基于CT掃描技術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度在凍融環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部結構上的變化，如裂紋、空隙率的變化規律。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CT跟蹤多孔瀝青混凝土內部空隙率在凍融環境下的變化。結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系，總體上，在凍融破壞過程中，瀝青混凝土試件內部空隙率明顯增大的局部區域會造成混凝土局部或整體空隙率的顯著變化，嚴重影響多孔瀝青混凝土的抗凍融破壞性能。

關鍵詞：CT掃描;多孔瀝青混凝土;空隙率;抗凍融破壞

中圖分類號：U414 ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：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、易于維修等特點而被廣泛采用[1]，尤其是在高等級公路建設中，表面層基本上全部采用瀝青路面形式。但同時瀝青路面在服役過程中也會表現出一些病害問題，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[2]。

根據我國現行的公路工程相關試驗規程，目前主要通過瀝青混凝土的力學性能指標在水損環境下的變化來評價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℃環境下冷凍16h、60℃水浴中浸泡24h后劈裂強度的損失情況來反映瀝青混凝土的抗凍融破壞能力[3]。此種評價方法未能體現出瀝青混凝土自身結構上的變化。

瀝青路面的主要構成為礦質集料，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料。

雖然礦粉和瀝青的含量較少，但兩者卻發揮著巨大的作用。在瀝青路面中，礦粉和瀝青主要形成瀝青膠漿，瀝青膠漿將集料構成的嵌擠骨架粘接成為一個整體[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，瀝青路面出現掉粒的現象，久而久之，路面出現松散、坑槽等病害。集料與瀝青膠漿間粘附作用的喪失是密實瀝青混凝土路面出現水損害的主要原因。對于多孔排水瀝青路面，情況與密實瀝青路面有所不同，尤其在凍融循環破壞環境下，除了瀝青膠漿膜會從集料表面發生剝離外，路面內部空隙率也會發生顯著變化。這主要是因為排水路面空隙率高，通常都超過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部空隙結構發生改變。因此，無論是密實瀝青路面，還是多孔瀝青路面，水損害實質上都造成了瀝青路面結構上的破壞。

針對現有瀝青混凝土抗水損害評價方法不能反映出瀝青路面內部結構變化的問題，本研究做了一些探索性的工作，通過采用工業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，重點研究了試件高度方向上空隙率不均勻分布對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，顆粒之間多以點接觸為主，因而顆粒間的粘結作用較弱，需要添加適量的纖維來改善瀝青混凝土的穩定性，本研究中選用聚酯纖維作為穩定劑。按照公路工程相關試驗規范和規程測試原材料的基本性能[3，9]，測試結果分別如表1至表4所示，從結果可以看出，所有原材料的基本性能指標均滿足我國公路瀝青路面施工技術規范的要求[10]，原材料質量合格。

2 試驗方法

按照規范提供的標準方法設計多孔瀝青混凝土[10]，石

灰巖粗集料、細集料及填料三者摻配而成的合成級配如圖1所示，其中粗集料占到了礦質混合料的85%。我國現行規范中，研究瀝青混凝土水穩定性時所采用的是馬歇爾擊實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儀制備試驗用試件，因缺少細顆粒的填充，試件表面一方面會因粗集料的嵌擠隨機形成坑坑洼洼的構造;另一方面表面顆粒受到的粘附作用不如內部顆粒強，容易出現掉粒的現象。這必然導致難以準確跟蹤試件空隙在凍融循環破壞過程中的變化。因此本研究中采用鉆芯、切割后的旋轉壓實試件代替馬歇爾試件，保證試件表面和側面均比較平整光滑。

旋轉壓實儀成型的試件尺寸要大于通常用于評估瀝青混凝土水穩定性的試件，因此旋轉壓實試件需要進一步加工。首先采用鉆芯機獲取直徑約100mm的芯樣，芯樣在被切割之前，采用CT掃描設備沿高度方向進行逐層掃描，可獲取每一層集料和空隙的分布情況，通過軟件對圖像的進一步處理，可獲取每層的空隙率，進而獲得整個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對多孔瀝青混凝土的破壞時，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次數的動態變化情況來反映多孔瀝青混凝土的抗凍融破壞性能。多孔瀝青路面實際服役時，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部。為了和實際情況一致，本研究中在對試件實施凍融破壞之前，將試件浸泡在水中足夠時間，促使試件充分吸水，取出后在室內環境下晾置，使大部分水流出，直到試件表面無明水流動時再對試件進行凍融破壞。

3 結果與討論

試驗所選用的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，對于4個試件來說，其空隙率沿試件高度方向上均表現出一定程度的波動，即便是空隙率分布較為均勻的A試樣，空隙率也在18-22%范圍內變化。至于B、C、D試件，其空隙率在局部區域則表現出更為顯著的變化，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值上的變化超過5%。

結合CT獲取的圖像來看，空隙率顯著增大的這些部位都表現出一個共同的特征，聚集于此的集料以大顆粒為主，大顆粒相互接觸時，缺少小顆粒的填充，造成空隙率大。這主要和混凝土的構成有關，多孔瀝青混凝土主要由粗集料構成，缺少了細集料和填料的約束，混凝土的離析現象會較為明顯，這使得制備試驗用試件時難以保證裝填的瀝青混凝土各部分都有較好的均一性，在路面實際建設時則表現為施工問題。這是不可能完全避免的，所以試件內部局部空隙率突變的現象在實際路面中也是常有的。當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進一步減小顆粒間的接觸面積，使得顆粒間的粘結變得更差，從而對于水損害更加敏感，所以本研究中僅針對多孔瀝青混凝土試件局部區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瀝青混凝土抗凍融破壞能力的影響。

試驗所選用的4種試件空隙率隨凍融循環破壞強度的變化情況如圖3所示。結果顯示，隨著凍融破壞次數的增加，4種試件不同高度上的空隙率總體上都呈現增加的趨勢，說明多孔瀝青混凝土的空隙率受凍融破壞影響顯著，但具體的變化趨勢又各有不同。對于空隙沿高度方向分布較均勻的A試件，隨著凍融循環次數從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。對于B試件，上端存在空隙率顯著增大的局部區域，該區域的空隙率凍融破壞前后的變化程度要明顯高于其他區域;對于C試件，中部存在空隙率顯著增大的區域，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域顯著;對于D試件，下部存在空隙率顯著增大的區域，試件整個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。

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

4 結論

本文通過采用工業CT跟蹤瀝青混凝土內部空隙率在凍融循環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，克服傳統水穩定性表征方法未揭示出瀝青路面內部參數變化的問題。研究結果表明，多孔瀝青混凝土的抗凍融破壞性能與混凝土內部空隙率的分布有很大關系?？傮w上，在凍融破壞過程中，瀝青混凝土試件內部空隙率增大的局部區域會造成混凝土局部或整體空隙率的顯著變化，嚴重削弱多孔瀝青混凝土的抗凍融破壞性能。

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