一種基于電學特性的瀝青混凝土吸水狀況推測方法

郭慶林，鄂豐銘，劉強，高穎

摘要：瀝青路面在使用過程中不可避免會受到自然降水和地下水的影響，水分交替作用最終將導致瀝青路面的水損害，而以往室內測定瀝青混凝土含水率的方法無法對瀝青路面的干濕狀態進行快速評定。為了快速評定瀝青路面的干濕狀態，采用電學方法推測瀝青混凝土的含水率。以密實型瀝青混凝土電阻特性為依據，測量浸水前后瀝青混凝土電阻率的變化，進而建立瀝青混凝土吸水率與其電阻率的數學關系，以電阻率來推測瀝青混凝土內部的含水率。結果表明，瀝青混凝土含水率與電阻率對數值具有良好的線性相關性，瀝青混凝土吸水率越大，電阻越小。所提方法可為不同瀝青混凝土面層的干濕狀況評定提供一定的借鑒。

關鍵詞：路基工程;瀝青混凝土;電阻率;吸水率;推測方法

中圖分類號：U416.217文獻標識碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2020yx01001

An estimation method for the absorbed moisture of asphalt

concrete based on electrical resistance

GUO Qinglin， E Fengming， LIU Qiang， GAO Ying

（School of Civil Engineering， Hebei University of Engineering， Handan， Hebei 056038， China）

Abstract：Asphalt pavement is inevitably affected by the natural precipitation and groundwater in the service stage. Hydrologic cycle will eventually lead to the moisture damage of asphalt pavement. However， the existing indoor method for moisture measurement of asphalt concrete cannot quickly assess the pavement wetting state. Therefore， in order to evaluate the wet and dry state of asphalt pavement quickly， an electrical method is proposed to estimate the moisture content in the asphalt concrete in this paper. And， the electrical resistance of dense asphalt concrete is measured before and after soaking. Then， the mathematical relationship between absorbed moisture and electrical resistance of asphalt concrete is established. The absorbed moisture can be estimated using the electrical resistance of asphalt concrete. Results show that a linear relationship exists between the content of absorbed moisture and the logarithm of electrical resistance. The more the absorbed moisture is， the smaller the electrical resistance is. This method can be used to evaluate the dry/wet condition of asphalt pavement.

Keywords：road engineering; asphalt concrete; electrical resistance; moisture uptake; estimation method

暴露在自然環境中的瀝青路面由于經受降雨的長期反復作用，雨水會逐漸擴散到瀝青混凝土內部，久而久之會造成瀝青路面的松散、剝落等病害[16]。研究表明，水在瀝青混凝土內部的運動過程一般分為2個階段：第1階段，自由水填充大孔隙，吸水率快速增大;第2階段，水分向微孔隙擴散并在膠結料擴散中達到上限，長期作用下瀝青膠結內聚力與集料瀝青膜間粘結力下降，飛散質量損失率增大[711]。因此，對瀝青路面干濕狀況的研究有助于評價降雨對瀝青路面的影響程度。一直以來，主要采用稱重法對瀝青混凝土含水狀態進行測定[12]，而對于瀝青路面干濕狀態的評價仍缺乏有效的測試方法。2017年，馬曉霞等[13]對瀝青混凝土的含水介電性能進行研究，指出瀝青混凝土介電常數會隨著含水率增加而上升，利用介電常數與含水率相關性模型可以估計瀝青路面的干濕狀態。郭慶林等[14]提出一種瀝青混凝土電阻測量裝置，通過分析馬歇爾試件的電阻率與含水率的關系來預估瀝青路面的含水率。宋杰等[15]指出非飽和土電阻率隨含水率增加呈冪指數減小的規律，建立了電阻率與含水率、壓實度的關系模型，運用電阻率方法評價了非飽和土的壓實狀況。文獻[16—18]也指出瀝青混凝土含水率增加會引起其電阻的變化。因此，通過瀝青混凝土電阻特性的變化推測其含水率具有一定的可行性。本文以馬歇爾試件為對象，研究瀝青混凝土在不同浸水時間下的電阻特性變化規律，進而以此推測瀝青混凝土含水率。

1試驗測試方案

1.1試驗材料與級配

本文采用AH70#瀝青，主要性能指標如表1所示。采用的級配類型為AC13型密實型級配，級配曲線如圖1所示。經馬歇爾試驗確定最佳油石比為50%。試驗采用尺寸為Φ101.6 mm×63.5 mm標準馬歇爾試件，瀝青混凝土表觀密度為2.39 g/cm3，理論相對最大密度為2.53 g/cm3，孔隙率為5.6%。

第1期郭慶林，等：一種基于電學特性的瀝青混凝土吸水狀況推測方法河北工業科技第37卷表1AH70#瀝青技術性能指標

Tab1Properties of asphalt AH70#

指標測試值針入度（25 ℃，100 g，5 s，0.1 mm）68延度/cm（15 ℃）>100軟化點/℃48密度/（g·cm-3）1.034閃點/℃285黏度/（Pa·s）（135 ℃）0.468

1.2含水率測定方法

采用稱重法測定瀝青混凝土含水率。測量出的馬歇爾試件浸水前、后的質量分別記為m1，m2，則浸水一定時間后的試件含水率ωt可通過式（1）計算得到。

ωt=m2-m1m1×100。 ? ? ?（1）

1.3電阻特性測試方法

為了使測試結果更具代表性，試件浸水溫度分別采用5，30，60 ℃，為提高自由水的導電性，在水中加入少許NaCl，配置成質量分數為005%的鹽溶液進行浸水。浸水時間分別為0，6，12，24，48 h;浸水完成后，稱量好2份7 g粉狀石墨作為導電連接電極平鋪于馬歇爾試件上下表面;同時在平鋪石墨粉上放置長8 cm、寬1.5 cm的銅片。為避免電極極化效應，在銅片上方施加一重物，從而保證各電極的良好接觸。馬歇爾試件電阻測量裝置如圖2所示。

測量完成后，計算電阻特性值。為避免試件厚度差異的影響，選用單位長度的電阻率作為考察指標，探討電阻值與含水率的相關性。為降低離散性，保證測試精度，每組試驗條件分別制備6個平行試件，總計15組試件，參與測試的試件總數為90個。

2結果分析

2.1瀝青混凝土含水率隨浸水時間的變化規律

由圖3可以看出，瀝青混凝土試件的含水率在初期浸水（12 h以內）時增長較快，后期增長速度減慢。浸水初期水分快速進入試件表面空隙，后期由于密級配瀝青混凝土空隙較少，水分向瀝青混凝土內部的運動轉為擴散形式，故而含水率增長速度減慢。從圖3中還可以看出，當浸水時間較短時，溫度對水擴散的影響不顯著。當浸水超過20 h后，水溫越高水分向瀝青混凝土內部擴散的速度越快，說明水溫對水擴散的速率具有顯著影響。

2.2瀝青混凝土電阻率隨浸水時間的變化規律

由圖4可以看出，電阻率隨浸水時間的延長呈現非線性減小的趨勢，且隨浸水時間延長呈現對數遞減趨勢。說明水分擴散進入瀝青混凝土后形成了導電通道，隨著水分擴散的不斷加劇，導電通道逐漸增多，進而導致了瀝青混凝土電阻率的快速減小。從圖4還可以看出，溫度對瀝青混凝土的電阻率的影響不顯著，這主要是由于瀝青混凝土內部的隨機結構差異所造成的。

2.3瀝青混凝土電阻率與含水率的關系

由圖3及圖4可以看出，含水率隨浸水時間延長而增大，而電阻率隨浸水時間延長而減小，為了建立由電阻率推測瀝青混凝土內部含水率的數學關系，對含水率及電阻率進行了回歸分析，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，馬歇爾試件電阻率與含水率之間存在對數函數關系。二者相關性系數為0.847 3，具有良好的相關性，說明瀝青混凝土含水率與電阻率對數值呈線性相關關系，采用電阻率推測瀝青混凝土內部的含水率具有一定的可行性。電阻率越大，瀝青混凝土含水率越小。

3結論

1）密級配瀝青混凝土含水率隨浸水時間的延長而逐漸增大，初期增長較快，后期水分擴散速率減慢。溫度對水擴散速率具有顯著影響，水擴散速率隨著溫度的升高而增大。

2）瀝青混凝土電阻率隨浸水時間的延長而降低，呈現對數遞減趨勢。

3）瀝青混凝土含水率與電阻率對數值存在良好的線性相關性，未來可以利用瀝青混凝土電阻率測試結果快速評定瀝青混凝土面層的干濕狀況。本文只對AH70#瀝青混凝土進行了研究，還需要對其他類型的瀝青混凝土作進一步試驗驗證。

參考文獻/References：

[1]王聰，馬飛. 不同空氣壓力下瀝青混凝土的透水性[J]. 公路交通科技，2014，31（4）：5256.

WANG Cong， MA Fei. Research on permeability performance of asphalt concrete under different air pressures [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2014， 31（4）：5256.

[2]羅蓉，柳子堯，黃婷婷，等. 凍融循環對瀝青混合料內水氣擴散的影響[J]. 中國公路學報， 2018，31（9）：2026.

LUO Rong， LIU Ziyao， HUANG Tingting， et al. Effects of freezingthawing cycles on water vapor diffusion in asphalt mixtures[J]. China Journal of Highway and Transport， 2018， 31 （9）：2026.

[3]何中南. 長期浸水對瀝青和集料瀝青界面性能損傷的實驗研究[J].中外公路， 2012， 32（4）： 261263.

HE Zhongnan. Experimental study on damage of asphalt and aggregateasphalt interface by longterm immersion[J]. Journal of China & Foreign Highway， 2012， 32 （4）： 261263.

[4]高穎，郭慶林，王可意，等. 不同形狀假設下瀝青混凝土級配快速識別效果對比[J].鐵道科學與工程學報， 2018， 15（9）： 22522257.

GAO Ying， GUO Qinglin， WANG Keyi， et al. Comparative analysis on the fast recognized gradation of asphalt concrete under different shape assumptions [J]. Journal of Railway Science and Engineering， 2018， 15（9）： 22522257.

[5]郭慶林，程永春，陶敬林. 瀝青混凝土數字圖像集料粘連效應分割方法研究[J]. 公路交通科技， 2015， 31（3）： 3236.

GUO Qinglin， CHENG Yongchun， TAO Jinglin. Research of aggregate adhesion effect segmentation method in asphalt concrete digital image [J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development， 2015， 31 （3）： 3236.

[6]郭慶林. 瀝青混合料內部應力分布及其對粘彈性能的影響研究[D].長春：吉林大學，2013.

GUO Qinglin. Research on Internal Stress Distribution of Asphalt Mixture and Its Impact on Viscoelastic Performance[D]. Changchun： Jilin University， 2013.

[7]ABUAWAD I M A， AlQADI I L， TREPANIER J S. Mitigation of moisture damage in asphalt concrete： Testing techniques and additives/modifiers effectiveness[J]. Construction and Building Materials， 2015， 84： 437443.

[8]MA T， GENG L， DING X， et al. Experimental study of deicing asphalt mixture with antiicing additives[J]. Construction and Building Materials， 2016， 127： 653662.

[9]WANG W， WANG L， XIONG H， et al. A review and perspective for research on moisture damage in asphalt pavement induced by dynamic pore water pressure[J]. Construction and Building Materials， 2019， 204：631642.

[10]BOZORGZAD A， KAZEMI S F， MOGHADAS N F. Evaporationinduced moisture damage of asphalt mixtures： Microscale model and laboratory validation[J]. Construction and Building Materials， 2018， 171：697707.

[11]XU H， XING C， ZHANG H， et al. Moisture seepage in asphalt mixture using Xray imaging technology[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2019， 131：375384.

[12]劉丹. 干濕交替作用下瀝青混凝土高溫性能變化規律研究[D].邯鄲：河北工程大學，2018.

LIU Dan. Study on High Temperature Performance of Asphalt Concrete under Drywet Alternation[D]. Handan： Hebei University of Engineering， 2018.

[13]馬曉霞，張鵬，鐘靜. PAC件含水量與介電常數的相關性研究[J].公路工程， 2017，42（1）： 253256.

MA Xiaoxia， ZHANG Peng， ZHONG Jing. Study on the relationship between PAC specimen moisture content and dielectric constant [J]. Highway Engineering， 2017， 42 （1）：253256.

[14]郭慶林，劉富春，張鵬，等.快速檢測瀝青路面材料含水率用的電阻測量裝置[P].中國：ZL201821994146.2， 20190701.

[15]宋杰，李術才，劉斌，等.基于電阻率特性的非飽和土壓實度定量評價方法[J]. 長安大學學報（自然科學版）， 2015， 35（6）： 3341.

SONG Jie， LI Shucai， LIU Bin， et al. Quantitative assessment method of unsaturated soil compaction degree based on resistivity property[J]. Journal of Changan University （Natural Science Edition）， 2015， 35（6）：3341.

[16]趙蕾.瀝青混凝土導電性的影響分析[J].山西建筑， 2017，43（9）：129131.

ZHAO Lei. Discussion on silica powder performance in concrete [J].Shanxi Architecture， 2017，43（9）： 129131.

[17]LIU X， WANG C， DENG Y， et al. Computation of fractal dimension on conductive path of conductive asphalt concrete[J]. Construction and Building Materials， 2016， 115：699704.

[18]何永佳，敖灶鑫，呂林女，等.融雪化冰用鋼渣導電瀝青混凝土的電阻穩定性[J].北京工業大學學報， 2011， 37（1）： 8084.

HE Yongjia， AO Zaoxin， L Linnü， et al. Electrical resistance stability on conductive asphalt concrete using steel slag as aggregate for deicing and snowmelting [J]. Journal of Beijing University of Technology， 2011， 37 （1）： 8084.

收稿日期：20190805;修回日期：20190916;責任編輯：馮民

基金項目：國家自然科學基金（51508150）;國家重點研發計劃（2018YFF0300201）;河北省自然科學基金（E2018402206）; 河北省教育廳青年拔尖人才計劃（BJ2017034）

第一作者簡介：郭慶林（1984—），男，山東肥城人，副教授，博士，主要從事瀝青混凝土細觀損傷理論方面的研究。

Email：guoql@hebeu.edu.cn

郭慶林，鄂豐銘，劉強，等.一種基于電學特性的瀝青混凝土吸水狀況推測方法[J].河北工業科技，2020，37（1）：14.GUO Qinglin，E Fengming，LIU Qiang，et al.An estimation method for the absorbed moisture of asphalt concrete based on electrical resistance[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2020，37（1）：14.