空隙率對瀝青混凝土抗凍融循環破壞性能的影響研究

劉 濤，戴 勁，謝嚴君

（1.湖北省建筑科學研究設計院股份有限公司，湖北 武漢430071；2.葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北 宜昌443002）

我國高等級公路最常采用的是半剛性基層和瀝青路面層的組合結構形式[1]，這種結構形式兼顧了交通道路高承載力和行車舒適性的要求。但瀝青路面極容易產生一些早期病害，水損害就是瀝青路面最常見的早期病害之一[2]。水對瀝青混凝土的破壞大致可以分成兩個方面：破壞集料與瀝青膠漿間的粘結作用；使瀝青本身的內聚力逐漸喪失[3-4]。隨著水損害程度的加重，瀝青路面最終出現坑槽、掉粒等問題。可見研究瀝青混凝土的水損害問題對于科學提高瀝青路面的服役耐久性具有關鍵的作用。

目前主要是按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程（JTG E20-2011）》中的兩個試驗方法來評價瀝青混凝土的抗水損害性能[5]。一是殘留馬歇爾穩定度試驗，該試驗是模擬高溫和水復合作用對瀝青混凝土路面的破壞情況，即將瀝青混凝土馬歇爾試件置于熱水浴中一定時間，測定在熱水破壞前后馬歇爾試件穩定度的損失情況，以此反映瀝青混凝土抵抗熱水破壞的能力。二是劈裂強度比試驗，該試驗同樣是反映溫度和水復合作用對瀝青混凝土的破壞情況，不同的是此時溫度呈高低溫交替變化，模擬凍融循環破壞過程。通過測定在凍融循環破壞前后馬歇爾試件的劈裂強度損失情況，以此反映瀝青混凝土抵抗凍融循環破壞的能力。

綜上，現行試驗方法都是通過瀝青混凝土試件力學性能指標在水損前后的變化情況來間接反映瀝青混凝土路面的水穩定性。而瀝青混凝土路面的空隙率指標與路面結構形式息息相關，空隙率的改變必然會伴隨有路面結構上的改變，因而通過研究水損害前后瀝青混凝土試件空隙率的變化，可更加直觀揭示出水對瀝青混凝土的破壞。因此，本文以瀝青混凝土試件的空隙率為研究對象，通過凍融循環破壞前后瀝青混凝土馬歇爾試件空隙率的變化來分析瀝青混凝土的水穩定性。

1 原材料

瀝青路面作為交通道路的最上層結構，其直接受行車荷載、溫度和水分等環境因素的作用，因而瀝青混凝土路面需具有較好的路用性能，而實現這一目標的前提是制備瀝青混凝土所用的原材料質量要比較高。我國大多數實際工程目前多采用耐磨抗滑的集料和高等級瀝青膠結料來制備瀝青混凝土。為使本研究成果與工程實踐能緊密結合，本研究中也采用實體工程中常采用的原材料類型。集料采用耐磨抗滑的玄武巖集料，填料采用礦粉，膠結料采用SBS 改性瀝青。按照《公路工程集料試驗規程（JTG E42-2005）》[6]和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程（JTG E20-2011）》[5]檢驗玄武巖集料、填料和SBS改性瀝青的性質，結果如表1 至表3 所示。從表中數據可以看出，本研究中所用的原材料性能優良，滿足《公路瀝青路面施工技術規范（JTG F40-2004）》[7]對集料、填料以及瀝青膠結料等原材料的性質要求。

表1 玄武巖集料性能測試結果

表2 SBS 改性瀝青性能測試結果

表3 填料性能測試結果

2 試驗方法

按照馬歇爾設計方法設計瀝青混凝土，本研究中選用AC-13C 作為設計級配。礦質原材料摻配而成的合成級配如圖1 所示，其中玄武巖粗集料約占55%、細集料約占42%，剩下的3%為礦粉。本研究中涉及四種初始空隙率的馬歇爾試件：4%、6%、8%和10%，其中4%為設計空隙率，其余空隙率的試件通過改變馬歇爾擊實儀的擊實次數實現。

對應每一個初始空隙率試驗組，制備4 個瀝青混凝土馬歇爾試件，測定各試件的初始空隙率。將試驗組試件作為一個整體施加n 次凍融循環破壞（n=2、4、6、8），再次測定n 次凍融循環破壞后各試件的空隙率。對比試驗組試件在凍融循環破壞前后空隙率的變化情況，分析馬歇爾試件初始孔隙率對瀝青混凝土抗凍融破壞性能的影響。

3 結果與討論

不同初始空隙率（目標空隙率）的試驗組各個試件的實際空隙率如圖2 所示，從圖中可以看出，對于任意的試驗組，試件的實際空隙率與要求的初始空隙率均存在一定的偏差。對于要求初始空隙率為4%的試驗組，試件的實際空隙率為3.7%～4.3%，平均值4.0%，標準差0.28%；對于要求初始空隙率為6%的試驗組，試件的實際空隙率為5.7%～6.4%，平均值6.0%，標準差0.33%；對于要求初始空隙率為8%的試驗組，試件的實際空隙率為7.6%～8.4%，平均值8.0%，標準差0.35%；對于要求初始空隙率為10%的試驗組，試件的實際空隙率為9.7～10.5%，平均值10.1%，標準差0.34%。這主要是因為瀝青混凝土馬歇爾試件的制備受多重因素的影響，難以保證在制備不同馬歇爾試件時所有變量因素均保持平行，如瀝青混凝土的均勻性、裝填方式、擊實溫度等。本研究中，對于不同的試驗組，試件的實際空隙率平均值與試驗要求值基本一致，且不同試驗組的各個試件實際空隙率波動程度較小且相當。說明盡管瀝青混凝土馬歇爾試件的制備受諸多因素的影響，本研究中馬歇爾試件的均勻性依然控制的較好。

不同初始空隙率的試驗組經受多次凍融循環破壞后的馬歇爾試件空隙率變化情況如圖3 所示。結果顯示，無論是初始孔隙率大的試驗組還是小的試驗組，隨著凍融循環次數的增加，試驗組試件的平均空隙率均呈現出快速增加的趨勢。對于初始空隙率為4%、6%、8%和10%的試驗組，經過8 次凍融循環破壞后，馬歇爾試件的平均空隙率數值上分別增加了1.7%、2.6%、3.7%和5.8%。說明凍融循環過程對瀝青混凝土的破壞是十分顯著的。

將不同試驗組試件平均空隙率數值上的增長量換算成增長百分數來看，對于初始空隙率為4%、6%、8%和10%的試驗組，經過8 次凍融循環破壞后，馬歇爾試件的平均空隙率分別增長了42.5%、43.3%、46.3%和57.4%。可見馬歇爾試件初始空隙率的大小顯著影響著瀝青混凝土抵抗凍融循環破壞的能力。經受相同次數的強凍融循環破壞后，初始空隙率低的試件空隙率的增長幅度低于初始空隙率高的馬歇爾試件。且隨著馬歇爾試件初始空隙率的增加，凍融循環破壞后，馬歇爾試件的空隙率增幅進一步提高。這主要是因為對于密集配瀝青混凝土而言，隨著馬歇爾試件初始空隙率的增加，瀝青混凝土中瀝青膠漿包裹的集料顆粒間的接觸面積減少，瀝青混凝土體系的粘聚、粘附性能逐漸減弱，致使大空隙率的馬歇爾試件更容易遭受凍融循環破壞。凍融循環破壞過程中，浸入到馬歇爾試件內部的水分在凍結和融化反復交替中造成試件的膨脹和收縮，引起馬歇爾試件體積參數的改變，空隙率的變化就是一個代表。對于初始空隙率大的馬歇爾試件，試件體積參數的變化更加顯著，如本研究中初始空隙率為10%的試驗組，8 次凍融循環破壞后，馬歇爾試件的平均空隙率呈現跳躍上升，這是馬歇爾試件結構上失穩的典型表現。

圖1 本研究中采用的AC-13C 合成級配

圖2 不同初始空隙率要求的試驗組各個試件的實際空隙率

圖3 凍融循環破壞后馬歇爾試件空隙率的變化情況

4 結論

相比通過瀝青混凝土馬歇爾試件劈裂強度的變化來間接評價瀝青混凝土抗凍融破壞能力的傳統方法，本研究中通過瀝青混凝土馬歇爾試件空隙率的變化來反映瀝青混凝土抗凍融破壞能力的方法更加直觀。研究結果表明，對于大空隙率的瀝青混凝土馬歇爾試件，因瀝青混凝土體系的粘聚及粘附性能要弱于小空隙率的瀝青混凝土馬歇爾試件，其對凍融循環破壞更加敏感。因而大空隙率的瀝青路面更容易發生凍融循環破壞。