粗集料的增多,同种透水沥青混合料的水稳定性和低温性能降低。

在车轮的扰动与强大的动态水压冲刷下,特殊的空隙结构和较大的空隙数量,会使大空隙沥青混合料的堵塞损伤远大于传统密级配沥青混合料路面。D.M.WILLIAM等[10]以级配砂为堵塞材料,利用变水头装置对10种不同类型的OGFC的堵塞特性进行了分析,发现级配与多孔路面的宏观构造深度和堵塞前后的渗透性密切相关;赵晓亮等[11]在OGFC型沥青混合料的堵塞研究中指出0.3～0.6 mm的颗粒对渗流影响最大,小于0.3 mm的颗粒容易通过连通空隙自由流出,不会造成大范围连通空隙的堵塞。

随着白天自由水分的不断渗流迁移,当夜间基体温度下降至冻结温度以下时,混合料内部的水分就会冻结成冰,体积增大9%,产生推动周围物体的冻胀力。该冻胀力会在水分的迁移与正负温度的循环作用下反复作用,当累积冻胀损伤超过沥青混合料的自身抗力时,路面便会出现松散掉渣现象。很多学者也开始从内部细观结果上对冰晶体的冻胀损伤规律展开研究分析,WU Shuyin等[12]采用X射线和压汞法研究了含盐量、浸泡时间和冻融循环对空隙特征的影响,发现空隙率随含盐量、水浴时间和冻融次数的增加而增加;王文盛[13]和JI Jie等[14]利用X射线扫描技术对冻融循环前后的沥青混合料进行了研究,发现空隙率会随冻融次数增加而增加,影响路面在整个服役过程中的受力特性。

综上,既有研究多以常规服役环境为背景,对动水冲刷、颗粒堵塞以及冻胀等单一因素影响下的大空隙沥青混合料损伤规律展开研究分析。对于寒区服役环境下的多因素完整性系统损伤规律研究还很少。因此,笔者以寒区路面实际服役环境为例,采用宏细观相结合的方法对3种不同空隙率(20%、23%和25%)下的OGFC-13和OGFC-16进行性能和细观空隙结构特性研究。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验所用沥青结合料由90#基质沥青添加SBS改性而成,SBS掺量确为沥青质量的5%,改性沥青指标如表1。为提高沥青胶浆与集料之间的界面黏附性,试验采用S95级优质石灰岩矿粉作为填料。

表1 沥青的技术指标

笔者通过前期基础试验得到了满足要求的OGFC-13和OGFC-16最佳配比,并以13-I～16-III试验编号来表示不同设计空隙率对应的级配类型。具体配比见文献[15]。

1.2 寒区宏观损伤试验模拟

1.2.1 动水冲刷试验

为使损伤结果更加贴近实际动态冲刷过程,以文献[16]中的路面实测值为实验室模拟器的设置参数。20、40、60、80 km/h的车速对应的动水压力分别为34、161、210、324 kPa。试验温度设置为60 ℃保持20 h,以模拟静态水分对沥青黏结面长期侵蚀乳化作用。采用试验车速进行0、900、1 800、2 700、3 600次的循环模拟。

1.2.2 颗粒堵塞试验

为准确模拟大空隙沥青混合料在寒区服役环境下的空隙堵塞情况,以文献[17]中长春市路面堵塞物数据进行堵塞物级配设计,如图1。考虑到主干道路面堵塞物的覆盖密度(110 g/m2)和该地区的年平均降水量,将堵塞材料与水按质量比1∶1 000配制成浑浊液,实验中渗流时长为10 min。设备采用15 cm常水头渗水装置。此外,为保证堵塞剂在试件内竖直方向单向流通,利用橡胶套包裹试件侧壁,并以轻质黏土填充试件顶部、底部与透水仪管壁之间的缝隙。

图1 堵塞物的级配曲线Fig. 1 Grading curve of blockage

1.2.3 低温冻胀试验

以长春冬季冻融时长为参考,进行大空隙沥青混合料冻融循环的试验设计。单次冻融循环步骤为:①对制备好的试件进行真空饱水处理;②16 h低温-20 ℃的冻胀模拟;③8 h高温60 ℃的融解模拟。试验共进行0、3、6、9、12、15、18、21次冻融循环,循环完成后进行强度试验,取4个平行试验的平均值。

1.3 细观图像的采集与处理

通过对CT扫描图像的对比分析,扫描电压为130 kV,电流为120 mA,扫描间距为0.6 mm。考虑到图像的总体数量和每幅图片的特点,采用IPP图像处理技术来对CT扫描图像进行降噪、增强和分割处理。首先,将图像转化为灰度值在0～255之间的8 bit灰度图,用于区分混合料内部骨料和空隙。再利用软件提供的中值滤波法对图像传输过程中的噪点进行处理。最后,对图像二值化处理,进一步提高数据的提取精度,降低计算量。

1.4 试验数据的分析和处理

1.4.1 冻融损伤度

损伤度D是沥青混合料损伤常用参数,计算如式(1):

(1)

式中:E0为OGFC样本试件试件冻融前劈裂强度;En为OGFC样本试件n次冻融后劈裂强度。

D=0时,表示样本试件完好无损,D=100时,表示试件完全丧失承载能力。

1.4.2 空隙率

空隙率作为大空隙路面研究、设计和施工时的必测项目,是混合料排水降噪能力和耐久性好坏等能力的定量评判标准。二维平面内基体内部空隙率计算如式(2):

(2)

式中:VV为每个横切面的空隙率;∑Si为横切面内所有空隙面积的总和;S为横切面面积。

1.4.3 空隙直径

空隙直径是空隙定量分析中代表材料内部空隙的名义直径。通过修正将复杂的空隙形态转化为横截面为圆形的当量圆,用等效直径来区分截面上的空隙大小,计算如式(3):

(3)

式中:Di为修正后的等效直径;Si为单个空隙面积。

2 结果分析与讨论

2.1 宏观特性分析

2.1.1 初始状态下的低温性能

低温抗裂性和耐久性往往是寒区沥青混合料路面设计时的重点。两类大空隙沥青混合料初始状态时的低温(-10 ℃)性能如表2。

表2 大空隙沥青混合料初始状态下的宏观力学性能

由表2可知,OGFC混合料的E0、En、D均随空隙率的增加明显下降。此外,随着设计空隙率的增大,OGFC-13和OGFC-16混合料的最终破坏应变和劲度模量均呈降低趋势。在设计空隙率相同的情况下,OGFC-16的弯曲劲度模量要略小于OGFC-13,对应破坏应变的排序则正好相反。这是因为大粒径粗集料含量增大,骨料比表面积减小,起胶凝作用的沥青用量也相应减小,导致其低温弯曲变形能力出现差异。

2.1.2 动水冲刷试验

动水冲刷后的劈裂强度变化如图2,渗透系数如图3。

图2 冲刷后的劈裂强度变化Fig. 2 Changes in splitting strength after erosion

图3 冲刷之后的渗透系数Fig. 3 Permeability coefficient after erosion

从图2来看,随着动态水压冲刷次数的增加,OGFC-13和OGFC-16劈裂强度均呈一定的下降趋势。其中,13-II和16-II的降幅最小,13-I和16-I次之,13-III和16-III的降幅最大。可以看出相较于冲刷带来的影响,空隙率的大小、骨料级配以及胶凝材料用量等因素仍是影响大空隙沥青混合料强度的主要因素。以损伤程度最为明显的80 km/h车速为例进行说明,与初始强度相比,经过3 600次冲刷后,13-III和16-III两组试件的强度降幅分别达到了30%和40%。因此,大空隙沥青混合料虽然具备很好的排水能力,但强烈的动态水压冲刷会使骨料表面的沥青膜剥落,降低混合料在低温环境下的劈裂强度。

从图3来看,在车速和冲刷次数双重因素的作用下,试件的渗透系数均随空隙率的增加而增加。其中,13-III和16-III渗透系数的最大值有向小冲刷次数方向移动的趋势。这是因为大空隙率试件的油石比较小,长期的冲刷使细集料或沥青剥落堵塞空隙造成的。从级配组成来看,OGFC-13的渗透系数要略小于OGFC-16。说明在空隙含量相同的情况下,大粒径骨料咬合形成的空隙结构更有利于水分的自由通过。

2.1.3 颗粒堵塞试验

经颗粒堵塞试验后,混合料的渗透系数如图4,空隙率与劈裂强度变化规律如图5。

图4 沥青混合料的渗透系数Fig. 4 Permeability coefficient of asphalt mixture

图5 堵塞后的空隙率与劈裂强度变化规律Fig. 5 Variation law of porosity and splitting strength after blockage

从试验后的试件可见,小粒径的堵塞材料会更容易进入空隙内部,大粒径材料受自身尺寸以及空隙结构的影响,主要集中在试件表面的大空隙内。

与堵塞前的渗透系数相比,混合料堵塞后的渗透系数均小于0.06 cm/s,且OGFC-13的渗透性要略大于OGFC-16的渗透性。这是因为OGFC-16堵塞前的渗透性大于OGFC-13,在相同的堵塞时长下,堵塞物进入基体内部的数量更多,所以堵塞后的渗透系数更小。在图4中,OGFC-13型沥青混合料的渗透系数随空隙率的增加而增加,说明大空隙率的沥青混合料在吸收更多的堵塞剂后仍具有较强的渗透性。OGFC-16型沥青混合料的渗透系数呈先降低后上升的趋势发展。

从图5可知, OGFC-13和OGFC-16的内部空隙率在10 min极端堵塞环境下的发展趋势相一致,均随设计空隙率的增加而增加。与堵塞前的空隙含量相比,堵塞后的空隙衰减明显。相同空隙率下,OGFC-13的空隙衰减速率要小于OGFC-16。这是因为小粒径的骨料之间形成的空隙结构更小,阻碍了堵塞物向基体内部的进一步侵入。在低温劈裂强度中,图5所示强度数值与图2中80 km/h车速下冲刷3 600次的试验结果相差较小,说明颗粒堵塞会严重降低大空隙沥青混合料的渗透性能,但对强度影响较小。

2.1.4 冻融循环试验

以损伤度为指标,给出了两类沥青混合料冻融循环试验后的损伤结果如图6,图中线条为拟合曲线。

图6 大空隙沥青混合料损伤度变化规律Fig. 6 Change law of damage degree of large-void asphalt mixture

从图6看到,混合料的损伤度随冻融循环次数的增加而增加。除16-III外其余试验组的损伤度增长速率在冻融次数大于15次后略有减缓,且在15次冻胀变形稳定后,两种粒径混合料的损伤度发展规律大致相同。除去油石比非常小的16-III试验组的结果,冻融循环21次后,OGFC-13的损伤度范围在0.96%～31.73%之间,略小于OGFC-16的5.88%～36.13%,更适合寒区大空隙沥青混合料的建设使用。

在冻融循环后期,16-III的强度损失已达到50%以上,接近完全破坏。因此取前12次的冻融损伤结果进行分析,如表3。

表3 不同冻融循环次数下劈裂试验的应变与劲度模量(15 ℃)

由表3可知,在相同的级配类型下,大空隙沥青混合料的拉应变和劲度模量随冻融循环次数的增加分别呈不同的增大和减小趋势。12次冻融循环后,6组试件的拉伸应变明显增大,劲度模量明显减小。这是因为空隙率较大沥青混合料在进过多次的冰晶体冻胀损伤积累后,基体内部已经出现明显损伤,在变形量增加的同时荷载并不会增加。

2.2 细观空隙结构定量分析

2.2.1 空隙率的空间衍化规律

给出了原始、冲刷、堵塞和冻融4个状态下,试件内部沿试件高度方向上的空隙率变化结果如图7。

图7 空隙率变化趋势Fig. 7 Change trend of void fraction

从图7的变化趋势来看,空隙率在4种工况条件下的整体变化呈无规则的波动形式变化。具体来说,在原始结构中13-I～16-III上下波动的中值分别为19.20%、23.49%、24.92%、21.26%、20.08%和25.93%,与各个试件的实测空隙率较为接近。这也从印证了CT无损扫描定量分析的准确性。

试件在经过3 600次冲刷后,13-I～16-III的平均空隙率分别变为19.55%、24.42%、25.88%、20.05%、21.89%和24.50%,与原始状态的空隙率并无太大差别,而且冲刷前后的空隙率变化规律与宏观冲刷试验后的渗透系数变化一致,说明空隙率的细观定量分析与宏观试验相关性好。

相比与前两种工况,堵塞试验之后,13-I～16-III空隙率的波动中值分别降为11.20%、11.88%、13.12%、8.55%、10.93%和11.91%,为原始状态空隙率的50%左右,而且试件上部位置降幅要明显高于试件中下部。经冻融循环试验后,13-I～16-III的平均空隙率分别为23.5%、25.1%、26.8%、23.1%、24.3%和27.3%。比原始状态下的空隙含量略有增大。

2.2.2 空隙数量的空间衍化规律

为了更好的表述透水沥青试件内部空隙在不同工况下的变化规律,图8以细观数据空隙数量为关注点对试验结果进行了对比分析。

图8 空隙数量变化趋势Fig. 8 Change trend of void quantity

从所有试验组的整体分布来看,无论是原始状态、动态水压冲刷、堵塞还是冻融循环之后,试件中上部的空隙数量都要略大于试件中下部,这与文献[16]结果类似。而且堵塞后的空隙数量要明显大于堵塞前的空隙数量,这与空隙率分析中涉及到的空隙面积分布规律正好相反。从两个截然相反的变化趋势来看,大空隙沥青混合料在堵塞之后,空隙面积虽然大幅降低,但空隙数量却有所提升。说明每个截面上的空隙面积与空隙数量间不成正比。这是因为堵塞剂在进入空隙内部时,会在空隙变截面处沉积堵塞,把原本较大的空隙分割成尺寸较小的空隙。

2.2.3 空隙等效直径的空间衍化规律

通过对细观数据统计发现,空隙等效直径在所有级配类型中的分布具有很好的相似性。为了避免描述上的重复,仅对设计空隙率为23%的13-II为例进行了详细讨论。将大空隙沥青混合料试件内部空隙按等效圆直径的大小分为[0,0.3) mm、[0.3,1.18) mm、[1.18,4.75) mm、[4.75,13.2) mm、≥13.2 mm这5个区间范围,如图9。

图9 试件13-II的等效直径变化趋势Fig. 9 Change trend of equivalent diameter of specimen 13-II

从图9可见,13-II在原始状态和冲刷试验之后,等效直径虽然在5个区间范围内都有所分布,但空隙等效直径大小还是以1.18～4.75 mm范围内的分布为主,整体占比达到了50%以上,且沿试件高度方向的分布也相对均衡。

当试件经过10 min极端环境下的堵塞试验后,试件内部空隙开始向小尺寸的方向偏移,大于13.2 mm的空隙占比几乎为0。与此同时,受堵塞颗粒分布的影响,占主导地位的1.18～4.75 mm的空隙也主要集中在试件中下部。与前3种工况相比,试件在经过多次冻融循环后,1.18～4.75 mm范围内的空隙占比明显增大。这也解释了空隙数量减小的同时,空隙率增大原因。此外对其它试验组的试件来说,空隙级配的分布与13-II基本一致。在不同的工况条件下,试件内部的空隙大小均以1.18～4.75 mm尺寸分布为主。

3 结 论

研究采用宏细观相结合的方法,对寒区服役环境下的大空隙沥青混合料的性能和细观空隙结构特性进行了研究分析,并得出以下结论:

1)在冲刷试验中,大空隙沥青混合料的渗透性会随车速和冲刷次数的增加而增加。受空隙分布形态以及油石比大小的影响,设计空隙率为20%和23%的两组试件虽然在冲刷过程中空隙率波动变化较大,但试件整体强度降幅较小。而空隙率为25%的13-III和16-III两组试件强度降幅分别达到了30%和40%,并不适合寒区大空隙路面的建设使用。

2)在以寒区路面堵塞物为例的10 min极端堵塞试验中,大空隙沥青混合料内部最大的堵塞深度在20 mm左右。与堵塞试验前相比,堵塞之后的渗透系数虽然随设计空隙率的增加而增加,但堵塞后所有试验组的渗透系数不会超过0.06 cm/s。

3)在宏观冻融循环试验中,大空隙沥青混合料的内部空隙率会随冰晶体的反复冻胀而增大。两种粒径混合料的损伤度在冻融循环大于15次后趋于稳定。冻融循环21次后,OGFC-13的损伤度范围在0.96%～31.73%之间要略小于OGFC-16的5.88%～36.13%。随着冻融循环次数的增加,劈裂试验的应变和劲度模量分别呈明显的上升和下降趋势。

4)在细观结构定量分析中,冻融后的空隙率>冲刷后的空隙率>原始状态下的空隙率>堵塞后的空隙率,空隙数量的分布规律正好与之相反。在所有工况下,试件内部的空隙等效直径均以1.18～4.75 mm大小分布为主,约占空隙整体数量的50%。