基于CT掃描的瀝青混凝土凍融耐久性研究

郭培達

(湖北交投高速公路運營集團有限公司，武漢 430074)

瀝青混凝土路面和水泥混凝土路面是兩種典型的路面類型[1]，前者因具有行車舒適、噪音小、易于養(yǎng)護和維修等一些優(yōu)勢而在我國公路建設中被廣泛采用，尤其是在高等級公路面層的建設中，90%以上均采用瀝青混凝土路面。但公路的面層不僅直接與行車荷載接觸，而且也暴露于環(huán)境中，同時受到溫度、水分等多種環(huán)境因素的作用，因此，研究公路面層在單因素或者多種因素共同作用下的破壞過程對于揭示瀝青混凝土路面的耐久性特征具有重要的意義[2]。例如瀝青混凝土路面的凍融循環(huán)破壞就同時涉及到溫度和水分兩種因素的作用[3]。

在瀝青混凝土中，集料主要形成嵌擠骨架提供承載力；而瀝青則與填料和細集料的粉料部分形成瀝青膠漿將骨架粘結(jié)成一個整體，使其具有較好的穩(wěn)定性。對于瀝青混凝土的凍融循環(huán)破壞過程，目前認可度比較高的結(jié)論是瀝青膠漿和集料表面的粘附被破壞，包括兩種形式：瀝青膠漿內(nèi)部的粘聚破壞以及瀝青膠漿與集料粘結(jié)面的破壞[4]。因此，傳統(tǒng)方法主要是從強度方面考慮瀝青混凝土的抗凍融破壞性能，如以瀝青混凝土馬歇爾試件的劈裂強度在凍融前后的損失程度來反映瀝青混凝土的抗凍融破壞能力。該方法雖然操作簡便，但只是通過性能指標的變化間接反映了瀝青混凝土的凍融耐久性，未能從結(jié)構(gòu)方面直觀揭示出瀝青混凝土在凍融環(huán)境下的破壞過程。

凍融循環(huán)破壞不可缺少的介質(zhì)是水，而進入到試件內(nèi)部的水必然存在于空隙中，水的間歇性凍脹作用必然對瀝青混凝土試件的空隙等構(gòu)造產(chǎn)生影響。因此，該研究擬從瀝青混凝土試件空隙在凍融循環(huán)破壞下的變化來直觀揭示瀝青混凝土結(jié)構(gòu)尺度的破壞過程。通過采用工業(yè)CT分析瀝青混凝土試件內(nèi)部空隙特征，對比研究了小空隙的密集配瀝青混凝土和大空隙的開級配瀝青混凝土在凍融循環(huán)損傷下的空隙變化情況，揭示瀝青混凝土試件初始空隙率大小對其凍融耐久性的影響。

1 原材料

瀝青混凝土的原材料主要包括粗集料、細集料、填料和瀝青。該研究中粗集料、細集料和填料均是通過破碎或粉磨石灰石獲得的碎石、石屑和粉料，瀝青選用SBS改性瀝青。另外在開級配瀝青混凝土中還需要使用纖維作為穩(wěn)定劑。這主要是因為開級配瀝青混凝土的空隙率一般超過18%，依靠大量使用粗集料顆粒形成高空隙率的骨架結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。與密級配瀝青混凝土中粗集料顆粒周圍被細集料及瀝青膠漿包圍的情況不同，開級配瀝青混凝土中粗集料顆粒表面僅有部分區(qū)域與其他顆粒依靠瀝青膠漿的作用粘結(jié)在一起，如圖1所示。因而，開級配瀝青混凝土中集料與瀝青膠漿的作用要弱于密集配瀝青混凝土。所以在開級配瀝青混凝土中采用了纖維進行增強，該研究中選用聚酯纖維。按照《公路工程集料試驗規(guī)程》[5]對石灰石集料及填料的性能指標進行測試，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[6]對SBS改性瀝青的性能指標進行測試。結(jié)果表明，該研究所選原材料的性能指標符合《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》[7]的使用要求。

2 試驗方法

按照馬歇爾設計方法設計密集配瀝青混凝土(AC-16)和開級配瀝青混凝土(OGFC-16)，確定集料、填料和SBS改性瀝青等原材料在兩類瀝青混凝土中的摻量，前者設計空隙率為4%～6%，后者則為18%～22%。按照設計結(jié)果采用馬歇爾擊實儀制備瀝青混凝土擊實試件，馬歇爾擊實試件的尺寸符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》要求(直徑101.6 mm、高63.5 mm±1.3 mm)。

采用CT設備分析瀝青混凝土試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，是對試件進行逐層掃描后再重構(gòu)的結(jié)果。CT圖像的明暗特征與被掃描試樣內(nèi)物質(zhì)的密度有關，不同密度的物質(zhì)呈現(xiàn)不同的灰度值，因而得以在CT圖像下將試件內(nèi)部不同的物質(zhì)及結(jié)構(gòu)區(qū)分開。以典型的開級配瀝青混凝土試件為例進行說明。如圖2所示，沿馬歇爾試件高度方向自上而下進行逐層掃描。掃描圖像顯示，集料、瀝青膠漿和空隙呈現(xiàn)不同的顏色：集料為灰白色，瀝青膠漿為深灰色，而空隙則顯示為黑色。這說明密度越大的物質(zhì)呈現(xiàn)越亮的顏色。增強處理后的CT掃描圖更加直觀展現(xiàn)了空隙、集料和瀝青膠漿三種成分或結(jié)構(gòu)。逐層獲取CT掃描圖后，通過圖像分析軟件計算每層空隙面積所占的比例，即可獲得沿試件高度方向的空隙率曲線，進而分析試件在凍融破壞前后空隙的變化情況，確定不同類型瀝青混凝土的凍融耐久性。

3 結(jié)果與討論

通常在研究瀝青混凝土試件的空隙率時，主要通過測試試件的密度再計算其平均空隙率來進行。對兩種不同級配瀝青混凝土的馬歇爾試件進行大量CT掃描分析后發(fā)現(xiàn)，不管是密集配瀝青混凝土還是開級配瀝青混凝土，空隙在試件內(nèi)部并非呈現(xiàn)均勻分布。如圖3所示，對于密集配瀝青混凝土，沿馬歇爾試件高度方向空隙率波動顯著，尤其對于高度在10 mm以下的部分。而空隙率沿開級配馬歇爾試件高度方向的變化則更加劇烈，尤其是靠近試件上下兩個端面的部分，空隙率接近28%。這主要有兩個方面的原因，一是開級配瀝青混凝土的設計空隙率本來就大，對于小尺寸的馬歇爾試件，其空隙率的不均勻性會更明顯；另一方面，與試件內(nèi)部集料顆粒嵌擠、瀝青膠漿填充不同，試件上下端面主要是粗集料顆粒外凸的輪廓點形成的，構(gòu)造深度大。因而上下表面區(qū)域空隙率相比試件內(nèi)部更大。

因此，對于擊實成型的瀝青混凝土試件而言，內(nèi)部空隙率是變化的，而基于密度計算獲得的平均空隙率則不能反映出試件內(nèi)部空隙率的這一特征。這也間接表明該研究采用CT技術分析馬歇爾試件空隙這一方法的科學性所在：直觀揭示試件內(nèi)部空隙真實狀態(tài)的同時，以空隙的變化為參考從結(jié)構(gòu)層面確定瀝青混凝土的凍融耐久性。

密集配和開級配瀝青混凝土馬歇爾試件凍融循環(huán)破壞后的空隙率變化情況分別如圖4和圖5所示?？梢妰煞N瀝青混凝土的空隙率在凍融循環(huán)破壞中均發(fā)生了顯著的變化，總體上朝著更大空隙率的方向發(fā)展，尤其在高凍融循環(huán)次數(shù)下，兩種馬歇爾試件的空隙率分布特征完全不同于試件的初始狀態(tài)，這說明空隙對于凍融循環(huán)破壞非常敏感。且兩種馬歇爾試件空隙率在凍融循環(huán)破壞下也呈現(xiàn)出不一樣的變化規(guī)律。具體來看，圖4顯示，對于密集配瀝青混凝土，在凍融循環(huán)破壞早期，試件兩端空隙率變化較中部區(qū)域(高度20～45 mm)劇烈，這說明試件兩端受到的凍融破壞更嚴重。這主要是因為進入試件兩端部的水分繼續(xù)滲入試件深層區(qū)域的能力弱，端部水分的凍脹作用使該區(qū)域空隙變大。這也暗示在實際密集配瀝青路面中，凍融破壞始于路面的表層區(qū)域。隨著凍融程度的加大，試件中部區(qū)域空隙率的增加也變得明顯，最小空隙率也從3%以下升高至5%左右(30 mm層位)。這主要是因為持續(xù)的凍脹破壞使得試件兩端空隙率進一步變大，水分更容易往深層滲入，因而造成中部區(qū)域空隙率的升高。因此，密集配瀝青混凝土在凍融循環(huán)下的破壞是從試件外部向內(nèi)部逐漸發(fā)展的過程。

開級配瀝青混凝土馬歇爾試件空隙率在凍融循環(huán)破壞下的變化與密集配馬歇爾試件區(qū)別甚大。圖5顯示，即使在凍融循環(huán)破壞早期，試件內(nèi)部空隙在高度方向上就整體發(fā)生了較劇烈的變化。這說明不同于密集配瀝青混凝土，開級配試件在凍融初期就伴隨全尺寸的破壞。這主要是因為開級配試件空隙率大，主要由粗集料嵌擠形成的間隙相互間連通，水分容易進入試件內(nèi)部，因而試件內(nèi)部不同區(qū)域同時發(fā)生了凍脹破壞。另外圖5還顯示出一個非常特殊的現(xiàn)象，凍融循環(huán)破壞后的試件空隙率曲線與試件初始空隙率曲線存在多處相交的情況。這說明在開級配試件內(nèi)部不同層位的空隙率并非隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而持續(xù)增大，相反，某些層位所在的區(qū)域空隙率比其初始值還要小。表明在開級配馬歇爾試件內(nèi)部同時具有空隙擴大和壓縮兩種效應。這主要是因為參與嵌擠形成空隙的粗集料顆粒尺寸較大，水平方向和豎直方向均存在一定的跨度，在凍融循環(huán)破壞過程中，水的凍脹作用迫使顆粒調(diào)整位置，如發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)。因而某些層位空隙的擴張就可能帶來連鎖反應，導致臨近區(qū)域其他層位空隙的壓縮。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進一步增加，空隙被壓縮的現(xiàn)象逐漸消失，試件空隙在高度方向上整體都呈現(xiàn)出不同程度地上升。上述分析表明，開級配瀝青混凝土在凍融循環(huán)過程中，更多的是骨架結(jié)構(gòu)的調(diào)整，因而以結(jié)構(gòu)破壞為主。另外，從密集配馬歇爾試件凍融循環(huán)破壞后的CT圖中幾乎觀察不到空隙被壓縮的現(xiàn)象。這都說明開級配瀝青混凝土凍融耐久性要弱于密集配瀝青混凝土。

4 結(jié) 論

采用CT掃描技術分析了密集配和開級配瀝青混凝土兩類試件內(nèi)部空隙率分布特征及其在凍融循環(huán)破壞下的變化情況，揭示初始空隙率對瀝青混凝土凍融耐久性的影響。結(jié)果表明，不管是密集配還是開級配瀝青混凝土，試件內(nèi)部空隙率呈現(xiàn)不均勻分布；密集配瀝青混凝土凍融環(huán)境下的破壞是從試件外部向內(nèi)部逐漸發(fā)展的過程；開級配瀝青混凝土在凍融環(huán)境下以試件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)破壞為主。說明大空隙的瀝青混凝土凍融耐久性差。