基于动水冲刷试验的温拌高黏沥青混合料水稳定性研究

黄维蓉，王 娇，杨玉柱，熊柯霖

(1.重庆交通大学材料科学与工程学院，重庆 400074；2.重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

我国大约60%的国土面积都遭受不同程度的洪涝灾害，不透水路面导致路面积水无法顺利进入地下土壤，积水严重，沥青路面因水损害而缩短服役年限。排水沥青路面可有效防止路面水膜和路表径流的形成，避免由于路面积水而使驾驶人员产生眩光和汽车产生滑移，进而有效提高行车的舒适性和安全性[1-2]。排水沥青混合料骨架嵌挤的大空隙结构具有连通空隙作用，该结构导致集料间的沥青黏结面小，其黏附性、抗剥落性和对集料的包裹性存在缺陷[3-4]，抗水损害能力较差。

张彩利等[5]认为沥青混合料随着浸水时间延长，其残留稳定度、低温性能、高温性能和疲劳性能降低明显，水损害在较大程度上降低了沥青混合料的路用性能。Geng等[6]的研究认为与传统沥青胶结料和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性沥青胶结料相比，高黏改性剂(high viscosity additive, HVA)改性沥青的耐高温车辙和低温开裂性能显著提高。陈晨等[7]在90#基质沥青与SBS改性沥青中添加Evotherm温拌剂后，抗水损害能力有所改善。高黏沥青需在高温下进行拌和施工，对能源消耗和环境污染都造成了负担，而做好“碳达峰、碳中和”已被列为我国的重点任务之一，所以降低能源消耗、减少环境污染在工程应用中势在必行。肖益民等[8]提出，使用泡沫温拌大粒径排水性沥青混合料可以实现节能减排。何腾[9]将沥青混合料多次冻融循环后进行冻融劈裂和浸水马歇尔试验，与改进的渗水装置作对比，结果表明渗水系数随冻融循环次数的增加而增大。因此排水沥青混合料的水稳定性在很大程度上是保证排水沥青路面抗水损害的关键因素。

为解决普通沥青用于骨架空隙结构黏聚力差的问题，以及降低CO2排放,保护生态环境，本文基于高黏沥青，加入两种表面活性型温拌剂进行改性，得到适用于水损害且拌和温度更低的温拌高黏沥青混合料。重点对温拌高黏沥青混合料的水稳定性进行试验研究，提出一种有效评价沥青路面水稳定性的新试验方法。

1 实 验

1.1 原材料

选用175 ℃下布氏黏度为115.6 mPa·s的壳牌70#A级基质沥青进行改性，高黏改性剂为AR-HVA，两种表面活性型温拌剂分别为Evotherm M1和Retherm，粗集料为辉绿岩碎石，细集料为石灰岩机制砂，填料为石灰岩矿粉，抗剥落剂采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，并掺入6 mm聚丙烯腈纤维。

1.2 温拌高黏沥青制备

首先将质量分数为12%的AR-HVA高黏改性剂掺入流动状态下的基质沥青中，通过180 ℃油浴锅对其进行恒温加热，同时采用高速剪切机在5 000 r/min转速下恒温剪切30 min，剪切完成后放入180 ℃烘箱中发育40 min，制备出AR-HVA高黏沥青(下文简称高黏沥青)；再通过以上方法将质量分数为0.5%的Evotherm M1和Retherm分别与流动状态下的高黏沥青进行恒温加热，剪切7 min后制备出Evotherm M1+AR-HVA温拌高黏沥青(下文简称E-高黏沥青)和Retherm+AR-HVA温拌高黏沥青(下文简称R-高黏沥青)[10-11]。制备出的三种沥青的各项性能指标见表1。

表1 温拌高黏沥青的性能指标Table 1 Performance indexes of warm-mixed high viscosity asphalts

基质沥青中掺入AR-HVA高黏改性剂后，60 ℃动力黏度接近180 kPa·s，相较于基质沥青的黏度增加了3个数量级，改善效果十分明显；基于此，再掺入两种温拌剂后，沥青的动力黏度有所下降，表面活性型温拌剂会小幅度降低沥青的低温黏度，Evotherm M1温拌剂的效果更为明显。

1.3 配合比设计及沥青用量

图1 OGFC-13型合成级配曲线Fig.1 OGFC-13 synthetic grading curves

选择OGFC-13型级配进行排水沥青混合料配合比设计，各档集料质量掺比为m(10～15 mm碎石) ∶m(5～10 mm碎石) ∶m(0～3 mm机制砂) ∶m(矿粉) ∶m(水泥)=38% ∶44% ∶15% ∶1.5% ∶1.5%，掺入沥青用量3%(质量分数)的6 mm聚丙烯腈纤维，设计合成级配曲线见图1。试件目标空隙率为20%，高黏沥青混合料在169 ℃击实下可达最佳空隙率，在该高黏沥青中加入温拌剂后，击实温度在140～150 ℃之间即可满足目标空隙率，两种表面活性型温拌剂可明显降低高黏沥青混合料压实温度20 ℃左右。因此通过试验确定高黏沥青、E-高黏沥青和R-高黏沥青的压实温度为分别为169 ℃、150 ℃和147 ℃，试件双面各击实50次。对该级配下的沥青混合料进行析漏试验、飞散试验、标准马歇尔试验和浸水马歇尔试验后，确定最佳沥青用量为5%(质量分数)。

2 结果与讨论

根据上述试验参数制备OGFC-13型沥青混合料的马歇尔试件，通过浸水马歇尔试验、肯塔堡浸水飞散试验、冻融劈裂试验和冻融循环-动水冲刷-劈裂耦合试验对沥青混合料进行水稳定性研究[12]，对比分析高黏沥青、E-高黏沥青与R-高黏沥青对OGFC-13型沥青混合料水稳定性的影响。

2.1 浸水马歇尔试验分析

对三种高黏沥青混合料残留稳定度进行研究，制备标准马歇尔试件(φ101.6 mm×63.5 mm圆柱体)进行浸水马歇尔试验，每组共12个平行试件，6个做浸水30 min后的马歇尔稳定度(S)测试，6个做浸水48 h后的马歇尔稳定度(S1)测试，S0为试件的浸水残留稳定度，试验结果取平均值后见表2。

表2 浸水马歇尔试验结果Table 2 Water immersion Marshall test results

由表2可知，R-高黏沥青混合料残留稳定度最小，高黏沥青混合料残留稳定度有超100%的现象：其一是由于胶结料为高黏沥青，矿粉掺量减少，抗剥落剂掺量增加，导致普通沥青混合料残留稳定度的评价方法对该高黏沥青混合料水稳定性评价失效；其二是由于普通浸水马歇尔试验条件不足以对高黏沥青混合料水稳定性产生影响。浸水后稳定度值更大，这与排水路面实际状况不符，不能表明浸泡48 h后沥青混合料稳定度更好，而是试验数据离散较大，不具参考价值，由此可见浸水马歇尔试验无法合理评价该温拌高黏沥青混合料的水稳定性。

2.2 肯塔堡浸水飞散试验分析

肯塔堡浸水飞散试验是用来评价由于沥青用量或黏结性不足，在交通荷载作用下路面表层集料脱落而散失的程度[12]，常用于评价沥青混合料的水稳定性。对三种高黏沥青混合料标准马歇尔试件进行浸水飞散试验(每组6个)，在60 ℃恒温水槽中养护48 h，再置于室温24 h后，称取试件质量，记为m0，进行飞散试验后残留试件质量为m1，最后计算得到浸水飞散损失率ΔS，试验结果取平均值后见表3。

表3 肯塔堡浸水飞散试验结果Table 3 Cantabro immersion scattering test results

表3显示三种高黏沥青混合料飞散质量损失率皆在11%以下，两种温拌高黏沥青混合料浸水飞散损失量相较于高黏沥青混合料有小幅度降低，表明温拌剂可提升高黏沥青混合料的水稳定性，且表面活性型温拌剂Evotherm M1比Retherm的作用效果更好。

2.3 冻融劈裂试验分析

制备三种高黏沥青混合料的标准马歇尔试件共3组，每组12个，随机取每组6个试件进行劈裂试验，得到劈裂抗拉强度RT1，剩下试件经冻融循环后，进行劈裂试验得到劈裂抗拉强度RT2，通过对比三种高黏沥青混合料冻融劈裂强度比R，进行排水沥青路面的水稳定性分析，试验结果取平均值后见表4。

表4 冻融劈裂试验结果Table 4 Freeze-thaw splitting test results

由表4可知，三种沥青混合料的冻融劈裂强度比差别不大，且都在95%以上，Retherm表面活性型温拌剂对高黏沥青混合料的冻融劈裂强度比有所提高，而Evotherm M1对高黏沥青混合料的冻融劈裂强度比稍有降低作用，但总体来说，试验结果区分不明显。沥青混合料产生水损害主要是在外因作用下导致沥青黏附力与黏聚力的降低[13]，因此冻融劈裂试验不足以评价该类温拌高黏沥青混合料水稳定性。

2.4 冻融循环-动水冲刷-劈裂耦合试验分析

基于以上对高黏沥青排水路面的水稳定性研究，表明现行的方法无法有效评价高黏沥青混合料的水稳定性。由于轮胎在积水路面快速通过时产生的真空泵吸作用，激流对沥青混合料产生极强的动水压力和冲刷效应，进而破坏沥青与集料的界面黏结力，导致路面产生水损害[14]，因此既要考虑静水荷载对混合料的破坏，还需要考虑到动水冲刷作用。基于沥青混合料水稳定性试验[12]以及研究现状[15-17]，参照水工混凝土动水冲刷试验方法[18]，研究设计温拌高黏沥青混合料的冻融循环-动水冲刷-劈裂耦合试验，试验过程如下：

制备2组标准马歇尔试件(对照组与试验组各6个试件)，对照组用于马歇尔稳定度试验，试验组经过冻融循环试验后，通过高精度河流动力学水槽试验系统，根据路面积水深度和车辆行驶速度设置在不同冲刷高度(5 cm、10 cm)和冲刷速度(20 L/s、25 L/s、30 L/s)下作用1 d、2 d、3 d后，比较马歇尔试件的质量损失率与劈裂强度比变化，表征冻融循环与动水冲刷条件下温拌高黏沥青混合料的水稳定性，试验设备及过程见图2。

图2 高精度河流动力学水槽试验系统Fig.2 High-precision river dynamics water tank test system

当冲刷高度为5 cm、冲刷速度为20 L/s时，经冻融循环试验后马歇尔试件在不同冲刷时间后的试验结果见图3、图4。

图3 不同冲刷时间的质量损失率Fig.3 Mass loss rate of different scouring time

图4 不同冲刷时间的劈裂强度比Fig.4 Splitting strength ratio of different scouring time

由图3可见，三种沥青混合料经冻融循环-动水冲刷耦合作用后，其质量损失率随动水冲刷时间增加而明显上升，由于集料表面与沥青产生交互作用，形成了易溶于水的络合物，络合物会在动水冲刷下被溶解，导致沥青从集料表面剥落，从而随着冲刷时间的增加，混合料的质量损失越多[19]。冲刷1 d后的质量损失率不足1%，经过3 d冲刷后质量损失率将近4%，且加入温拌剂可降低该络合物的产生，进而有效降低马歇尔试件的质量损失。由图4可知，冻融循环-动水冲刷耦合作用前后的劈裂强度比随着冲刷时间的增加而下降，表明温拌剂可有效提高受长时间动水冲刷的排水沥青混合料的水稳定性，且Retherm表面活性型温拌剂对混合料冻融循环-动水冲刷耦合作用后劈裂强度比的提升更明显。

当冲刷高度为5 cm、冲刷时间为3 d时，经冻融循环试验后马歇尔试件在不同冲刷速度下的试验结果见图5、图6。

图5 不同冲刷速度的质量损失率Fig.5 Mass loss rate of different scouring speeds

图6 不同冲刷速度的劈裂强度比Fig.6 Splitting strength ratio of different scouring speeds

由图5、图6可知，随着冲刷速度的增加，三种混合料质量损失率均上升，劈裂强度比均降低，冲刷速度为20 L/s时，质量损失率都在4%以下，劈裂强度比皆在90%左右，当冲刷速度为30 L/s时，高黏沥青混合料的质量损失率超过5%，劈裂强度比降至85%以下。掺温拌剂的混合料劈裂强度比虽有显著降低但仍优于高黏沥青混合料，表明冲刷速度对温拌高黏沥青混合料的水稳定性影响显著。缺乏可以成键的基团，使得在集料表面形成的配位键较弱[19]，而温拌剂可在一定程度上降低由路面积水冲刷速度造成的质量损失。掺Evotherm M1温拌剂的高黏沥青混合料比高黏沥青混合料与掺Retherm的高黏沥青混合料的磨耗率更低，说明表面活性型温拌剂Evotherm M1对温拌高黏沥青混合料水稳定性的提升效果更明显。结合图3～图6可知，在冻融循环-动水冲刷-劈裂耦合试验中，随着冲刷速度和冲刷时间的增加，质量损失率上升2%～3%，劈裂强度比明显下降5%～7%，在动水冲刷反复作用下，配位键能再次被削减，最后被水替代，冲刷速度越快，配位键能被削减得越多[19]。

当冲刷速度为30 L/s、冲刷时间为3 d时，经冻融循环试验后马歇尔试件在不同冲刷速度下的试验结果见图7、图8。

图7 不同冲刷高度的质量损失率Fig.7 Mass loss rate of different scouring heights

图8 不同冲刷高度的劈裂强度比Fig.8 Splitting strength ratio of different scouring heights

由图7与图8可知，高黏沥青混合料在冲刷高度为5 cm时的质量损失率更大，E-高黏沥青混合料在不同冲刷高度的损失率大致相同，而R-高黏沥青混合料在冲刷高度为10 cm时的磨耗率更大，其劈裂强度比同样表现出不规律的结果。原因可能是沥青混合料马歇尔试件的高度在63.5 mm左右，而冲刷高度在5～10 cm，循环水流在水流速度足够大(30 L/s)时，马歇尔试件皆会被水流没过，因此冲刷效果差别不明显，高度对其影响较小。

上述实验室模拟冻融循环-动水冲刷-劈裂耦合试验时，排水沥青混合料空隙率在20%左右，经浸水后空隙内部存在较多水分，局部削弱材料性能[20]，再进行冻融时，水结冰膨胀破坏混合料骨架结构，但高黏沥青黏结能力好，使得沥青混合料不易被破坏，集料表面有一层易溶于水的阳离子膜，当水中存在足够多的阳离子时，会和沥青中酸性组分产生反应，形成新膜，而新膜更容易从集料表面剥落[19]。而在此基础上再进行动水冲刷，使得集料表面易溶于水的阳离子膜不断溶于水中，当阳离子数量达到一定值时，会与沥青中的酸性成分发生反应形成新膜，进而使得沥青从集料表面脱落，使得其劈裂强度比发生明显降低。

综上所述，推荐采用冻融后冲刷时间3 d、冲刷速度30 L/s、冲刷高度10 cm的条件进行温拌高黏沥青混合料水稳定性研究，通过冻融循环-动水冲刷-劈裂耦合试验评价温拌高黏沥青的水稳定性更具合理性。

3 结 论

(1)三种沥青混合料中，高黏沥青混合料残留稳定度最好，但出现超100%的现象，结果不符合实际。温拌剂可在一定程度上降低高黏沥青混合料的浸水飞散损失量，提升高黏沥青混合料的水稳定性。三种沥青混合料的冻融劈裂强度比都在95%以上，但两种温拌剂的作用效果相反，试验结果区分不明显。因此常用的沥青混合料水稳定性试验无法有效评价该温拌高黏沥青混合料的水稳定性。

(2)设计冻融循环-动水冲刷-劈裂耦合试验，改变动水冲刷时间、速度和高度，经冻融循环-动水冲刷-劈裂耦合作用后，沥青混合料质量损失率随动水冲刷时间和冲刷速度的增加而明显上升，其中质量损失率上升2%～3%，劈裂强度比明显下降5%～7%，经过试验验证本研究设计的新试验方法可有效用于温拌高黏沥青混合料的水稳定性评价。

(3)对于温拌高黏沥青混合料水稳定性，本文推荐采用冻融后冲刷时间3 d、冲刷速度30 L/s、冲刷高度10 cm的试验条件进行研究。