離析對濕熱地區瀝青混合料長期水穩定性的影響

楊智敏，曾國鵬，郭寅川，肖 葳，毛松純，牟 戈

(1.嘉興市交通工程質量安全服務中心，嘉興 314000；2.長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室，西安 710064)

0 引 言

瀝青路面具有良好的連續性、平整性，以及優異的路用性能，是我國高速公路路面的主要形式[1]。離析[2]是瀝青路面常見的一種質量缺陷，即不同粒徑的集料在瀝青混合料中分布不均勻，混合料在拌和、運輸以及攤鋪過程中都可能存在離析現象。離析主要分為級配離析和溫度離析，級配離析是指粗、細集料分布不均勻，溫度離析則是指攤鋪、碾壓溫度不均勻[3-4]。離析的存在使得碾壓成型后的瀝青路面整體均勻性受損，從而降低了瀝青混合料的路用性能[5-6]，導致瀝青路面早期病害頻繁出現[7-9]。

瀝青路面的早期破壞[10]與離析對瀝青混合料水穩定性有重要影響，學者們就離析對瀝青混合料的水穩定性的影響已展開一定程度的研究。姜旺恒等[11]通過模擬動水壓力試驗研究了瀝青混合料的抗水損害能力，結果顯示級配離析使混合料的劈裂強度損失了30%。韓冷[12]分別采用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗研究了混合料的水穩定性，發現粗集料離析對混合料的水穩定性有衰減作用，細集料離析則有提升作用。張爭奇等[13]通過試驗也得到了同樣的結果，原因在于細集料離析增大了集料的比表面積和結構瀝青的比重，提高了瀝青與集料間的黏聚力；粗集料離析則會使混合料內部空隙率增大，集料的比表面積減小，結構瀝青比重下降，集料與瀝青的黏附性降低，從而降低混合料的水穩定性。然而在上述的離析對水穩定性研究中，并未考慮實際工程的氣候條件。對于降水與高溫交替存在的濕熱地區，水對混合料的作用形式為干濕循環，研究干濕循環對瀝青混合料水穩定性的影響具有重要意義。因此本文基于濕熱地區的氣候條件，以干濕循環為試驗變量，分別設置級配離析和溫度離析，研究不同離析狀況對瀝青混合料長期水穩定性的影響。

1 實 驗

1.1 級配離析類型

為了模擬實際工程中不同的級配離析狀況，本文依托杭州灣大橋北接線(二期)公路工程確定了級配A。參考《季凍區瀝青混合料離析測評、預防與控制關鍵技術研究》相關成果[14]，借助計算機進行礦料級配設計，將4.75 mm篩孔的通過率偏差控制在2.5%～3.0%，使合成級配曲線盡量在生產配比曲線的上方，由此得到細集料離析(B)的合成級配；0.075 mm篩孔的通過率偏差控制在-0.5%～-1.0%，2.36 mm、4.75 mm篩孔的通過率偏差控制在-1.5%～-3.0%，盡量使13.2 mm和9.5 mm篩孔的通過率偏差小于-2.0%，由此得到輕微離析(C)的合成級配；0.075 mm篩孔的通過率偏差控制在-1.0%～-2.0%，2.36 mm、4.75 mm篩孔的通過率偏差控制在-1.5%～-3.0%，盡量使13.2 mm和9.5 mm篩孔的通過率偏差小于-3.0%，由此得到中度離析(D)的合成級配；0.075 mm篩孔的通過率偏差控制在-2.0%～-3.0%，2.36 mm、4.75 mm篩孔的通過率偏差控制在-3.0%～-4.0%，盡量使13.2 mm和9.5 mm篩孔的通過率偏差小于-4.0%～-5.0%，由此得到重度離析(E)的合成級配。表1為最終合成的不同離析類型的瀝青混合料級配。

表1 不同離析類型的瀝青混合料級配

1.2 溫度離析類型

為了研究干濕循環狀態下溫度離析對瀝青混合料長期水穩定性的影響，制作4種不同成型溫度的瀝青混合料試件，擊實成型溫度分別為170 ℃、155 ℃、140 ℃、125 ℃。

1.3 試驗條件

干濕循環條件既可以模擬濕熱地區高溫與降水循環出現的場景，又能夠使水與瀝青膜充分接觸，因此采用干濕循環試驗來研究離析對瀝青混合料長期水穩定性的影響。采用(60±0.5) ℃流動水浴來模擬潮濕環境，室溫自然風干模擬干燥環境，通過觀察浙江省嘉善縣路面，發現雨后潮濕時間與干燥時間的比例接近1 ∶5，因此粗略地將試驗的潮濕時間與干燥時間比例定為1 ∶5。相關研究[15]表明，當瀝青混合料水浴2 h后，水分已經充分進入混合料的空隙。為了方便試驗，本文共設定1次、3次、6次、8次、10次干濕循環為試驗周期。

1.4 試驗方法及測試參數

為了研究干濕循環狀態下離析對長期水穩定性的影響，制作5種不同類型級配的瀝青混合料試件共54個，將其平均分為3組，每組18個試件，編號為1～18。其中每組的1～6號試件60 ℃水浴0.5 h，用于測試馬歇爾穩定度；7～12號試件用于測試不同干濕循環周期下的試件殘留穩定度；13～18號試件用于測試干濕循環下的試件空隙率。

2 結果與討論

2.1 干濕循環狀態下級配離析對長期水穩定性的影響

2.1.1 干濕循環狀態下空隙率的變化規律

通過排水法測試瀝青混合料的空隙率，得到不同級配的瀝青混合料在干濕循環作用下的空隙率，結果如圖1所示。

由圖1可知，細集料離析的瀝青混合料空隙率整體最低，重度離析下的空隙率整體最高，在同一干濕循環作用周期后，瀝青混合料的空隙率排序為：細集料離析(B)<無離析(A)<輕度離析(C)<中度離析(D)<重度離析(E)。其中細集料離析相比于無離析時的空隙率減少了約1個百分點，輕度離析與無離析相比增加了1個百分點左右，中度離析相較于無離析時的空隙率也增加了約1.5個百分點，重度離析下的空隙率相對于無離析時增加了近2個百分點，說明隨著離析程度的增加，其空隙率的變化也越大。隨著干濕循環次數的增加，各種離析程度下的瀝青混合料的空隙率都相應增加，其中細集料離析與重度離析時均增加了0.34%，無離析時增加了0.17%，輕度離析時增加了0.22%，中度離析時增加了0.19%。空隙率增加的最大值僅為0.34%，結果表明干濕循環次數對瀝青混合料空隙率增加的幅度有限。

圖1 干濕循環作用下的不同級配離析狀態的瀝青混合料空隙率

2.1.2 干濕循環狀態下混合料穩定度的衰減規律

通過馬歇爾穩定度儀測試不同級配的瀝青混合料在干濕循環作用下的馬歇爾穩定度，結果如圖2所示。

圖2 干濕循環下不同級配離析狀態的瀝青混合料的馬歇爾穩定度

由圖2可知，在初始狀態下，即未進行干濕循環作用時，當瀝青混合料發生細集料離析，其馬歇爾穩定度值最大，主要原因在于級配偏細，細集料偏多，油石比增大，空隙率變小，瀝青與集料之間的黏結力增大，集料不易剝落，從而抗水害能力有所增強[16]。相對而言，除細集料離析外，其他級配離析的混合料馬歇爾穩定度都比無離析的要低，其中輕度離析與中度離析下降較小，分別下降了11.1%、23.7%，降幅最大的是重度離析，其馬歇爾穩定度比無離析狀態降低了近44.2%。隨著干濕循環試驗的進行，各離析程度的瀝青混合料的馬歇爾穩定度都有所下降，在前6次干濕循環作用下馬歇爾穩定度呈快速下降的趨勢，而第6～10次干濕循環狀態下的馬歇爾穩定度下降較為緩慢，其中第8次與第10次干濕循環后的馬歇爾穩定度相差較小，下降幅度僅介于0.15～0.22個百分點之間。

計算每一次干濕循環后的殘留穩定度發現，細集料離析的混合料在干濕循環狀態下不易出現強度損耗，在第10次干濕循環后，其仍有87.8%的殘留穩定度；而對于重度離析的混合料，第1次干濕循環后僅剩余79.8%的殘留穩定度，在第10次干濕循環后，殘留穩定度下降到67.4%；與無離析的混合料相比，輕度離析的混合料的殘留穩定度下降幅度并不明顯，第10次干濕循環后其殘留穩定度與無離析狀態的差值僅為3.48%;中度離析條件下的瀝青混合料殘留穩定度有小幅度的下降。為深入研究瀝青混合料水穩定性的衰減規律，確定干濕循環作用對混合料水穩定性的影響程度，采用非線性擬合法對不同干濕循環周期下的瀝青混合料殘留穩定度進行擬合，擬合得到各級配離析狀態下瀝青混合料的殘留穩定度的衰減曲線(見圖3)。

圖3 不同級配離析狀態下瀝青混合料殘留穩定度的衰減曲線

由圖3可得，隨著干濕循環次數的增加，混合料的殘留穩定度整體呈下降趨勢，且下降的速度先快后趨于緩慢。這種變化的產生與水對瀝青膜的侵蝕過程有關，當外界水進入到瀝青混合料內部后，在汽車荷載的作用下產生動水壓力，在動水壓力作用下，水與瀝青膜發生置換、乳化等作用[17]，導致瀝青與集料的黏附性快速降低，當作用至一定程度后，其降低黏附性的能力開始衰退。因此推測，無論瀝青混合料是否存在離析，干濕循環對瀝青混合料的作用效果存在轉折點，即干濕循環前期對混合料殘留穩定度的作用顯著，在達到轉折點后，作用效果逐漸變得緩慢。為了確定轉折點的位置，將圖3進行拆分，繪制如圖4所示的干濕循環作用下各級配類型的瀝青混合料殘留穩定度擬合曲線。

圖4 不同級配離析類型的瀝青混合料殘留穩定度擬合曲線

瀝青與水接觸發生置換、乳化反應后黏結性降低的程度是一定的，所以，混合料前期的殘留穩定度下降速度越緩慢，就越能延后干濕循環作用發生衰退的時間，從而使混合料抵抗干濕循環侵蝕的能力增強，其水穩定性也越好。如圖4所示，細集料離析的混合料在第6次干濕循環之后出現殘留穩定度的下降轉折點；無離析的混合料在試驗過程中出現轉折點的干濕循環作用次數為6次；隨著離析程度的加重，出現轉折點的干濕循環次數也在降低，觀察圖4(e)，重度離析的混合料在第5次干濕循環就開始出現殘留穩定度的下降轉折點。

出現這種現象的主要原因在于，在前期的潮濕環境中，水分移動和滲透效果一般，水分主要吸附于液態水易到達的區域。當試件從潮濕環境轉換到干燥環境時，進入混合料內部的水分蒸發汽化，將混合料淺層的水分帶入更深的區域，且發生離析的程度越嚴重，水分進入的區域也更深，瀝青膜也更容易受到水分的滲透與剝蝕，因而出現了隨著離析程度加重，混合料殘留穩定度的下降轉折點逐漸前移的現象。

2.2 干濕循環狀態下溫度離析對長期水穩定性的影響

2.2.1 干濕循環狀態下空隙率變化規律

通過排水法測試瀝青混合料的空隙率，得到干濕循環作用下的不同擊實溫度下的瀝青混合料空隙率，結果如圖5所示。

圖5 干濕循環狀態下的不同擊實溫度的瀝青混合料的空隙率

由圖5可得，隨著溫度降低，瀝青混合料不易被擊實成型，瀝青混合料的空隙率相應增加。在干濕循環狀態下，擊實溫度越高的混合料空隙率增加幅度越小，擊實溫度越低的混合料空隙率增加的幅度相對較大。其中在125 ℃下擊實的混合料的空隙率增加幅度尤為明顯，第10次干濕循環下的空隙率要比初始空隙率高出0.33個百分點，相比較而言，170 ℃下擊實的空隙率僅高出0.13個百分點，表明擊實溫度越低的瀝青混合料越容易受到干濕循環的影響。在125 ℃擊實成型的瀝青混合料，其空隙率相比于155 ℃時增加了近1.7個百分點；擊實溫度為140 ℃的瀝青混合料與155 ℃時相比，其空隙率增加不到1個百分點；155 ℃擊實成型的混合料與170 ℃相比，其空隙率增加不到1個百分點。因此，在進行施工時，應保證瀝青混合料的壓實溫度與規范一致。

2.2.2 干濕循環狀態下穩定度衰減規律

通過馬歇爾穩定度儀測試不同擊實溫度下的瀝青混合料在干濕循環作用下的馬歇爾穩定度，結果如圖6所示。

由圖6可知，在未進行干濕循環試驗時，隨著擊實溫度的下降，混合料的馬歇爾穩定度也隨之下降，155 ℃時下降了約17.6%，140 ℃時下降了約24.6%，降幅最大的是125 ℃，其馬歇爾穩定度比170 ℃下擊實的混合料約低37.1%。隨著干濕循環試驗的進行，各擊實溫度下的混合料的馬歇爾穩定度都有所下降，前6次干濕循環狀態下的馬歇爾穩定度呈快速下降趨勢，而第6～10次干濕循環狀態下的馬歇爾穩定度下降速度較為緩慢，第8次與第10次干濕循環的后的馬歇爾穩定度相差較小，下降幅度介于0.02～0.09 kN，遠低于因級配離析而導致的下降幅度。通過計算每一次干濕循環后的殘留穩定度發現：無離析的混合料在干濕循環下最不易出現強度損耗，在第10次干濕循環后，仍有82.8%的殘留穩定度；當擊實溫度為155 ℃時，其殘留穩定度下降較小，在第10次干濕循環后，還有80.8%的殘留穩定度；在140 ℃下，混合料的殘留穩定度下降較大，經過10次干濕循環后，殘留穩定度下降到74.2%；在125 ℃下擊實的混合料更容易出現大幅度的強度損耗，在第1次干濕循環后只剩余79.6%的殘留穩定度，第10次干濕循環后的殘留穩定度下降到69.2%。

圖6 干濕循環下的不同擊實溫度的瀝青混合料的馬歇爾穩定度

同理，使用冪函數y=a·xb對不同擊實溫度下的瀝青混合料的殘留穩定度和干濕循環作用數據進行擬合與回歸分析，最終的擬合曲線如圖7所示。

圖7 不同擊實溫度下的瀝青混合料殘留穩定度的衰減曲線

由圖7可知，溫度離析的混合料強度的衰減曲線與上述級配離析的混合料的強度衰減規律類似。在干濕循環前期，瀝青混合料的殘留穩定度一直在下降，而且降低的幅度較大；到干濕循環試驗后期，殘留穩定度的降低幅度逐漸變小并且降低速度也逐漸變緩。因此同樣推測，干濕循環試驗對溫度離析瀝青混合料的作用效果也存在轉折點。為了確定轉折點的位置，繪制不同擊實溫度下的瀝青混合料的殘留穩定度擬合曲線，如圖8所示。

圖8 不同擊實溫度下的瀝青混合料殘留穩定度擬合曲線

由圖8可知：未發生溫度離析的混合料在第6次干濕循環試驗后出現殘留穩定度的下降轉折點；隨著溫度下降，155 ℃和140 ℃下的混合料出現轉折點的干濕循環次數逐漸前移，125 ℃擊實溫度下的混合料在第5次干濕循環試驗時出現殘留穩定度的下降轉折點。這是由于混合料發生溫度離析后，不易被壓實，混合料內部的孔隙增大，水分更容易進入混合料的內部，瀝青膜更容易受到水分的滲透與剝落，使得瀝青和集料的黏附性大大降低，混合料前期殘留穩定度的下降速度增加，干濕循環作用發生衰退的時間提前，混合料抵抗干濕循環作用的能力減弱，最終出現了隨著溫度離析程度加重，轉折點前移的現象。

3 結 論

(1)隨干濕循環次數的增加，無論是否發生離析，瀝青混合料的空隙率都逐漸增大，但增加的幅度有限；且離析程度越大，瀝青混合料的空隙率變化范圍越大。

(2)隨干濕循環次數的增加，無論是否發生離析，瀝青混合料的殘留穩定度整體呈下降趨勢，且下降的速度先快后慢。推測無論是否發生離析，干濕循環對瀝青混合料的作用效果都存在轉折點。

(3)隨級配離析程度的加深，其轉折點出現逐步前移的現象，其長期水穩定性也越差。

(4)本研究結果可為濕熱地區瀝青路面施工提供指導，防范施工過程中產生級配離析，同時嚴格控制瀝青路面的壓實溫度。