基于CT掃描技術(shù)的多孔瀝青混凝土抗凍融破壞性能研究

張波

摘 ?要：凍融破壞是瀝青路面常見的病害形式，目前主要通過馬歇爾試件的劈裂強(qiáng)度在凍融環(huán)境下的變化情況來間接反映瀝青混凝土的抗凍融破壞能力，未揭示出凍融破壞下瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)上的變化，如裂紋、空隙率的變化規(guī)律。因此，本研究中采用一種直觀的方法來研究瀝青混凝土的抗凍融破壞能力，主要是采用工業(yè)CT跟蹤多孔瀝青混凝土內(nèi)部空隙率在凍融環(huán)境下的變化。結(jié)果顯示瀝青混凝土的抗凍融破壞性能與空隙率的分布有很大關(guān)系，總體上，在凍融破壞過程中，瀝青混凝土試件內(nèi)部空隙率明顯增大的局部區(qū)域會(huì)造成混凝土局部或整體空隙率的顯著變化，嚴(yán)重影響多孔瀝青混凝土的抗凍融破壞性能。

關(guān)鍵詞：CT掃描;多孔瀝青混凝土;空隙率;抗凍融破壞

中圖分類號(hào)：U414 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）13-0070-03

Abstract： The freeze-thaw damage is one main damage form of asphalt pavement. Presently， the freeze-thaw resistance of asphalt mixture is indirectly decided based on the retaining ability of splitting strength of asphalt mixture during the freeze-thaw damage process. While the internal structure changes of asphalt mixture such as the changes of micro-crack and air voids have not been revealed. An intuitive way is adopted in this research， namely using CT to track the change of air voids of porous asphalt mixture under freeze-thaw damage condition. Results suggest that the freeze-thaw damage resistance of porous asphalt mixture is related to the distribution of air voids. In general， the local area with larger air voids， within the asphalt concrete specimen， will result in the significant increase in the air voids of local area or entire specimen during the freeze-thaw damage process， which lowers the freeze-thaw damage resistance of the porous asphalt mixture markedly.

Keywords： computed tomography （CT） scan; porous asphalt mixture; air voids; freeze-thaw damage resistance

瀝青路面因具有平整度高、耐磨、抗滑、低噪音、行車舒適、施工周期短、易于維修等特點(diǎn)而被廣泛采用[1]，尤其是在高等級(jí)公路建設(shè)中，表面層基本上全部采用瀝青路面形式。但同時(shí)瀝青路面在服役過程中也會(huì)表現(xiàn)出一些病害問題，例如松散、坑槽、麻面、龜裂、膨脹等，這些病害與路面遭受的水侵蝕有關(guān)[2]。

根據(jù)我國現(xiàn)行的公路工程相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程，目前主要通過瀝青混凝土的力學(xué)性能指標(biāo)在水損環(huán)境下的變化來評(píng)價(jià)瀝青混凝土的抗水損害能力。例如以瀝青混凝土馬歇爾試件在60℃水浴中浸泡48h后穩(wěn)定度的損失情況來反映瀝青混凝土抵抗熱水損傷的能力，以瀝青混凝土馬歇爾試件在-18℃環(huán)境下冷凍16h、60℃水浴中浸泡24h后劈裂強(qiáng)度的損失情況來反映瀝青混凝土的抗凍融破壞能力[3]。此種評(píng)價(jià)方法未能體現(xiàn)出瀝青混凝土自身結(jié)構(gòu)上的變化。

瀝青路面的主要構(gòu)成為礦質(zhì)集料，占到所有原材料的90%以上[4，5]，另外還含有少量的礦粉填料和瀝青膠結(jié)料。

雖然礦粉和瀝青的含量較少，但兩者卻發(fā)揮著巨大的作用。在瀝青路面中，礦粉和瀝青主要形成瀝青膠漿，瀝青膠漿將集料構(gòu)成的嵌擠骨架粘接成為一個(gè)整體[6]。水相比瀝青更容易潤濕集料表面，瀝青路面在水長期侵蝕下，集料表面的瀝青膠漿膜逐漸被水剝離[7]，集料顆粒間的粘附被破壞，瀝青路面出現(xiàn)掉粒的現(xiàn)象，久而久之，路面出現(xiàn)松散、坑槽等病害。集料與瀝青膠漿間粘附作用的喪失是密實(shí)瀝青混凝土路面出現(xiàn)水損害的主要原因。對(duì)于多孔排水瀝青路面，情況與密實(shí)瀝青路面有所不同，尤其在凍融循環(huán)破壞環(huán)境下，除了瀝青膠漿膜會(huì)從集料表面發(fā)生剝離外，路面內(nèi)部空隙率也會(huì)發(fā)生顯著變化。這主要是因?yàn)榕潘访婵障堵矢撸ǔ６汲^20%[8]，空隙中的水分在凍融過程中，體積變化顯著，造成多孔瀝青路面內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。因此，無論是密實(shí)瀝青路面，還是多孔瀝青路面，水損害實(shí)質(zhì)上都造成了瀝青路面結(jié)構(gòu)上的破壞。

針對(duì)現(xiàn)有瀝青混凝土抗水損害評(píng)價(jià)方法不能反映出瀝青路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的問題，本研究做了一些探索性的工作，通過采用工業(yè)CT跟蹤多孔瀝青混凝土空隙的變化來放映瀝青混凝土的抗凍融破壞能力，重點(diǎn)研究了試件高度方向上空隙率不均勻分布對(duì)瀝青混凝土抗凍融破壞能力的影響。

1 原材料

本研究中選用的主要原材料為玄武巖集料、礦粉、聚酯纖維和SBS改性瀝青。對(duì)于多孔瀝青混凝土而言，其主要靠粗集料形成骨架來保證瀝青混凝土有較高的空隙率，顆粒之間多以點(diǎn)接觸為主，因而顆粒間的粘結(jié)作用較弱，需要添加適量的纖維來改善瀝青混凝土的穩(wěn)定性，本研究中選用聚酯纖維作為穩(wěn)定劑。按照公路工程相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范和規(guī)程測(cè)試原材料的基本性能[3，9]，測(cè)試結(jié)果分別如表1至表4所示，從結(jié)果可以看出，所有原材料的基本性能指標(biāo)均滿足我國公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范的要求[10]，原材料質(zhì)量合格。

2 試驗(yàn)方法

按照規(guī)范提供的標(biāo)準(zhǔn)方法設(shè)計(jì)多孔瀝青混凝土[10]，石

灰?guī)r粗集料、細(xì)集料及填料三者摻配而成的合成級(jí)配如圖1所示，其中粗集料占到了礦質(zhì)混合料的85%。我國現(xiàn)行規(guī)范中，研究瀝青混凝土水穩(wěn)定性時(shí)所采用的是馬歇爾擊實(shí)儀直接成型的圓柱體試件[3]?？紤]到多孔瀝青混凝土以粗集料為主，如果直接用馬歇爾擊實(shí)儀制備試驗(yàn)用試件，因缺少細(xì)顆粒的填充，試件表面一方面會(huì)因粗集料的嵌擠隨機(jī)形成坑坑洼洼的構(gòu)造;另一方面表面顆粒受到的粘附作用不如內(nèi)部顆粒強(qiáng)，容易出現(xiàn)掉粒的現(xiàn)象。這必然導(dǎo)致難以準(zhǔn)確跟蹤試件空隙在凍融循環(huán)破壞過程中的變化。因此本研究中采用鉆芯、切割后的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件代替馬歇爾試件，保證試件表面和側(cè)面均比較平整光滑。

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型的試件尺寸要大于通常用于評(píng)估瀝青混凝土水穩(wěn)定性的試件，因此旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件需要進(jìn)一步加工。首先采用鉆芯機(jī)獲取直徑約100mm的芯樣，芯樣在被切割之前，采用CT掃描設(shè)備沿高度方向進(jìn)行逐層掃描，可獲取每一層集料和空隙的分布情況，通過軟件對(duì)圖像的進(jìn)一步處理，可獲取每層的空隙率，進(jìn)而獲得整個(gè)試件空隙率沿高度方向的變化情況。選出空隙率整體分布較均勻和高度方向局部范圍有明顯增大的兩類試件。對(duì)于空隙率在局部范圍有明顯增大的這類試件，在高度方向上合適的位置加以切割，使獲取的高度約為63.5mm的圓柱體試件分別在試件頂部、中部和底部空隙率有明顯增大。因此在研究凍融循環(huán)對(duì)多孔瀝青混凝土的破壞時(shí)，共使用到四種空隙率分布有顯著特征的試件：高度方向上空隙率分布較均勻的試件，頂部、中部和底部空隙率有明顯增大的試件。通過CT跟蹤圓柱體試件高度方向上孔隙率隨凍融循環(huán)次數(shù)的動(dòng)態(tài)變化情況來反映多孔瀝青混凝土的抗凍融破壞性能。多孔瀝青路面實(shí)際服役時(shí)，大部分雨水通過連通空腔排出路面，少部分水分殘留在混凝土內(nèi)部。為了和實(shí)際情況一致，本研究中在對(duì)試件實(shí)施凍融破壞之前，將試件浸泡在水中足夠時(shí)間，促使試件充分吸水，取出后在室內(nèi)環(huán)境下晾置，使大部分水流出，直到試件表面無明水流動(dòng)時(shí)再對(duì)試件進(jìn)行凍融破壞。

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)所選用的4種試件初始空隙率沿試件高度方向的變化特征如圖2所示：A試件的空隙率沿高度方向呈現(xiàn)較均勻分布，B、C、D試件的空隙率分別在試件頂部、中部和底部有顯著的增加。具體來看，對(duì)于4個(gè)試件來說，其空隙率沿試件高度方向上均表現(xiàn)出一定程度的波動(dòng)，即便是空隙率分布較為均勻的A試樣，空隙率也在18-22%范圍內(nèi)變化。至于B、C、D試件，其空隙率在局部區(qū)域則表現(xiàn)出更為顯著的變化，B試件0-18mm高度段、C試件23-38mm高度段以及D試件46-63.5mm高度段上的空隙率數(shù)值上的變化超過5%。

結(jié)合CT獲取的圖像來看，空隙率顯著增大的這些部位都表現(xiàn)出一個(gè)共同的特征，聚集于此的集料以大顆粒為主，大顆粒相互接觸時(shí)，缺少小顆粒的填充，造成空隙率大。這主要和混凝土的構(gòu)成有關(guān)，多孔瀝青混凝土主要由粗集料構(gòu)成，缺少了細(xì)集料和填料的約束，混凝土的離析現(xiàn)象會(huì)較為明顯，這使得制備試驗(yàn)用試件時(shí)難以保證裝填的瀝青混凝土各部分都有較好的均一性，在路面實(shí)際建設(shè)時(shí)則表現(xiàn)為施工問題。這是不可能完全避免的，所以試件內(nèi)部局部空隙率突變的現(xiàn)象在實(shí)際路面中也是常有的。當(dāng)然空隙率突變可能是顯著增加也可能是急劇減小，考慮到空隙率增加會(huì)進(jìn)一步減小顆粒間的接觸面積，使得顆粒間的粘結(jié)變得更差，從而對(duì)于水損害更加敏感，所以本研究中僅針對(duì)多孔瀝青混凝土試件局部區(qū)域空隙率異常增大的情況開展研究，探究局部空隙率增大對(duì)瀝青混凝土抗凍融破壞能力的影響。

試驗(yàn)所選用的4種試件空隙率隨凍融循環(huán)破壞強(qiáng)度的變化情況如圖3所示。結(jié)果顯示，隨著凍融破壞次數(shù)的增加，4種試件不同高度上的空隙率總體上都呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，說明多孔瀝青混凝土的空隙率受凍融破壞影響顯著，但具體的變化趨勢(shì)又各有不同。對(duì)于空隙沿高度方向分布較均勻的A試件，隨著凍融循環(huán)次數(shù)從0增加到6，其沿高度方向的空隙率總體變化程度相比另3種試件要小得多，且不同高度橫截面上的空隙率凍融破壞前后的變化幅度差別不大，試件兩端部空隙率的變化略大于中部。對(duì)于B、C、D試件而言，高度方向上的空隙率總體上變化均很顯著，且不同高度橫截面上空隙率的變化幅度差別很大。對(duì)于B試件，上端存在空隙率顯著增大的局部區(qū)域，該區(qū)域的空隙率凍融破壞前后的變化程度要明顯高于其他區(qū)域;對(duì)于C試件，中部存在空隙率顯著增大的區(qū)域，試件上部以及中部的空隙率凍融破壞前后的變化程度要比下部區(qū)域顯著;對(duì)于D試件，下部存在空隙率顯著增大的區(qū)域，試件整個(gè)高度方向上的空隙率凍融破壞前后的變化程度均較大，且不同高度上的空隙率變化幅度差別較小。

由此可以得出結(jié)論，對(duì)于局部空隙率增大的試件，凍融破壞前后，該區(qū)域或者試件的其他區(qū)域（部分或全部區(qū)域）空隙率變化均很顯著，相比空隙率整體分布較均勻的試件，表現(xiàn)出較差的抗凍融破壞性能。這可能與局部區(qū)域空隙率顯著增加而破壞了試件空腔的整體連通性有關(guān)，造成多孔瀝青混凝土內(nèi)部局部或整體含有較多的未排出試件的殘留水，殘留水在凍融循環(huán)過程引起較大的體積膨脹。

4 結(jié)論

本文通過采用工業(yè)CT跟蹤瀝青混凝土內(nèi)部空隙率在凍融循環(huán)破壞下的變化情況來反映多孔瀝青混凝土的抗水損害性能，克服傳統(tǒng)水穩(wěn)定性表征方法未揭示出瀝青路面內(nèi)部參數(shù)變化的問題。研究結(jié)果表明，多孔瀝青混凝土的抗凍融破壞性能與混凝土內(nèi)部空隙率的分布有很大關(guān)系。總體上，在凍融破壞過程中，瀝青混凝土試件內(nèi)部空隙率增大的局部區(qū)域會(huì)造成混凝土局部或整體空隙率的顯著變化，嚴(yán)重削弱多孔瀝青混凝土的抗凍融破壞性能。

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