隧道溫拌瀝青混合料水穩定性分析

周立園

(中犇檢測認證有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

自改革開放以來，我國公路建設速度加快，交通運輸事業取得了長足的發展。在隧道工程路面施工中，若采用熱拌瀝青混合料，拌和、施工溫度太高，將會產生大量有害氣體，封閉環境下極易危害施工人員的身體健康。溫拌瀝青混合料的拌和溫度低、性能良好，將其用于隧道路面施工可大大降低有害氣體排放量，改善施工環境，還能提升隧道路面抗水損壞性能，延長路面使用年限。

1 浸水馬歇爾試驗評價分析

瀝青路面當中水損壞是最常見的問題，隨著水作用時間的延長，瀝青路面水損壞的程度將隨之加劇。對于路面使用性能而言，水的危害性極大，不僅會影響瀝青膠結料的粘附性能，還會大大減弱瀝青和集料間的粘結效果，降低路面耐久性。目前，溫拌瀝青混合料水穩定性檢測，多采用2種試驗方式，即浸水馬歇爾試驗與凍融劈裂試驗。其中浸水馬歇爾試驗的檢測重點為水侵蝕條件下瀝青混合料抗剝落能力的強弱。具體試驗如下。

1.1 浸水馬歇爾試驗條件

準備2組(A、B)成型標準馬歇爾試件，A組存放于60℃水箱內，留置時間30 min；B組存放于60℃水箱內，留置時間48 h。A、B兩組分別設平行試件4個，通過馬歇爾試驗儀器進行檢測與分析，設定每分鐘加載速率為50 mm。按照公式(1)確定浸水殘留穩定度。

MS0=MS1/MS×100

(1)

式中:MS0代表浸水殘留穩定度(%)，MS代表浸水前試件的穩定度(kN)，MS1代表浸水后試件的穩定度(kN)。

1.2 浸水馬歇爾試驗結果

本文采用3種不同混合料在最佳摻量條件下進行浸水馬歇爾試驗，并與熱拌瀝青混合料的試驗結果進行對比分析，所得結果如表1所示。

表1 不同溫拌瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果

由表1可知，熱拌瀝青混合料在浸水后，其穩定度下降。同時，溫拌瀝青試件浸水48 h后其穩定度也有所下降，但整體來講，3種不同溫拌瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度均可達到規定需求。相比普通熱拌瀝青混合料，3種不同溫拌瀝青混合料當中，3%Sasobit浸水殘留穩定度下降最為嚴重，其他兩類相對變化較小，且0.3%Aspha-min還有提升現象。在浸水馬歇爾試驗條件下，3%Sasobit溫拌瀝青混合料的抗剝落能力相對有所降低，但依舊可以滿足規范標準，具有可行性。

2 多循環凍融劈裂試驗評價分析

在浸水馬歇爾試驗中，溫拌瀝青混合料試件所承受的力為徑向壓力，試驗檢測所獲取的結果只能代表集料顆粒間內摩阻力的實際情況，無法真實、全面地反映混合料內瀝青粘結力的情況。基于這種情況，在溫拌瀝青混合料水穩定性分析中還須進行凍融劈裂試驗，即通過模擬試驗，了解瀝青混合料在被水沖刷后的水損壞情況，從而測定凍融循環前后兩個階段馬歇爾試件的凍融劈裂抗拉強度比，通過凍融劈裂抗拉強度比進行瀝青混合料水穩定性評價。凍融劈裂試驗中，針對不同溫拌瀝青混合料進行多次凍融循環試驗，從而更準確地了解溫拌瀝青混合料的長期水穩定性，試驗共進行3次，在不同循環次數下，研究瀝青混合料的凍融劈裂強度變化情況，匯總數據，找出規律。

2.1 多循環凍融劈裂試驗條件

準備2組(A、B)成型標準馬歇爾試件，試件須進行雙面擊實，次數均為50次。

A組試件試驗過程如下。①試件存放于98.3～98.7 kPa真空環境下，留置時間設定為15 min。②常壓后，飽水30 min。③存放到-18℃環境當中，留置時間為16 h。④存放到60℃環境中進行水浴處理，時間為24 h，由此一個凍融循環結束。

B組為對照組，無需特殊處理。凍融劈裂試驗前，為了保證試驗結果的準確性，需提前將兩組試件存放到恒溫水箱(25℃)內，浸泡時間超過2 h，同時，測定試件的最大荷載，50 mm/min為加載速率。

試驗過程中，需要根據凍融循環試驗前后數據，測定凍融劈裂抗拉強度及凍融劈裂抗拉強度比(TSR)，如公式(2)、公式(3)所示。

RT1=0.006287PT1/h1

RT2=0.006287PT2/h2

(2)

式中:PT1、h1代表未凍融循環組單個試件的試驗荷載值(N)、試件高度(mm)；PT2、h2代表凍融循環組單個試件的試驗荷載值(N)、試件高度(mm)。

(3)

2.2 多循環凍融劈裂試驗結果

針對3種不同溫拌瀝青混合料在最佳摻量條件下，凍融循環劈裂試驗前后的檢測結果如圖1～4所示，同時對比分析熱拌瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度，最終得出凍融劈裂殘留強度比。

通過圖1～4可見，伴隨1次、2次、3次凍融循環次數的不斷遞增，3種不同溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強度均呈降低趨勢。相比熱拌瀝青混合料，1次凍融循環之后，3種溫拌瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度均略大一些。但2次凍融循環后，Aspha-min溫拌瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度下降嚴重，其他兩種溫拌瀝青混合料仍高于熱拌瀝青混合料。3次凍融循環后，Sasobit溫拌瀝青混合料的凍融劈裂抗拉強度基本上等同于熱拌瀝青混合料，但仍略高于熱拌瀝青混合料，相比之下，Aspha-min溫拌瀝青混合料仍舊下降嚴重影響了混合料的長期水穩定性。究其原因，瀝青材料具有一定黏彈性，溫度變化對瀝青材料性能具有較大影響。在水和溫度的反復循環影響下，瀝青混合料內的水分形態不斷變化，從最初的液態，轉變為固態，最終又再次轉變為液態，在此過程中嚴重影響了瀝青結合料和其他材料之間的粘附性，從而大幅減弱溫拌瀝青混合料試件的劈裂強度。

圖1 未凍融前劈裂抗拉強度 圖2 一次凍融循環劈裂抗拉強度

圖3 兩次凍融循環劈裂抗拉強度 圖4 三次凍融循環劈裂抗拉強度

不同溫拌瀝青混合料在3次凍融循環試驗下的劈裂殘留強度比(見圖5)，伴隨凍融循環次數的持續增長，溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強度比，呈下降趨勢。1次凍融循環之后，相比熱拌瀝青混合料，Sasobit溫拌瀝青混合料的劈裂殘留強度比較低，其他兩種溫拌瀝青混合料則仍略高于熱拌瀝青混合料，相差很小，由此表明只通過1次凍融循環試驗，很難判定混合料的抗水損壞強弱。通過2次凍融循環試驗后，相比之下，Aspha-min溫拌瀝青混合料的劈裂殘留強度比下降嚴重，說明該溫拌瀝青混合料抗水損壞能力減弱明顯。通過3次凍融循環試驗后，Aspha-min溫拌瀝青混合料的劈裂殘留強度比僅有45%左右，相比熱拌及其他兩種溫拌瀝青混合料，Aspha-min溫拌瀝青混合料的長期抗水損壞能力最弱。究其原因，Aspha-min溫拌瀝青混合料在溫拌劑類型當中，屬于直投式類型，沸石發泡過程中會殘留一定水分，同時在材料拌合時期由于反應不完全，也會存留一些溫拌劑，從而很可能會影響混合料的粘附效果。在3種溫拌瀝青混合料當中，Sasobit溫拌瀝青混合料相比DWMA-1溫拌瀝青混合料，存在一定長期水穩定性劣化現象。由此可見，在3種溫拌瀝青混合料當中，僅有DWMA-1溫拌瀝青混合料可改善溫拌瀝青混合料的長期水穩定性。主要原因在于DWMA-1溫拌瀝青混合料所采用的溫拌劑內含有的胺類物質具有較強抗剝落能力，可增強瀝青材料和礦料之間的粘結效果，進一步提升溫拌瀝青混合料的長期水穩定性。據大量實踐研究表明，DWMA-1溫拌瀝青路面遭遇水損壞后，路面強度下降程度較小，仍可滿足延長工程使用壽命的要求。

圖5 不同溫拌瀝青混合料凍融劈裂殘留強度比

針對Aspha-min、Sasobit兩種溫拌瀝青混合料，為改善其長期水穩定性，本文提出了摻加無機外摻劑的方式。即在拌和混合料時，按比例摻加適量消石灰，以混合料質量1.5%為準。為確保其改善效果，可進行多循環凍融劈裂試驗，經試驗結果顯示，摻消石灰后，兩種溫拌瀝青混合料的凍融劈裂強度比均有所提升，起到改善溫拌瀝青混合料水穩定性的作用。

3 結語

本文以隧道溫拌瀝青混合料水穩定性為研究對象，針對3種不同溫拌瀝青混合料進行浸水馬歇爾試驗、3次循環凍融劈裂試驗，最終得出，浸水馬歇爾試驗下3%Sasobit溫拌瀝青混合料的抗剝落能力相對有所降低，但依舊可以滿足規范標準，仍具有可行性。為研究溫拌瀝青混合料的長期水穩定性，需測定凍融劈裂抗拉強度比，得出Aspha-min、Sasobit兩種溫拌瀝青混合料相比熱拌瀝青混合料的劈裂抗拉強度比下降較多，可通過摻加消石灰無機外摻劑的方式改善其長期水穩定性，經試驗分析，摻加消石灰后，溫拌瀝青混合料的劈裂抗拉強度比有所提升，可達到良好的應用效果。