基于不同浸水狀態(tài)的瀝青混凝土路面損害研究

秦康康 李根森

(1.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

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·道路·鐵路·

基于不同浸水狀態(tài)的瀝青混凝土路面損害研究

秦康康1,2李根森1,2

(1.蘭州大學(xué)西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000； 2.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

通過馬歇爾穩(wěn)定度及質(zhì)量損失率試驗(yàn)，分析道路在不同工況下的抗水損害能力及瀝青混凝土的破壞形式，試驗(yàn)結(jié)果表明，浸水狀態(tài)對路面破壞的影響為干濕循環(huán)大于無水；干濕循環(huán)對路面的破壞形式主要為細(xì)集料的磨損而產(chǎn)生的網(wǎng)裂。

瀝青混凝土，水損害，質(zhì)量損失率，馬歇爾穩(wěn)定度

0 引言

近年來，多個城市通過加強(qiáng)道路灑水的力度和頻率來改善市區(qū)空氣質(zhì)量取得了明顯效果，但與此同時也使得道路路面出現(xiàn)較以往年份更為嚴(yán)重的損害情況，主要表現(xiàn)為路面的網(wǎng)裂、松散、坑洞、唧漿[1]等，這種現(xiàn)象引發(fā)了筆者對瀝青混凝土路面水損害的思考。所謂瀝青混凝土路面水損害[2-5]，主要是指滲透入路面的自由水在溫度變化及車載負(fù)荷的作用下，逐步浸入瀝青與集料的界面上，導(dǎo)致瀝青膜從集料表面剝離以及集料之間的粘結(jié)力喪失而發(fā)生路面破壞的過程。水作用于路面的形式可以是飽水狀態(tài)，如降雨，也可以是干濕循環(huán)狀態(tài)，如反復(fù)灑水。

目前，我國主要采用瀝青混凝土馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)來檢驗(yàn)瀝青混凝土的水穩(wěn)定性，通過試驗(yàn)檢驗(yàn)瀝青混凝土受水損害時抵抗剝落的能力。李之達(dá)[6]等人使瀝青混凝土試塊分別處于無水和飽水狀態(tài)進(jìn)行單軸無反向應(yīng)力的軸向壓縮疲勞試驗(yàn)，了解無水和飽水狀態(tài)下瀝青混凝土面層的疲勞破壞現(xiàn)象；王法欣[7]對瀝青與集料的粘附性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)研究了不同油石比、不同擊實(shí)次數(shù)、不同瀝青類型、不同級配、老化和不同厚度對水穩(wěn)性的影響。以上文章只對試塊進(jìn)行無水與飽水試驗(yàn)，并未考慮到雨天、路面灑水、車輛行駛等實(shí)際路況。本文重點(diǎn)研究水對瀝青混凝土路面損壞的影響因素，考慮無水、干濕循環(huán)等工況，通過馬歇爾穩(wěn)定度及質(zhì)量損失率試驗(yàn)來研究道路的抗水損害的能力及瀝青混凝土的破壞形式。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試件準(zhǔn)備及試驗(yàn)過程

采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件圓柱體，規(guī)格為φ101.6 mm×(63.5 mm±1.3 mm)。瀝青混凝土型號為AC-10，該型號瀝青混凝土目前廣泛應(yīng)用于市區(qū)道路面層的鋪設(shè)。試驗(yàn)在溫度上分為當(dāng)?shù)厥彝獾乇頊囟?約25 ℃)和50 ℃(模擬夏天高溫情況)，在浸水狀態(tài)上分為無水、干濕循環(huán)，在碾壓循環(huán)次數(shù)上設(shè)定為循環(huán)50次、循環(huán)100次、循環(huán)150次，共9組、36個試樣。每組試樣使用滾輪碾壓以模擬市區(qū)道路車輛行駛工況，滾輪碾壓500次視為碾壓循環(huán)1次。試驗(yàn)前需測量每個試塊初始質(zhì)量。無水組試樣經(jīng)滾輪碾壓后放入指定溫度恒溫箱，不做其他處理；干濕循環(huán)組試樣碾壓前進(jìn)行灑水，經(jīng)一次循環(huán)后試樣放入指定溫度恒溫箱中靜置至干燥。試塊每碾壓循環(huán)10次測量其質(zhì)量及觀察表面破損情況，根據(jù)質(zhì)量損失和馬歇爾穩(wěn)定度找出各工況因素對路面抗水損害的影響。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

1)質(zhì)量損失率。本試驗(yàn)各組試件的質(zhì)量損失為各組的4個平行試件的平均值。各組試件的質(zhì)量損失率見圖1。

由圖1中曲線分布可知，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的質(zhì)量損失率呈增大趨勢。無水試樣的質(zhì)量損失率曲線走向平緩，且25 ℃和50 ℃試樣質(zhì)量損失率都較小，均在1%以下；干濕循環(huán)試樣的質(zhì)量損失率均大于無水試樣，25 ℃試樣在循環(huán)150次后為無水試樣的17.9倍；50 ℃干濕循環(huán)試樣在循環(huán)90次以后呈緩慢上升趨勢，但25 ℃干濕循環(huán)試樣的質(zhì)量損失率上升趨勢較快，且明顯大于50 ℃干濕循環(huán)試樣，循環(huán)150次后質(zhì)量損失率分別為3.5%與2.5%。

2)馬歇爾穩(wěn)定度。圖2為馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)曲線，可以看出，無水試樣的馬歇爾穩(wěn)定度隨著試驗(yàn)次數(shù)的增加有較小的上升趨勢，且50 ℃試樣的馬歇爾穩(wěn)定度低于25 ℃試樣；干濕循環(huán)試樣的馬歇爾穩(wěn)定度均隨循環(huán)次數(shù)增加呈下降趨勢，循環(huán)次數(shù)對穩(wěn)定度影響顯著，在循環(huán)150次后干濕循環(huán)試樣馬歇爾穩(wěn)定度降至無水試樣的90%；50 ℃干濕循環(huán)試樣的馬歇爾穩(wěn)定度大于25 ℃試樣；對于同溫度下各試樣馬歇爾穩(wěn)定度為：無水試樣>干濕循環(huán)試樣。

3)試驗(yàn)結(jié)果及破壞形式分析。對于無水試樣，在試驗(yàn)過程中試樣表面沒有明顯的集料剝落，表現(xiàn)出較好的耐勞損性能，循環(huán)次數(shù)對試樣的破壞影響并不明顯，基本沒有質(zhì)量損失；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣表面出現(xiàn)不同程度的車轍現(xiàn)象(見圖3)，相應(yīng)的也使試樣產(chǎn)生了壓縮變形，使試樣的空隙率隨之減小，從而在馬歇爾試驗(yàn)中表現(xiàn)出同一組試樣，循環(huán)次數(shù)越高馬歇爾穩(wěn)定度越高的情況；溫度的增高會使瀝青軟化，故溫度越高，車轍現(xiàn)象越為明顯，50 ℃無水試樣的車轍明顯大于25 ℃試樣。

隨著循環(huán)次數(shù)的增加，干濕循環(huán)試樣表面出現(xiàn)縫隙且逐漸增大增多，部分試樣表面有露出白色粗集料的現(xiàn)象，這說明在干濕循環(huán)狀態(tài)下，水對試樣的損害主要是試樣表面瀝青粘聚力的降低，粘聚力的降低使得細(xì)集料更容易脫落，在滾輪的碾壓和摩擦作用下瀝青混凝土中的細(xì)集料被磨損并帶走，試樣表面的縫隙增大增多，形成網(wǎng)裂，這在城市道路的十字路口尤為明顯，剎車對路面的摩擦力在灑水的情況下對路面細(xì)集料的損失較其他路段更為嚴(yán)重；隨著循環(huán)次數(shù)的增大，細(xì)集料損失過多使縫隙逐漸連通，試樣表面出現(xiàn)肉眼可見的細(xì)小坑洞(見圖4)，質(zhì)量損失率呈逐步增加的規(guī)律也可以說明干濕循環(huán)狀態(tài)下質(zhì)量損失主要為細(xì)集料；從質(zhì)量損失率和馬歇爾穩(wěn)定度均能看出，干濕循環(huán)狀態(tài)對試樣的損壞大于無水試樣，在循環(huán)150次后干濕循環(huán)試樣的馬歇爾穩(wěn)定度降至無水試樣的90%；試驗(yàn)中觀察到50 ℃試樣在灑水后，表面的水分很快蒸發(fā)，使得水對瀝青混凝土的作用有所降低，所以，50 ℃試樣的質(zhì)量損失率小于25 ℃試樣，且50 ℃試樣的馬歇爾穩(wěn)定度大于25 ℃試樣。

2 瀝青混凝土路面水損害的影響因素分析

瀝青混凝土是由集料、瀝青和空隙構(gòu)成的典型的顆粒類復(fù)合材料。從體積結(jié)構(gòu)角度分析，瀝青混凝土中集料占絕大部分，約為混合料總體積的90%，其顆粒的自身強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其聯(lián)結(jié)強(qiáng)度，在外力作用下更容易發(fā)生顆粒間的相互錯位位移。

從以上試驗(yàn)中可知，影響瀝青混凝土路面面層水損害的主要因素有車流量、浸水狀態(tài)、溫度等。

1)車流量。瀝青混凝土路面在正常的情況下，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的車流量對路面損壞影響不大。在降水或人工灑水的情況下，車流量越大，路面受到的動態(tài)荷載越大，繼而產(chǎn)生更大的孔隙水壓力，使更多細(xì)集料從瀝青中剝落出來。當(dāng)車輛行駛速度較快時，車輪與路面發(fā)生相對速度很大的滾動，根據(jù)伯努利方程可知，速度越快接觸面處壓強(qiáng)越大，這時被剝落的細(xì)集料在大氣壓力作用下被車輪帶出路面，形成唧漿、坑洞等水損害現(xiàn)象。

2)浸水狀態(tài)。瀝青混凝土路面出現(xiàn)大量積水情況可視為飽水狀態(tài)，一般為降雨(也可能為管道跑水)；更多的情況是，路面面

層沒有完全飽水，比如頻繁灑水，只是表層被水附著呈濕潤狀態(tài)，使得路面面層上表面瀝青混凝土粘聚力降低。在車輪摩擦力作用下，路面面層瀝青混凝土出現(xiàn)磨損、掉粒，剝落的細(xì)集料被車輪帶出路面，產(chǎn)生網(wǎng)裂、坑洞現(xiàn)象。

3)溫度。瀝青材料對溫度是極其敏感的。由試驗(yàn)可知，浸水瀝青混凝土試樣在高溫情況下的水損害情況更為嚴(yán)重，因?yàn)楦邷貭顟B(tài)下，瀝青發(fā)生融化，瀝青混凝土結(jié)構(gòu)中瀝青和集料的粘結(jié)作用力變小，經(jīng)過車輪碾壓后變形也較大。而在路面經(jīng)常灑水的情況下，高溫可以讓表面附著的水更快的蒸發(fā)，相應(yīng)的常溫情況下水不能較快的蒸發(fā)因此增大了水對瀝青路面的侵蝕作用，一定程度上增大了路面水損害的程度。

3 結(jié)語

水作為危害瀝青混凝土路面的主要因素之一，大大加劇了瀝青混凝土路面面層的破壞速度和破壞程度。其中車流量、浸水狀態(tài)和溫度均對路面有著重要影響。

1)隨著碾壓循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的質(zhì)量損失率均呈增大趨勢，在循環(huán)150次后，干濕循環(huán)試樣的質(zhì)量損失率最大為無水試樣的17.9倍。

2)隨著碾壓循環(huán)次數(shù)的增加，干濕循環(huán)試樣馬歇爾穩(wěn)定度呈降低趨勢，而無水試樣正相反；在循環(huán)150次后，干濕循環(huán)試樣的馬歇爾穩(wěn)定度降至無水試樣的90%。

3)當(dāng)路面處于無水狀態(tài)時，溫度(25 ℃～50 ℃)越高，路面抗水損害能力越低；但當(dāng)路面處于干濕循環(huán)狀態(tài)時，50 ℃時路面抗水損害能力高于25 ℃。

4)不同的浸水狀態(tài)，瀝青混凝土在車輛碾壓作用下的破壞形式不同，無水狀態(tài)時主要表現(xiàn)為車轍，干濕循環(huán)時主要為細(xì)集料的磨損而產(chǎn)生的網(wǎng)裂。

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[6] 李之達(dá),陳智軍,李 芬,等.瀝青混凝土路面水破壞的疲勞損傷模型研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2009(1):5-8.

[7] 王法欣.瀝青混合料水穩(wěn)定性及路面水損害研究[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2009.

Study on asphalt concrete pavement damage on the basis of different soaking states

Qin Kangkang1,2Li Gensen1,2

(1.MajorEducationalMinistryLaboratoryofWesternDisaster&EnvironmentMechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China; 2.CollegeofCivilEngineering&Mechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Through Marshall stability and quality loss ratio test, the paper analyzes the road water damage resisting capability and asphalt concrete damage forms under different working conditions. The experimental results show that: the impact of soaking state upon the pavement damage belongs to dry-wet cycling method, which is worse than the impact of no-soaking state， furthermore, the major damage form of dry-wet cycling upon pavement is net-shaped cracking owning to fine aggregate abrasion.

asphalt concrete, water damage, quality loss ratio, Marshall stability

1009-6825(2016)11-0140-02

2016-02-01

秦康康(1990- )，男，在讀碩士； 李根森(1991- )，男，在讀碩士

U416.217

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