动水冲刷加速沥青混合料水损坏规律研究

张甫田,高俊启,鲁洪强

(1.青岛市市政工程设计研究院有限责任公司,山东 青岛 266000; 2.南京航空航天大学 民航学院,江苏 南京 210016)

动水压力存在于雨天路面积水的情况下,也存在于雨后路面空隙或裂缝存水的情况下。对于后一种情况,美国AASHTO研究表明，自由水渗入沥青路面结构内部,并在车载荷载的作用下形成超孔隙水流,沥青混合料承受孔隙水冲刷和荷载应力的双重作用产生结构损坏,相比于路面干燥时要高出40倍以上[1],加剧了道路病害的产生与发展。

沥青混合料的水稳定性是影响沥青路面水损坏的关键指标,目前这方面的相关研究较多。文献[2-3]将沥青路面早期破坏的主要原因归结到水-荷载的耦合作用;文献[4]将沥青混合料老化试验与冻融劈裂试验有机结合,设计了一种能够反映混合料初期和中后期水稳定性能的新方法——全程评价法,藉此方法得到了沥青混合料不同使用阶段的水稳定性能评价;文献[5]研究认为，沥青路面水损坏的原因是动水压力引起的抽水效应,动态水渗透系数随着空隙率的增加而增加并最终趋于稳定;文献[6] 将水损坏机理归结于沥青和集料间的黏附性损失以及沥青混合料的黏聚性损失;文献[7]通过设计的动水压力装置模拟动水冲刷作用,结果表明，经过动水冲刷的试件其冻融劈裂强度比(tensile strength ratio,TSR)逐渐降低,同时还进行了高温时动水冲刷试验;文献[8]基于对沥青膜剥落原因的分析,把剥落机理归纳为撕裂、破裂、置换、瞬间乳化、孔隙水压力、动水冲刷等;文献[9]指出空隙率超过8%时,沥青路面严重透水,将加速水损坏。

由上述研究可知,针对沥青混合料水稳定性的研究,多利用的是没有经过动水冲刷的试件,或仅研究了动水冲刷对水稳定性的影响,而没有进一步指出动水压力加速沥青混合料水损坏的程度。为此,本文设计了动水冲刷试验和静水浸泡试验,对SMA-13沥青混合料芯样进行不同压力、不同作用次数的冲刷,分析动态水压力大小和作用次数对沥青混合料孔隙水稳定性的影响。为对比分析动水冲刷可以加剧沥青混合料的水损坏,制作了静态真空饱水混合料试件,测定其受到水损害前、后的劈裂强度,通过计算TSR来评价沥青混合料的水稳定性。

1 试验设计

1.1 沥青混合料试件制备

静水浸泡试件为路面取芯SUP-20混合料,其中集料为安徽茅迪生产的石灰岩。试件尺寸如下:直径为(101.6±0.2) mm;高度为(63.5±1.3) mm。现有研究表明,沥青混合料的空隙率是影响水稳定性的首要因素[10]。因此,本文首先测量试件毛体积密度,然后根据最大理论密度计算芯样的实际空隙率。SUP-20试件共30个，各试件空隙率见表1所列。

表1 SUP-20试件空隙率

动水冲刷试验用试件是从车辙板中取出φ150 mm的SMA-13芯样,采用文献[11]的建议级配。SMA-13试件共20个,各试件空隙率见表2所列。

表2 SMA-13试件空隙率

1.2 试验方案及过程

设计了静水浸泡试验对沥青混合料真空饱水后的水稳定性进行研究,通过改变浸水时间定期对试件进行测定。静态饱水混合料试件平均分成5组,每组6个试件,每组浸水时间分别为0个月、3个月、6个月、9个月、12个月。达到设定的浸水时间后,根据规范试验方法采用T0729-2000沥青混合料冻融劈裂试验夹具对SUP-20试件进行冻融劈裂,试验温度为25 ℃,加载速率为50 mm/min。

设计了动水冲刷试验,通过不同动态水压力和作用次数,研究沥青混合料试件水稳定性的变化规律。试验装配如图1所示,主要由气压机、自制路面渗水仪、多功能控制仪(最高频率5 Hz)、可调气压表、水泵、密封充水容器等组成。动态水压力数值由可调气压表设定,本试验中动态水压力分别为0.1、0.2 MPa。冲刷频率由LD-Ⅲ型多功能控制仪控制,冲刷次数分别为10 800、21 600、32 400次。沥青混合料试件按空隙率大小排列组合。动水冲刷试验方案见表3所列。将S4、S17、S18、S20 4个试件作为对比,没有冲刷,其劈裂强度作为未冻融劈裂强度,这4个试件在表3中没有列出,不参与分组实验;其余16个试件按孔隙率大小排列组合,相对均匀,以降低对实验结果的影响。

图1 动态水压力试验布置

表3 沥青混合料芯样试验分组

沥青混合料试件经过动态水冲刷之后,依据文献[12]测定其冻融劈裂强度,研究沥青混合料水稳定性随冲刷次数、动态水压力的变化关系。

2 试验结果与分析

2.1 静水浸泡试验

(1)

各组不同浸水时间的试件TSR结果如图2所示。从图2可以看出,TSR随浸泡时间的增加而降低,没有浸水的试件TSR最高,接近77%。图2曲线走势在前期阶段较陡,后期阶段较平缓,浸水3个月所测得的TSR比未浸水试件的TSR降幅近8%,从77%下降到69%左右,说明在前3个月中大量自由水渗入试件内部的连通空隙。另外几组试件降幅不大,主要是因为连通空隙几乎已经饱水,水分开始渗透进入闭塞空隙,这个过程比水分进入连通空隙漫长,所以浸泡6个月、9个月、12个月的试件测得的TSR变化不大,平均降幅在2%～4%左右。

图2 TSR值变化曲线

2.2 动水冲刷试验

沥青混合料试件经过动态水冲刷之后,依据规范要求,对其冻融劈裂强度进行了测定。试验中将沥青混合料试件分为2组:① 不冲刷不冻融,直接将试件进行劈裂试验;② 冲刷后冻融,即对冲刷后的试件进行冻融劈裂试验。

对冲刷后TSR进行研究,不同动态水压力与冲刷次数作用后SMA-13的TSR值变化如图3所示。由图3可知:

图3 动水压力与作用次数下的TSR值

(1) 动水压力一定时,冲刷次数越多,TSR越小。对于SMA-13试件,在动水压力为0.1 MPa的条件下,冲刷次数为10 800次时,冲刷后TSR接近89%;而冲刷次数为21 600次时,TSR为82%左右;冲刷次数为32 400次,TSR接近80%。冲刷32 400次比10 800次的TSR值降低约9%。

(2) 冲刷次数一定时,动水压力越大,TSR越小。对于SMA-13试件,冲刷次数为10 800时,动水压力为0.1 MPa时冲刷后TSR为88.67%；而动水压力为0.2 MPa时,TSR为86.58%。TSR值降低2.09%。

2.3 动水冲刷加速水损坏分析

综合动水冲刷试验和静水浸泡的试验结果分析可得,使用动态水对沥青混合料高频冲刷和静态水浸泡沥青混合料后冻融劈裂,均能使TSR降低。从图3可以看出,对于SMA-13试件,冲刷次数由10 800次增加到32 400次,TSR减小9%。从图2可以看出,没有浸水的试件TSR高,达到77%,浸泡3个月后其TSR下降至69%左右,降幅达8%,与动水冲刷试验TSR降幅非常接近。可见,在动水冲刷作用下,TSR在短时间内下降很快,接近静水饱和试件浸泡长达3个月的TSR降幅，即动水压力可以在短时间内迅速使沥青混合料水损坏达到静态水长时间浸泡后的程度,对沥青混合料的水稳定性起到加速破坏作用。

3 结 论

(1) 本文设计了动水冲刷试验,通过调节不同动态水压力和作用次数,研究沥青混合料试件水稳定性的变化规律。本试验设备的水压力峰值和冲刷次数均可控,能够用于研究沥青路面中的动态水压力对沥青混合料水稳定性的影响机理。

(2) 对动水冲刷后的沥青混合料芯样进行冻融劈裂试验,其TSR明显降低。对于相同类型的沥青混合料取芯试件,TSR随动水压力的增大、冲刷次数的增加而不断降低,呈非线性关系。说明沥青混合料随动水冲刷时间的延长和冲刷压力的增大,其胶结料黏结力不断下降。

(3) 设计了静水浸泡试验,对试件进行了长时间的浸泡。TSR随浸泡时间的增加而降低。浸水3个月所测得的TSR与未浸水试件的降幅近8%,浸泡时间长达6个月、9个月、12个月的沥青混合料试件测得的TSR平均降幅在2%～4%左右。前期的下降速率是后期的3～4倍。

(4) 动水冲刷可以在短时间内使沥青混合料水损坏达到在静态水长期浸泡下的程度,冲刷32 400次比10 800次TSR值降低约9%,与静水浸泡3个月后的TSR降幅非常接近。它对沥青混合料的水稳定性起到加速破坏作用。0.1 MPa压力下冲刷2.16×104次的水损坏效果与浸水3个月的相近。