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沥青混合料水稳定性如何评定(沥青混合料测定试验讲解)
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沥青混合料水稳定性如何评定(沥青混合料测定试验讲解)

作者:河北航信仪器    发布时间:2022-05-12 07:30:02     浏览次数 :


所谓水损害是指水分浸入路面破坏沥青与集料的结合,导致混合料强度逐渐降低,在交通荷载和环境等因素作用下易使路面产生松散、坑槽及局部结构性破坏等。研究表明:超过70%的沥青路面早期破坏都涉及到水损害,水损害已经成为沥青路面寿命缩短、服务质量下降的主要原因之一,因此合理而有效地对沥青混合料的水稳定性进行评价和预测具有重要意义。

对沥青混合料的评价大致分为两类:①针对松散混合料中沥青与集料间的相互作用,即沥青与集料的粘附性评价,试验方法主要包括水煮法、水浸法、示踪盐法以及NAT试验法等;②针对成型的混合料试件评价,主要包括浸水马歇尔、冻融劈裂和浸水车辙等试验。在评价沥青混合料水稳定性能时应综合考虑两种类型的方法,不可分割对待。各国可以根据国情选择恰当的试验方法与标准。

沥青与集料评价方法介绍

水煮法

中国试验规程规定,水煮法主要针对13.2~19mm粒径粗集料。试验时,先烘干洁净集料,将集料置于130~150℃的沥青中浸泡45s,确保沥青膜充分裹覆在集料表面后,冷却至室温,并将其悬挂在保持微沸状态的水中浸煮3min。至此,试验结束,取出集料,目测沥青膜裹覆情况,判断沥青膜剥落程度,确定沥青与集料的粘附等级。水煮法操作简单易行的特点对初步鉴别沥青与粗集料的粘附性有很大的作用,但试验条件难以掌握,对“微沸”状态的理解因人而异,目测剥落的百分率也存在较大误差,试验采用烘干集料并不能反映某些多空集料在施工过程中的实际情况,此外,试验过程忽视了沥青膜从细集料剥落的情况。

德国公司开发了一种新的动态冲刷水煮法试验,适用于粒径9.5~13.2mm的集料。试验将115g石料洁净、干燥后放入163℃烘箱30min,在拌和温度下加入4g沥青结合料并拌和。确定拌和完成后,在室温下冷却15h,然后放入已装100mL蒸馏水的旋转玻璃瓶中,在保温状态下旋转玻璃瓶24h。对40~70号沥青水温为(35±1)℃;70~100号沥青水温为(30±1)℃;100~150号沥青水温为(25±1)℃;150~200号沥青水温为(20±1)℃。然后观察剥落百分率,通常要求不超过40%。

美国德克萨斯的水煮法采用单颗粒的粗集料水煮10min来评价沥青膜的剥落情况。AsTm d3625水煮法试验利用配制与现场级配相同的沥青混合料来评定水对沥青裹覆集料的影响。与中国水煮法相比,AsTm d3625水煮法采用250g拌和混合料,并水煮10min。AsTm d3625水煮法浸煮时间长、剥落更严重,可用于观测细集料表面沥青膜的剥落情况。

日本道路公团试验方法KOdON 201为动态的振荡式剥离试验,按实际路面情况配制粗集料试样,用4%~8%的沥青裹覆石料后在60℃烘箱内保存15h,在不同的温度和频率内振荡15min,观察试件表面沥青膜的剥落情况,以剥落少于5%为优,5%~25%为良,25%~50%为差,50%以上为劣。

水煮法是一种用于初步判断和筛选集料的试验方法,主要反映沥青与集料之间的粘附性。不论是国内还是国外的水煮法都不能测出压实混合料的强度和粘度,且结果易受测试者主观判断等因素影响,因此,只有进行更进一步的试验分析才能准确地判断沥青混合料的水稳定性。

水浸法

*大粒径小于13.2mm的粗集料与沥青的粘附性试验应采用水浸法,根据规定的浸水温度和时间的不同可以将其分为静态水浸法和动态水浸法。

日本的标准试验方法是静态的水浸法,将裹覆完成的石料浸泡在80℃的恒温水槽中30min,然后目测沥青膜的剥落情况。水浸法通过恒定水温解决了水煮法中对“微沸”状态的不确定性,但静水状态下缺乏对样品的破坏能力,区分能力有待思考。与水煮法一样,此方法的评价方式过于主观,评价结果差异性大,适合作为初步判断的试验方法,不能用于决定性试验。动态浸水法是在静态浸水法的基础上,持续晃动试件5~30min不等,试验结束后用清水洗掉沥青膜已经剥落的颗粒,以质量损失为评价标准,质量损失小于5%的为优。

动态浸水法是在静态浸水法基础上营造了一种更为苛刻的试验环境,破坏程度有所提高。评价指标是定量的,较静态浸水法和水煮法更加客观。不过目前这种方法已经很少使用。

光电比色法

光电比色法是通过计算沥青膜的剥落率来判断沥青与集料粘附能力,此法*早由前苏联提出,后经过同济大学将其在国内推广。试验原理是基于物质对光波长是选择性吸收,光谱通过某一溶液时,某些波长的光线会被吸收,在光谱中出现对应的黑暗谱带。

试验将4.5g沥青与200g直径为2.5~5mm的洁净集料充分拌和,直到集料表面形成沥青膜,均分混合料于2个锥形瓶静放24h后,置于200mL的酚藏花红生物染料溶液,温度控制在60℃。同时利用洁净集料制备一组对比溶液,将3个锥形瓶放在60℃水浴2h后,分别取出5mL溶液装入试管冷却,测出吸光度,并计算染料残留浓度、原集料的吸附量Q1、剥落试验后的吸附量Q2,得到沥青膜剥落率Q0=Q1/Q2×100%。

示踪盐法

试验时,将示踪盐涂抹在集料表面,并分为两组后,取一组与沥青拌和形成沥青膜,都置于蒸馏水中浸泡16~18h,*测出两组试件分散在水溶液中的示踪盐浓度,取浓度比作为评价指标。

NAT试验

NAT试验方法又称为搅动水净吸附法,是美国公路战略研究计划中用于测定沥青与集料之间粘附性的成果之一。试验机理是集料表面对沥青有吸附作用,水对沥青膜有置换作用。试验时,将试验集料置于沥青与甲苯混合溶液中充分拌和,待稳定后用光电分光光度计测出溶液吸光度和沥青的吸附量;然后向沥青与甲苯溶液中加入一定量的水,利用水对沥青膜进行置换,循环一定时间后再次测定沥青吸收量,即可计算出集料表面剥落的沥青剥落率。

光电比色法、示踪盐法和NAT试验法对沥青膜的脱落有定量的指标,试验结果受主观因素影响较小,是较为科学的试验方法,但因试验操作难度大、过程复杂等原因很少被运用在实践中。

沥青混合料评价方法介绍

磨耗试验

该试验模拟了沥青路面在水和交通荷载综合作用下的水损害,以质量损失为评价指标。试验时,将试件在室温下浸泡20h后再在38℃水中浸泡5h或是在49℃水中浸泡6d后在一定温度下进行水下磨耗试验,虽然试验技术要求不高,但试验结果离散性大、重现性差,运用范围不广。

浸水马歇尔试验

试验采用两组标准马歇尔击实试件,*组在60℃水浴中浸泡0.5h后测出其马歇尔稳定度s1;第二组在60℃水浴中浸泡48h后测出其马歇尔稳定度s2,评价指标残留马歇尔稳定度为s0=s2/s1×100%。

大量试验结果表明:该指标能区分酸性石料和非酸性石料的性能,但离散性较大,因此该试验方法对不同级配沥青混合料水稳定性区分度不足,仍需要改善。

真空饱水马歇尔试验

该试验基本原理是利用真空压力的作用将水渗入试件,在浸水马歇尔试验基础上加以改进。试验采用两组标准马歇尔试件,*组在60℃水浴中浸泡0.5h后测出其马歇尔稳定度m1;第二组先置于常温水浸泡20min,然后浸水抽真空15min,气压为0.09mPa,*在60℃水浴浸泡24h后测出其马歇尔稳定度m2,评价指标残留稳定度为m0=m2/m1×100%。

实践表明:真空饱水马歇尔试验的级差略大于浸水马歇尔试验,但二者试验结果基本一致,真空饱水的作用太不明显,试验仍需要进一步改进。

冻融劈裂试验

中国冻融劈裂试验实际上是美国试验方法的简化版,同时参照美国计划中的水稳定性评价方法。试验要求试件空隙率为6%~8%,因此采用搓揉压实机自动揉搓成型试件,中国根据国内具体情况对试验进行改进,采用正反各击实50次的马歇尔试件。试验将试件分为两组,*组为标准试件,在25℃水浴中浸泡2h后测出其劈裂强度h1;第二组为条件试件,将试件真空饱水后,放入塑料袋中,并加入10mL水,扎紧袋口,置于-18℃的冰箱中冷冻16h,取出后放入60℃的恒温水槽中保温24h,然后浸入25℃的恒温水槽中不少于2h,测出其劈裂强度h2,评价指标冻融劈裂强度比为h0=h2/h1×100%。

据国外路况调查表明,该方法试验结果与路面实际情况相关性较好,但采用真空饱水、冻融和高温水浴三个过程并不能很好地模拟现场水损害形成的机理。此外,冻融循环劈裂试验的条件对沥青混合料劈裂强度的损害不足,需进一步改进试验条件。大量试验结果表明:该试验有利于沥青胶泥粘度较大的沥青混合料。

德州冻融劈裂试验采用统一规格的细集料制作而成的试件,将试件置于基座对其冻融循环记录出现开裂时的循环次数作为试验结果。该试验与道路使用寿命的相关性较好,被国外研究工作者认为是能较好地评价沥青混合料抗水损害能力的方法。

浸水劈裂试验

浸水劈裂试验在环境要求、条件控制及操作标准等方面存在差异,但均以试件浸水前后的劈裂强度比TsR作为评价标准。试验时,将试件分为两组,*组浸泡在25℃水浴中2h后测出劈裂强度R1;第二组先在60℃水浴中浸泡48h,再置于25℃水浴2h后测出劈裂强度R2,劈裂强度比TsR=R2/R1。通常情况下TsR>0.75的沥青混合料具有较好的抗水损害能力。浸水劈裂试验设备较普及,试验操作难度适中,在国外得到了广泛的应用。

洛特曼试验

为预测沥青混合料水损坏发展的历程,洛特曼运用加速试验的思想建立了室内试验方法。该试验对传统浸水劈裂试验而言,改进了水环境条件,由直接劈裂、浸水劈裂和冻融劈裂组成。

试验试件为9个102mm×64mm圆柱体,空隙率为6%~8%。试验开始后,按空隙率将试件均分为3组,*组试件直接进行劈裂试验;第二组试件在660mmhg负压饱水30min后以1.65mm/min的加载速率条件进行劈裂试验;第三组试件先在660mm-hg负压饱水30min后,在-18℃温度下冷冻15h,随后浸泡在60℃水浴中24h。由于劈裂模量的测试结果离散性大,因此采用TsR作为评价指标。曾有人质疑冻融循环的有效性和相关性,认为洛特曼试验结果与实际路用效果有较好的相关性。

塔内克里弗和鲁特试验法

该试验类似于洛特曼试验,采用6个空隙率为6%~8%的102mm×64mm圆柱体试件,按空隙率均分为2组。*组试件在常温下以51mm/min加载速度进行劈裂试验;第二组试件在518mmhg下饱水至饱水率为55%~80%,随后浸泡在60℃水浴中24h,评价指标为劈裂强度比TsR。

改进的洛特曼试验

美国学者在传统洛特曼试验及塔内克里弗和鲁特试验基础上加以改进,为保持试验结果的稳定性,该试验采用6个空隙率约为6%的102mm×102mm圆柱体试件。试验时,按空隙率将试件均分为2组,*组试件常温下以51mm/min加载速度测出劈裂强度;第二组试件先在518mmhg条件下饱水至饱水率为55%~80%,然后在0或-18℃温度下冷冻15h,*浸泡在60℃水浴中24h,测出其劈裂强度,以两组试件劈裂强度比TsR作为评价指标。

洛特曼试验、塔内克里弗和鲁特试验以及改进的洛特曼试验实际上是在浸水劈裂试验基础上稍加改动而来,试验原理相似。虽然试验中用沥青混合料不同水蚀程度后的强度来模拟不同年限老化后的水稳定性,但仍然未考虑路面在使用过程中的自然老化。

浸水车辙试验

浸水车辙试验将交通影响考虑到了路面水损害之中,事实也证明该试验与道路交通有较好的相关性,各国的浸水车辙试验方法不尽相同,中国“八五”计划根据国情对浸水车辙试验作了要求:

试件尺寸为300mm×300mm×50mm,采用轮碾法按照试验规程成型。将成型试件浸泡在25℃水浴中20min后,在0.09mPa下浸水抽真空15min,*在-18℃环境下静置16h。取出试件浸泡在40℃水浴中4h后,采用日本dB45-1型车辙试验仪测定其剥落率,试验条件为:轮荷重0.7mPa、水槽恒温40℃、42次/min速度辗压4 000次。

浸水车辙试验敏感性较好,还能反映车辙大小和动水的综合作用,但该试验尚无统一的评价指标,通常情况是以混合料剥落情况来评价。

汉堡车辙试验

材料公司实施的汉堡车辙试验是国外车辙试验之一。该试验通过hWTd试验仪模拟测试交通荷载和水气的综合破坏作用。试验hmA板空隙率为7%,试验时,hmA板浸泡在50℃水浴中,hWTd钢轮在板表面往返滚动20 000个周期直到产生20mm的变形。记录每个周期变形情况,绘制成图后找出曲线切线斜率突然变大时的周期数,称为反弯点,既为钢轮往返作用次数,又为剥落开始时间,该值被用于评价hmA试件抗水损害的能力。

朱丽叶试验

法国常用该试验方法来评价沥青混合料的水稳定性,试验有两种规格的试件,分别为80mm×90mm和120mm×135mm,空隙率为7%。试验时,将试件分为两组,*组试件置于18℃水浴中7d后测出其抗压强度R1;第二组置于室内常温7d后测出其抗压强度R2。抗压强度测定时温度控制为18℃、加载速度为1mm/s,该试验的评价指标为无侧限抗压强度比R=R1/R2,研究认为R应不小于0.8。

ECS试验

ECS试验法能更精确地模拟自然环境与交通对路面造成的水损坏,但研究认为该试验方法冻融循环过程造成的破坏程度不够、回弹模量测量精度不够。

试验时,先按标准对混合料进行短期老化,制备成空隙率为6%~8%的102mm×102mm圆柱体试件后压实,侧面用薄膜和硅胶密封。在环境箱中测量试件回弹模量MR和510mmhg负压下的透水性,其中动荷载作用为加载0.1s、卸载0.9s;试件负压饱水30min后经历60℃水浴6h,冷却2h,-18℃冷冻6h的冻融循环,并且始终对试件施加900N的动荷载,测出试件回弹模量和透水性,认为回弹模量比小于0.7的试件水稳定性差。*直观评价试件开裂断面上沥青的剥落程度。

评价方法对比

(1)水煮法、水浸法、光电比色法、示踪盐法、NAT试验都是利用水对沥青膜的置换作用来评价测试沥青与集料的粘附能力,因此这些试验有许多相同之处:①试验只针对粗集料与沥青的粘附作用,忽视了细集料与填充料等因素的影响。水浸法是针对细粒式沥青混合料中粗集料与沥青之间粘附性的测定,因此所受影响应小于其他试验方法;②除动态水浸法、光电比色法、示踪盐法和NAT试验采用了客观的评价指标外,水煮法和静态浸水法采用的是主观视觉评价;③试验都反映了沥青膜在水作用下的剥落情况,并没有真正意义上的体现粘附力;④试验针对松散集料,结果不能反映成型试件的水稳定性。

这些试验方法都是用于初步预测沥青路面的水稳定性,试验简单,耗时短,经济可行;但缺乏定量指标,可靠性不佳,同时忽略了老化对水损坏造成的影响,且无法反映集料内部孔隙水的影响。光电比色法、示踪盐法、NAT试验由于试验操作难度大,过程复杂等原因很少被运用在实践中;水煮法中判断微沸状态受人为因素影响大,导致结果误差大,水浸法较水煮法试验试件数量多,因此评价结果与路面相关性更好,但仍有一定的主观性。建议在测定沥青与集料粘附性时优选水浸法,尤其是细粒式沥青混合料。周卫峰等运用灰关联理论,对以花岗岩为集料,残留稳定度或冻融劈裂强度比为指标进行水稳定性分析时,得出:水浸法>水煮法;同时还分析了石灰岩及片麻岩为集料时与沥青的粘附性,得出水浸法与沥青混合料的相关性比水煮法好。

(2)洛特曼试验、塔内克里弗和鲁特试验、改进的洛特曼试验均是在浸水劈裂试验基础上改进试验条件而来,认为水蚀程度的不同可以模拟不同使用年限的沥青路面水稳定性,因此上述3种试验均以控制冻融的方式来模拟水对沥青混合料的侵蚀。虽然塔内克里弗和鲁特试验与改进的洛特曼试验还通过对饱水率的控制来减少由于温度变化产生的附加应力,但这些试验仍然只考虑到路面初期使用,并不能评价沥青路面长期水稳定性。并且在实际操作过程中对试件空隙率和饱水率的控制非常困难,因此很少在国内采用。

(3)国内外学者通过试验对浸水马歇尔试验进行讨论并指出了其中的不足:①双面击实75次的马歇尔试件空隙率能达到3%~5%,静水难以浸入,导致试验结果区分度不够;②沥青路面水损害主要是因为车轮荷载对水分反复吸压,引起机械冲刷,浸水马歇尔试验与路面实际存在差异;③马歇尔稳定度测试过程中,在环状挤压状态下,试件可能出现大变形破坏,本质上与测试集料和沥青之间的粘结力相违背。冻融劈裂试验较浸水马歇尔试验有较大改进,该试验能更好地模拟路面实际情况。对不同的沥青混合料类型区分度更大,便于横向比较,研究表明:该试验不仅能直观地反映北方寒冷天气地区沥青路面的工作环境,同时也适用于南方地区,尽管如此,该试验耗时长,无法模拟动水压力对路面造成的破坏,仍需要改善。浸水车辙试验具有较好的动态模拟环境,更能反映实际路面的抗水损坏能力,但试验推广受限于设备昂贵、操作难度大、无统一指标、重现性差、耗时长等因素。

浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、浸水车辙试验比较而言,试验条件苛刻程度逐步增加,前两者为静载试验,后者为动载试验。推荐应用浸水马歇尔试验作为测试水稳定性的辅助方法,以冻融劈裂试验来综合评价沥青混合料的水稳定性,在条件允许的情况下可以采用浸水车辙试验。

(4)房建果针对不同沥青用量的大粒径透水性沥青混合料做了大量对比试验,结果表明:汉堡车辙试验表明大孔隙骨架嵌挤型的混合料较普通密实结构有更好的水稳定性,但是由于大粒径集料间接触点较密级配集料少,导致结构密实度低,测出的劈裂强度明显偏低,说明浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验对于评价大粒径沥青混合料有局限性。

(5)朱丽叶试验和ECS试验优缺点分明,前者易于推广,试件7%的空隙率及7d的浸泡时间易使水浸入试件产生破坏,评价指标区分度较高,但静压成型不能模拟现场路面揉搓压实的情况,也不能模拟动水冲刷和真空负压抽吸的作用,因此与实际路用情况不完全符合。后者具有浸水车辙试验和改进的洛特曼试验的优点,试验中不仅采用了ShRP研究成果中的旋转压实以及混合料短期老化,而且还考虑了饱水率的控制和施加动荷载,弥补了很多不足之处。但冻融破坏程度不够和结果测量精度不够常常导致其评价结果与其他试验的结论存在较大的差异。因此,该方法在广泛推广之前还需进一步完善。

建议和展望

针对目前各种评价方法都存在相应的不足,并考虑到国内研究实际情况,下面对具有代表性的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和国内浸水车辙试验的进一步研究提出相关的建议:

(1)大量试验得出采用浸水马歇尔试验所测的残留稳定度普遍偏高,过低的空隙率导致浸水难以达到效果、破坏不足,建议将浸泡时间延长至72h并将试件空隙率控制在接近现场的7%。其次浸水条件不能模拟沥青路面车辆荷载作用下水对沥青膜的机械反复冲刷作用,建议浸水马歇尔试验采用60℃循环动水浸泡试件。

测试试件稳定度时,骨料嵌挤作用会使试件结构更稳定,所测值偏高,从而以结构强度夸大混合料水稳定性,此类试件破坏时变形量更大,建议选择试验中变形量较小的试件的结果为试验主要参考依据。

(2)冻融劈裂试验较浸水马歇尔试验有许多改善,但仍有许多不足,为了更好地反映沥青混合料水稳定性能,提出几点建议:①沥青路面透水性能的好坏直接受空隙率的大小控制,空隙率还影响着试验中的抽吸作用和动水压力,该试验的空隙率是由击实次数确定,因此建议选择空隙率为7%的击实次数;②冻融劈裂试验考虑了沥青短期老化,没有考虑沥青混合料的长期老化,建议研究冻融劈裂试验在老化情况下的破坏作用;③冻融劈裂试验在测定短期老化后的沥青混合料时存在差异,建议研究不同循环次数对试验结果的影响,从而确定出*的循环次数。

(3)中国浸水车辙试验在试件成型过程中,要求碾压到密实度与正反击实75次的马歇尔试件相同,与浸水马歇尔试验相同,建议采用减少击实次数的方法来控制空隙率,使其接近现场的7%。

结论

虽然目前国内外评价沥青混合料水稳定性的试验方法很多,但各有其优缺点和适用的条件,精确度和有效性也存在争议。尤其是室内试验对路面环境的模拟和对路面长期老化的考虑存在较大的差异。因此,对混合料水稳定性的评价方法和指标需要进一步研究,且应加强试验与路面的相关性设计。另外,建议在测定沥青与集料粘附性时优选水浸法,以冻融劈裂试验来综合评价沥青混合料的水稳定性,在条件允许的情况下可以采用浸水车辙试验,总之,在评价沥青混合料的水稳定性时,应尽可能使用多种试验方法来综合评价。