水對瀝青膜乳化作用研究

摘 要：水滲入瀝青路面之后，由于路面結構排水能力不足，水長時間積聚在路面內部對瀝青膜產生乳化破壞作用。一段時間之后，水就會滲透瀝青膜到達瀝青與集料界面，將瀝青膜從集料表面剝離，降低瀝青混合料粘結性、強度、彈性模量等性能，水在瀝青膜中的滲透速度直接影響著混合料性能降低的速度。

關鍵詞：水損害；瀝青膜；滲透速度

高速公路瀝青路面水損害現象非常普遍，這已是不爭的事實。水損害原因非常復雜，主要包括靜水損害和動水損害。靜水損害是指水長時間滯留在混合料內部對瀝青膜產生乳化作用，一方面降低瀝青膠結料自身的粘結性，另一方面將瀝青膜從集料表面剝離；動水損害是指路表面有積水時，高速行駛的車輛會產生很高的水壓，對瀝青混合料造成沖刷破壞。本文重點研究水對瀝青膜的滲透速度。

1 原材料技術性能

本次試驗用到的原材料是國家“7918”高速公路網的組成路段青蘭高速公路河北段二期工程所用原材料，瀝青的技術性能見表1，粗集料技術性能見表2。

表1 瀝青技術性能

試驗項目 單位 東海牌A級

70號瀝青 SBS（I—D）型

改性瀝青

要求 試驗結果 要求 試驗結果

針入度（25℃，5s，100g） 0.1mm 60～80 67 40～60 51

15℃延度，≥ cm 100 >100 20 30

軟化點（環球法），≥ ℃ 46 47.5 3 1.9

TFOT

后 質量變化≤ % ±0.8 -0.12 ±1.0 -0.13

延度≥ cm 6 10 15 20

表2 粗集料技術性能

試驗項目 單位 JTGF40-

2004要求 玄武巖

（mm） 石灰巖（mm） 試件（mm）

3～5 5～10 3～5 5～10 10～20 20

毛體積相對密度 — — 2.665 2.682 2.684 2.701 2.712 1.842

吸水率，≤ % 3.0 — 0.49 — 0.49 0.26 —

粘附性，≥ — 4級 5級 5級 — — 5級 5級

0.075mm通過率 % 1 — 0.2 — 0.2 0.1 0

2 試驗方法介紹

為了弄清不同溫度的水對不同種類、不同厚度瀝青膜的滲透破壞情況，必須模擬實際的瀝青膜進行滲透試驗，而拌和均勻的混合料與實際情況最吻合，但是直接對拌和好的瀝青混合料進行滲透試驗時，無法測定水滲透瀝青膜的具體時間。為了解決這一矛盾，本文自行設計了瀝青膜滲透破壞試驗。采用泥土為原材料成型粒徑為20mm的球形試件來代替10～20mm的集料拌和瀝青混合料。

本次試驗采用土為原料制成粒徑為20mm的球形試件代替AC-20C級配中10～20mm的集料。油石比采用3.0%～5.0%，按0.5%遞增。將拌和均勻試件取出，冷卻兩小時后進行滲透試驗研究。

3 滲透試驗結果及分析

3.1 瀝青膜厚度計算

殼牌瀝青手冊中指出熱拌瀝青混合料適宜厚度為5～15μm。本文瀝青膜滲透試驗采用改性與基質兩種瀝青，瀝青膜厚度計算結果見表3：

表3 改性瀝青膜厚度計算結果（μm）

油石比（%） 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

改性瀝青膜厚（μm） 5.35 6.35 7.35 8.33 9.31

基質瀝青膜厚（μm） 5.80 6.73 7.75 8.87 9.67

對于改性瀝青和機制瀝青拌和的混合料，油石比與瀝青膜厚之間的關系如圖1所示：從圖表數據可以看出：無論是基質瀝青還是改性瀝青，瀝青膜厚度隨瀝青用量增加線性增大，且相關性非常好。油石比每增大0.5%，瀝青膜厚度增大1μm。

3.2 滲透試驗結果

由于老化后的瀝青膜與老化前瀝青膜的試驗結果有相同規律，分析實驗結果時以未老化的瀝青膜為例。不同水溫時，瀝青膜滲透時間與瀝青膜厚度之間的關系見圖2和圖3；不同瀝青膜厚度時，瀝青膜滲透時間與水溫關系見圖4和圖5，所示：

圖2 基質瀝青膜厚與滲透時間關系

圖3 改性瀝青膜厚與滲透時間關系

圖4 基質瀝青水溫與滲透時間的關系

圖5 改性瀝青水溫與滲透時間的關系

從圖2和圖3可發現：隨著瀝青膜厚的增加，不同水溫下瀝青膜的滲透時間不斷增長。當瀝青膜厚小于7.5μm時，滲透時間增長趨勢比較緩慢，當瀝青膜厚度超過7.5μm后，滲透時間明顯增長。

從圖4和圖5可以可發現：瀝青膜厚小于7.5μm時，溫度由25℃升高到40℃時，滲透時間急劇縮短。與40℃升高到60℃兩個階段相比，前一個階水滲透時間明顯縮短，后一個階段水滲透的時間縮短幅度不明顯。當瀝青膜厚增加9.5μm，兩個階段內水滲透瀝青瀝青膜的時間均勻縮短。這說明較薄的瀝青膜能夠抵抗低溫水的破壞但不能抵抗高溫水的破壞，較厚的瀝青膜抵抗高溫水的滲透破壞能力明顯增強。

3.3 滲透速度計算

根據瀝青膜的厚度和水滲透所需要的時間之間的關系，可以根據式（1）計算水在瀝青中滲透的平均速度：

（1）

其中：v表示平均滲透速度，m/s；DA表示瀝青膜厚度，μm；t表示時間，s。

從圖3.10中可以發現：隨著溫度的升高，水的滲透速度變快。對于油石比5.0%而言，水溫從25℃上升至60℃時，水在基質瀝青膜中的滲透速度由0.9×10-11m/s上升到1.6×10-11m/s，增長了1.8倍。

水在改性瀝青中的滲透速度由0.77×10-11m/s上升到1.35× 10-11m/s，增長了1.75倍。水在老化基質瀝青中的滲透速度由1.24×10-11m/s上升到2.8×10-11m/s，增長了2.26倍。水在老化改性瀝青中的滲透速度由1.1×10-11m/s上升到2.16×10-11m/s，增長了1.96倍。

可以發現：在相同溫度下，水在不同厚度的瀝青膜中平均滲透速度不一樣。對于60℃水溫環境而言，基質瀝青膜厚從5.8μm增加到9.67μm，滲透速度由3.4×10-11m/s 降為1.6×10-11m/s，減慢了2.1倍。改性瀝青膜厚從5.35μm增加到9.31μm，滲透速度由3.1×10-11m/s將為1.4×10-11m/s，減慢了2.3倍。

圖6 油石比為5.0%時平均滲透速度

圖7 60℃水溫時平均滲透速度

4 結語

（1）水長時間與瀝青膜接觸會透過瀝青膜到達瀝青膜與集料界面，減弱瀝青與集料之間的粘附性，降低瀝青混凝土的性能。根據實驗結果推斷，保證瀝青膜在短時間內不被水滲透，建議瀝青膜厚度大于7.5μm。（2）水在較薄的瀝青膜中滲透速度較快，當瀝青膜較厚，水進一步滲透時，速度會比較慢。（3）隨著溫度的升高，水的滲透速度變快。（4）無論是基質瀝青還是改性瀝青老化之后，水的滲透速度都會變快。基質瀝青老化后，水溫在40℃以下時滲透速度增長1.3倍，60℃時滲透速度增長2.3倍。改性瀝青老化后滲透速度增長1.4～1.6倍。（5）水在不同瀝青膜中滲透速度按從大到小的順序為：老化基質瀝青﹥老化改性瀝青﹥基質瀝青﹥改性瀝青。水的滲透速度對溫度的敏感性由大到小的順序為：老化基質瀝青﹥老化改性瀝青﹥基質瀝青﹥改性瀝青。

參考文獻

[1] 張登良.瀝青路面工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 蘭宏.瀝青路面水損害行為及機理研究[D].西安：長安大學，2011.

[3] 申愛琴.長壽命瀝青路面合理結構及瀝青混合料設計、施工質量控制關鍵技術研究[R].2010.

摘 要：水滲入瀝青路面之后，由于路面結構排水能力不足，水長時間積聚在路面內部對瀝青膜產生乳化破壞作用。一段時間之后，水就會滲透瀝青膜到達瀝青與集料界面，將瀝青膜從集料表面剝離，降低瀝青混合料粘結性、強度、彈性模量等性能，水在瀝青膜中的滲透速度直接影響著混合料性能降低的速度。

關鍵詞：水損害；瀝青膜；滲透速度

高速公路瀝青路面水損害現象非常普遍，這已是不爭的事實。水損害原因非常復雜，主要包括靜水損害和動水損害。靜水損害是指水長時間滯留在混合料內部對瀝青膜產生乳化作用，一方面降低瀝青膠結料自身的粘結性，另一方面將瀝青膜從集料表面剝離；動水損害是指路表面有積水時，高速行駛的車輛會產生很高的水壓，對瀝青混合料造成沖刷破壞。本文重點研究水對瀝青膜的滲透速度。

1 原材料技術性能

本次試驗用到的原材料是國家“7918”高速公路網的組成路段青蘭高速公路河北段二期工程所用原材料，瀝青的技術性能見表1，粗集料技術性能見表2。

表1 瀝青技術性能

試驗項目 單位 東海牌A級

70號瀝青 SBS（I—D）型

改性瀝青

要求 試驗結果 要求 試驗結果

針入度（25℃，5s，100g） 0.1mm 60～80 67 40～60 51

15℃延度，≥ cm 100 >100 20 30

軟化點（環球法），≥ ℃ 46 47.5 3 1.9

TFOT

后 質量變化≤ % ±0.8 -0.12 ±1.0 -0.13

延度≥ cm 6 10 15 20

表2 粗集料技術性能

試驗項目 單位 JTGF40-

2004要求 玄武巖

（mm） 石灰巖（mm） 試件（mm）

3～5 5～10 3～5 5～10 10～20 20

毛體積相對密度 — — 2.665 2.682 2.684 2.701 2.712 1.842

吸水率，≤ % 3.0 — 0.49 — 0.49 0.26 —

粘附性，≥ — 4級 5級 5級 — — 5級 5級

0.075mm通過率 % 1 — 0.2 — 0.2 0.1 0

2 試驗方法介紹

為了弄清不同溫度的水對不同種類、不同厚度瀝青膜的滲透破壞情況，必須模擬實際的瀝青膜進行滲透試驗，而拌和均勻的混合料與實際情況最吻合，但是直接對拌和好的瀝青混合料進行滲透試驗時，無法測定水滲透瀝青膜的具體時間。為了解決這一矛盾，本文自行設計了瀝青膜滲透破壞試驗。采用泥土為原材料成型粒徑為20mm的球形試件來代替10～20mm的集料拌和瀝青混合料。

本次試驗采用土為原料制成粒徑為20mm的球形試件代替AC-20C級配中10～20mm的集料。油石比采用3.0%～5.0%，按0.5%遞增。將拌和均勻試件取出，冷卻兩小時后進行滲透試驗研究。

3 滲透試驗結果及分析

3.1 瀝青膜厚度計算

殼牌瀝青手冊中指出熱拌瀝青混合料適宜厚度為5～15μm。本文瀝青膜滲透試驗采用改性與基質兩種瀝青，瀝青膜厚度計算結果見表3：

表3 改性瀝青膜厚度計算結果（μm）

油石比（%） 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

改性瀝青膜厚（μm） 5.35 6.35 7.35 8.33 9.31

基質瀝青膜厚（μm） 5.80 6.73 7.75 8.87 9.67

對于改性瀝青和機制瀝青拌和的混合料，油石比與瀝青膜厚之間的關系如圖1所示：從圖表數據可以看出：無論是基質瀝青還是改性瀝青，瀝青膜厚度隨瀝青用量增加線性增大，且相關性非常好。油石比每增大0.5%，瀝青膜厚度增大1μm。

3.2 滲透試驗結果

由于老化后的瀝青膜與老化前瀝青膜的試驗結果有相同規律，分析實驗結果時以未老化的瀝青膜為例。不同水溫時，瀝青膜滲透時間與瀝青膜厚度之間的關系見圖2和圖3；不同瀝青膜厚度時，瀝青膜滲透時間與水溫關系見圖4和圖5，所示：

圖2 基質瀝青膜厚與滲透時間關系

圖3 改性瀝青膜厚與滲透時間關系

圖4 基質瀝青水溫與滲透時間的關系

圖5 改性瀝青水溫與滲透時間的關系

從圖2和圖3可發現：隨著瀝青膜厚的增加，不同水溫下瀝青膜的滲透時間不斷增長。當瀝青膜厚小于7.5μm時，滲透時間增長趨勢比較緩慢，當瀝青膜厚度超過7.5μm后，滲透時間明顯增長。

從圖4和圖5可以可發現：瀝青膜厚小于7.5μm時，溫度由25℃升高到40℃時，滲透時間急劇縮短。與40℃升高到60℃兩個階段相比，前一個階水滲透時間明顯縮短，后一個階段水滲透的時間縮短幅度不明顯。當瀝青膜厚增加9.5μm，兩個階段內水滲透瀝青瀝青膜的時間均勻縮短。這說明較薄的瀝青膜能夠抵抗低溫水的破壞但不能抵抗高溫水的破壞，較厚的瀝青膜抵抗高溫水的滲透破壞能力明顯增強。

3.3 滲透速度計算

根據瀝青膜的厚度和水滲透所需要的時間之間的關系，可以根據式（1）計算水在瀝青中滲透的平均速度：

（1）

其中：v表示平均滲透速度，m/s；DA表示瀝青膜厚度，μm；t表示時間，s。

從圖3.10中可以發現：隨著溫度的升高，水的滲透速度變快。對于油石比5.0%而言，水溫從25℃上升至60℃時，水在基質瀝青膜中的滲透速度由0.9×10-11m/s上升到1.6×10-11m/s，增長了1.8倍。

水在改性瀝青中的滲透速度由0.77×10-11m/s上升到1.35× 10-11m/s，增長了1.75倍。水在老化基質瀝青中的滲透速度由1.24×10-11m/s上升到2.8×10-11m/s，增長了2.26倍。水在老化改性瀝青中的滲透速度由1.1×10-11m/s上升到2.16×10-11m/s，增長了1.96倍。

可以發現：在相同溫度下，水在不同厚度的瀝青膜中平均滲透速度不一樣。對于60℃水溫環境而言，基質瀝青膜厚從5.8μm增加到9.67μm，滲透速度由3.4×10-11m/s 降為1.6×10-11m/s，減慢了2.1倍。改性瀝青膜厚從5.35μm增加到9.31μm，滲透速度由3.1×10-11m/s將為1.4×10-11m/s，減慢了2.3倍。

圖6 油石比為5.0%時平均滲透速度

圖7 60℃水溫時平均滲透速度

4 結語

（1）水長時間與瀝青膜接觸會透過瀝青膜到達瀝青膜與集料界面，減弱瀝青與集料之間的粘附性，降低瀝青混凝土的性能。根據實驗結果推斷，保證瀝青膜在短時間內不被水滲透，建議瀝青膜厚度大于7.5μm。（2）水在較薄的瀝青膜中滲透速度較快，當瀝青膜較厚，水進一步滲透時，速度會比較慢。（3）隨著溫度的升高，水的滲透速度變快。（4）無論是基質瀝青還是改性瀝青老化之后，水的滲透速度都會變快?；|瀝青老化后，水溫在40℃以下時滲透速度增長1.3倍，60℃時滲透速度增長2.3倍。改性瀝青老化后滲透速度增長1.4～1.6倍。（5）水在不同瀝青膜中滲透速度按從大到小的順序為：老化基質瀝青﹥老化改性瀝青﹥基質瀝青﹥改性瀝青。水的滲透速度對溫度的敏感性由大到小的順序為：老化基質瀝青﹥老化改性瀝青﹥基質瀝青﹥改性瀝青。

參考文獻

[1] 張登良.瀝青路面工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 蘭宏.瀝青路面水損害行為及機理研究[D].西安：長安大學，2011.

[3] 申愛琴.長壽命瀝青路面合理結構及瀝青混合料設計、施工質量控制關鍵技術研究[R].2010.

摘 要：水滲入瀝青路面之后，由于路面結構排水能力不足，水長時間積聚在路面內部對瀝青膜產生乳化破壞作用。一段時間之后，水就會滲透瀝青膜到達瀝青與集料界面，將瀝青膜從集料表面剝離，降低瀝青混合料粘結性、強度、彈性模量等性能，水在瀝青膜中的滲透速度直接影響著混合料性能降低的速度。

關鍵詞：水損害；瀝青膜；滲透速度

高速公路瀝青路面水損害現象非常普遍，這已是不爭的事實。水損害原因非常復雜，主要包括靜水損害和動水損害。靜水損害是指水長時間滯留在混合料內部對瀝青膜產生乳化作用，一方面降低瀝青膠結料自身的粘結性，另一方面將瀝青膜從集料表面剝離；動水損害是指路表面有積水時，高速行駛的車輛會產生很高的水壓，對瀝青混合料造成沖刷破壞。本文重點研究水對瀝青膜的滲透速度。

1 原材料技術性能

本次試驗用到的原材料是國家“7918”高速公路網的組成路段青蘭高速公路河北段二期工程所用原材料，瀝青的技術性能見表1，粗集料技術性能見表2。

表1 瀝青技術性能

試驗項目 單位 東海牌A級

70號瀝青 SBS（I—D）型

改性瀝青

要求 試驗結果 要求 試驗結果

針入度（25℃，5s，100g） 0.1mm 60～80 67 40～60 51

15℃延度，≥ cm 100 >100 20 30

軟化點（環球法），≥ ℃ 46 47.5 3 1.9

TFOT

后 質量變化≤ % ±0.8 -0.12 ±1.0 -0.13

延度≥ cm 6 10 15 20

表2 粗集料技術性能

試驗項目 單位 JTGF40-

2004要求 玄武巖

（mm） 石灰巖（mm） 試件（mm）

3～5 5～10 3～5 5～10 10～20 20

毛體積相對密度 — — 2.665 2.682 2.684 2.701 2.712 1.842

吸水率，≤ % 3.0 — 0.49 — 0.49 0.26 —

粘附性，≥ — 4級 5級 5級 — — 5級 5級

0.075mm通過率 % 1 — 0.2 — 0.2 0.1 0

2 試驗方法介紹

為了弄清不同溫度的水對不同種類、不同厚度瀝青膜的滲透破壞情況，必須模擬實際的瀝青膜進行滲透試驗，而拌和均勻的混合料與實際情況最吻合，但是直接對拌和好的瀝青混合料進行滲透試驗時，無法測定水滲透瀝青膜的具體時間。為了解決這一矛盾，本文自行設計了瀝青膜滲透破壞試驗。采用泥土為原材料成型粒徑為20mm的球形試件來代替10～20mm的集料拌和瀝青混合料。

本次試驗采用土為原料制成粒徑為20mm的球形試件代替AC-20C級配中10～20mm的集料。油石比采用3.0%～5.0%，按0.5%遞增。將拌和均勻試件取出，冷卻兩小時后進行滲透試驗研究。

3 滲透試驗結果及分析

3.1 瀝青膜厚度計算

殼牌瀝青手冊中指出熱拌瀝青混合料適宜厚度為5～15μm。本文瀝青膜滲透試驗采用改性與基質兩種瀝青，瀝青膜厚度計算結果見表3：

表3 改性瀝青膜厚度計算結果（μm）

油石比（%） 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0

改性瀝青膜厚（μm） 5.35 6.35 7.35 8.33 9.31

基質瀝青膜厚（μm） 5.80 6.73 7.75 8.87 9.67

對于改性瀝青和機制瀝青拌和的混合料，油石比與瀝青膜厚之間的關系如圖1所示：從圖表數據可以看出：無論是基質瀝青還是改性瀝青，瀝青膜厚度隨瀝青用量增加線性增大，且相關性非常好。油石比每增大0.5%，瀝青膜厚度增大1μm。

3.2 滲透試驗結果

由于老化后的瀝青膜與老化前瀝青膜的試驗結果有相同規律，分析實驗結果時以未老化的瀝青膜為例。不同水溫時，瀝青膜滲透時間與瀝青膜厚度之間的關系見圖2和圖3；不同瀝青膜厚度時，瀝青膜滲透時間與水溫關系見圖4和圖5，所示：

圖2 基質瀝青膜厚與滲透時間關系

圖3 改性瀝青膜厚與滲透時間關系

圖4 基質瀝青水溫與滲透時間的關系

圖5 改性瀝青水溫與滲透時間的關系

從圖2和圖3可發現：隨著瀝青膜厚的增加，不同水溫下瀝青膜的滲透時間不斷增長。當瀝青膜厚小于7.5μm時，滲透時間增長趨勢比較緩慢，當瀝青膜厚度超過7.5μm后，滲透時間明顯增長。

從圖4和圖5可以可發現：瀝青膜厚小于7.5μm時，溫度由25℃升高到40℃時，滲透時間急劇縮短。與40℃升高到60℃兩個階段相比，前一個階水滲透時間明顯縮短，后一個階段水滲透的時間縮短幅度不明顯。當瀝青膜厚增加9.5μm，兩個階段內水滲透瀝青瀝青膜的時間均勻縮短。這說明較薄的瀝青膜能夠抵抗低溫水的破壞但不能抵抗高溫水的破壞，較厚的瀝青膜抵抗高溫水的滲透破壞能力明顯增強。

3.3 滲透速度計算

根據瀝青膜的厚度和水滲透所需要的時間之間的關系，可以根據式（1）計算水在瀝青中滲透的平均速度：

（1）

其中：v表示平均滲透速度，m/s；DA表示瀝青膜厚度，μm；t表示時間，s。

從圖3.10中可以發現：隨著溫度的升高，水的滲透速度變快。對于油石比5.0%而言，水溫從25℃上升至60℃時，水在基質瀝青膜中的滲透速度由0.9×10-11m/s上升到1.6×10-11m/s，增長了1.8倍。

水在改性瀝青中的滲透速度由0.77×10-11m/s上升到1.35× 10-11m/s，增長了1.75倍。水在老化基質瀝青中的滲透速度由1.24×10-11m/s上升到2.8×10-11m/s，增長了2.26倍。水在老化改性瀝青中的滲透速度由1.1×10-11m/s上升到2.16×10-11m/s，增長了1.96倍。

可以發現：在相同溫度下，水在不同厚度的瀝青膜中平均滲透速度不一樣。對于60℃水溫環境而言，基質瀝青膜厚從5.8μm增加到9.67μm，滲透速度由3.4×10-11m/s 降為1.6×10-11m/s，減慢了2.1倍。改性瀝青膜厚從5.35μm增加到9.31μm，滲透速度由3.1×10-11m/s將為1.4×10-11m/s，減慢了2.3倍。

圖6 油石比為5.0%時平均滲透速度

圖7 60℃水溫時平均滲透速度

4 結語

（1）水長時間與瀝青膜接觸會透過瀝青膜到達瀝青膜與集料界面，減弱瀝青與集料之間的粘附性，降低瀝青混凝土的性能。根據實驗結果推斷，保證瀝青膜在短時間內不被水滲透，建議瀝青膜厚度大于7.5μm。（2）水在較薄的瀝青膜中滲透速度較快，當瀝青膜較厚，水進一步滲透時，速度會比較慢。（3）隨著溫度的升高，水的滲透速度變快。（4）無論是基質瀝青還是改性瀝青老化之后，水的滲透速度都會變快?；|瀝青老化后，水溫在40℃以下時滲透速度增長1.3倍，60℃時滲透速度增長2.3倍。改性瀝青老化后滲透速度增長1.4～1.6倍。（5）水在不同瀝青膜中滲透速度按從大到小的順序為：老化基質瀝青﹥老化改性瀝青﹥基質瀝青﹥改性瀝青。水的滲透速度對溫度的敏感性由大到小的順序為：老化基質瀝青﹥老化改性瀝青﹥基質瀝青﹥改性瀝青。

參考文獻

[1] 張登良.瀝青路面工程手冊[M].北京：人民交通出版社，2003.

[2] 蘭宏.瀝青路面水損害行為及機理研究[D].西安：長安大學，2011.

[3] 申愛琴.長壽命瀝青路面合理結構及瀝青混合料設計、施工質量控制關鍵技術研究[R].2010.