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摘要

新英格蘭交通運輸協(xié)會采用凍融循環(huán)試驗（洛特曼試驗）和MiST水敏感測試儀，結(jié)合間接拉伸強(qiáng)度試驗（即傳統(tǒng)的TSR試驗），動態(tài)模量（DM）試驗，半圓彎曲（SCB）試驗，進(jìn)行瀝青水敏感性對比分析，并提出了適用于瀝青混合料的水敏感性測試的試驗方法。

路面抗水毀性能研究背景

瀝青路面在正常的使用壽命內(nèi)，水損害對路面的破壞是深層次，不可逆的，路面積水后，伴隨溫度的交替和重荷載的重復(fù)碾壓影響，質(zhì)量差的混合料會出現(xiàn)早期破壞甚至縮短使用壽命。因此，對路面抗水毀性能的研究是必須攻克的難題。

新英格蘭交通運輸協(xié)會就瀝青水敏感性問題進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究，采用傳統(tǒng)的凍融循環(huán)試驗（洛特曼試驗）和MiST水敏感測試儀對不同等級的瀝青混合料進(jìn)行預(yù)處理，對處理后的試件分別從間接拉伸強(qiáng)度試驗（即傳統(tǒng)的TSR試驗），動態(tài)模量（DM）試驗，半圓彎曲（SCB）試驗這三個方面評估瀝青混合料性能的變化。

研究方法

為了探討瀝青混合料受水損害后性能的變化情況，本次試驗主要使用以下兩種方法對瀝青混合料進(jìn)行預(yù)處理：

改進(jìn)洛特曼（Lottman）處理（AASHTO T283），即將試件進(jìn)行真空飽水或凍融循環(huán)，測定試驗前后的劈裂抗拉強(qiáng)度或者回彈模量比進(jìn)行評價；
MiST處理（ASTM D7870）。

美國InstroTek的MiST(水敏感性測試儀)是為了模擬HMA路面由于水和交通荷載反復(fù)作用的剝離機(jī)理。MiST由壓力室組成，壓力室的工作條件是通過提高和降低溫度來控制樣品中的水，通過壓縮瀝青混合料樣品，從而形成孔隙，模擬汽車輪胎對濕路面的作用。測試可以在不同的壓力和溫度下進(jìn)行，產(chǎn)生孔隙壓力和內(nèi)部沖刷瀝青層作用。

目前傳統(tǒng)的水敏感性測試的重復(fù)性很差，測試時間可能長達(dá)七天。HMA混合料在MiST中自動處理，可以在四個小時內(nèi)完成處理過程。

對兩種方法處理后的試件性能分別從：間接拉伸強(qiáng)度（ITS），動態(tài)模量（DM），半圓彎曲（SCB）這三個方面進(jìn)行評估。

表1 不同預(yù)處理試件的試驗方法

試驗研究與結(jié)果分析

NO.01

間接拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果

試驗選取了10種不同的混合料類型，分別對試件進(jìn)行不處理，洛特曼（lottman）處理，MiST處理，然后對比處理前后瀝青混合料的間接拉伸強(qiáng)度變化，并對混合料的處理結(jié)果進(jìn)行分級。來比較不同混合料的性能變化。（紅色表示性能差的混合料，橙色表示性能中等混合料，藍(lán)色表示性能好的混合料）

Lottman和MiST條件處理后的混合料間接拉伸結(jié)果如圖1、2所示。

圖1｜經(jīng)過洛特曼處理后的不同混合料間接拉伸強(qiáng)度的關(guān)系

圖2｜MiST處理后的間接拉伸強(qiáng)度結(jié)果

10種材料的TSR排序見表2。比較兩組混合料的優(yōu)劣排序，兩組混合料的優(yōu)劣排序無明顯差異。對于洛特曼處理的結(jié)果，性能好的混合料一般比差的混合料排名好，但對于MiST處理后的結(jié)果，情況正好相反。排名中唯一一致的趨勢是，中等性能混合材料始終是表現(xiàn)最差的材料。

表2 間接拉伸強(qiáng)度結(jié)果

表3 平均間接拉伸強(qiáng)度結(jié)果

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結(jié)果表明

性能好的混合料和中等性能混合料以及差性能混合料的趨勢相似，TSR值差異不大。

好的和差的混合料的TSR值存在較寬的范圍(0.82 ~0.99)，但平均TSR值僅相差0.01。這表明，就其對ITS和TSR的影響而言，MiST條件作用效果與Lottman條件作用效果相對相似，而且在進(jìn)行ITS測試時，兩種方法都不能清楚地區(qū)分性能良好和性能不佳的混合料。

MiST處理后，中等性能混合料的TSR值最低(在本例中介于0.70和0.80之間)。

由于Lottman和MiST條件作用強(qiáng)度都是在其試件上測量的，所以兩種條件作用方法之間的比較有限。圖3顯示了間接抗拉強(qiáng)度的線性比較。

圖3｜Lottman和MiST處理后的強(qiáng)度比較

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結(jié)果表明

兩種方法對間接抗拉強(qiáng)度的影響幾乎沒有差異，因為所有的點都落在等值線附近。

通常認(rèn)為MiST是一種有浸入性，破壞性的處理過程，因為它包括孔隙壓力和水分淹沒的影響。

觀察到兩種方法之間的細(xì)微差別，對于兩種方法都不能區(qū)別好壞材料的可能解釋是，間接拉伸強(qiáng)度試驗結(jié)果可能不能測量典型的混合料的水損害的影響。由于試驗是在室溫下進(jìn)行(通常是25℃)，許多混合料太軟，在其測試期間不能顯示純粹的拉伸破壞。相反，在加載頭附近的材料存在大量的蠕變和剪切破壞。

間接拉伸強(qiáng)度（ITS）結(jié)合水敏感性測試的方法在理論上是通過劈裂抗拉強(qiáng)度直接對材料內(nèi)部的粘結(jié)結(jié)構(gòu)施加應(yīng)力。然而，蠕變和剪切作用其實并沒有直接對預(yù)計的最敏感的水損害區(qū)域施加應(yīng)力。

NO.02

動態(tài)模量試驗結(jié)果

通過動態(tài)模量試驗測定了材料在MiST水損害作用下的線性粘彈性特性的變化。給出了來自佛蒙特州的三種混合料和緬因州的三種混合料的結(jié)果。但是，并不是所有的混合料都能在MiST條件下完整保留下來(如MEP3)，在MiST作用條件下，試件會破碎，使試件無法進(jìn)行測試。發(fā)生這種情況的原因尚不清楚，關(guān)于試驗混合料的一般信息見表4。

表4 MiST處理后的混合料動態(tài)模量

圖4、5為MEP三種混合料的動態(tài)模量主曲線和VTP三種材料的動態(tài)模量主曲線。這個圖包括了混合料在非處理條件(實心點)和MiST處理條件(空心點)狀態(tài)下的主曲線。

圖4｜佛蒙特州混合料的動態(tài)模量結(jié)果

圖5｜緬因州混合料動態(tài)模量結(jié)果

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從圖4、5的主曲線可以看出

所有混合料經(jīng)過MiST條件作用后剛度都有所降低。這在較低的頻率下（緩慢的交通速度或較高的路面溫度）表現(xiàn)得最為明顯。

由于數(shù)據(jù)繪制在對數(shù)尺度上，以及點的接近，高頻率下剛度的降低不那么明顯，但對于兩個性能較差的混合料來說，這仍然是顯而易見的。

比較性能良好和性能較差的材料時，與性能較差的材料相比，性能好的材料剛度的減少似乎較少。

由于對數(shù)尺度上的目視觀測可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)，動態(tài)模量比(濕處理條件模量除以非濕條件模量)，沿主曲線在不同頻率下的值如圖6、7。

圖6｜佛蒙特州材料動態(tài)模量比結(jié)果

圖7｜緬因州材料的動態(tài)模量

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結(jié)果表明

該圖中的結(jié)果支持了上面的可視化觀察結(jié)果。

從這些比率可以看出，經(jīng)過處理后，材料在所有頻率上的剛度都有所下降。在較低的頻率下，剛度的降低更為顯著，在沒有添加抗剝落劑的情況下，佛蒙特州好性能材料的動態(tài)模量比低至0.71，而差的動態(tài)模量比低至0.53。緬因州材料在低頻的表現(xiàn)，動態(tài)模量比對于良好材料高達(dá)0.79，對于較差的則低至0.37。

隨著頻率的增加，佛蒙特州材料的動態(tài)模量比穩(wěn)定地增加到0.95左右，兩個性能較差的材料的動態(tài)模量比都增加到0.80左右，而緬因州材料的動態(tài)模量比增加到1.03左右，兩個性能較差的材料的動態(tài)模量比都增加到0.87左右。這些結(jié)果表明，在較低的車速和較高的溫度下，瀝青混合料受水損害的影響更大。

與拉伸強(qiáng)度測量相比，動態(tài)模量效果更加顯著的原因是，動態(tài)模量能夠測試更大程度的損傷。這是因為動態(tài)模量是在整個試件上進(jìn)行測量的，不管在材料的哪個位置，都能夠采集到由于試件內(nèi)部的小缺陷而造成的所有損傷。

另一方面，拉伸強(qiáng)度測量通常集中在材料的一個區(qū)域內(nèi)的破壞。這在涉及斷裂的強(qiáng)度測試中尤其明顯，如ITS或DCT，其中的破壞區(qū)域是由測試幾何形狀高度控制的。在這種情況下，很可能許多局部損傷區(qū)域(特別是材料表面附近)不會被強(qiáng)度測量完全采集到，因為它們不是沿著破壞面發(fā)展的。

NO.03

半圓彎曲試驗結(jié)果

在非MiST處理條件和MiST處理條件下對材料進(jìn)行了SCB測試，以研究在中間溫度下使用斷裂測試來確定瀝青混合料的水敏感性的有效性。本節(jié)的結(jié)果將以與ITS部分相同的方式和顏色編碼來表示。

圖8為SCB試驗預(yù)處理前后的斷裂能結(jié)果，其中每根實心柱代表非處理條件材料的平均斷裂能，花紋柱代表MiST處理后材料的斷裂能。

圖8｜SCB斷裂能結(jié)果

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結(jié)果表明

所有的材料在處理后的斷裂能都有一致的增加。雖然不同材料的用量不同，但其增幅一般在30%到100%之間。這表明，在經(jīng)歷了MiST處理的水損害后，材料的開裂性能得到了改善，這與實際的水損害的現(xiàn)場經(jīng)驗相悖，且沒有意義。

除此之外，還可以看到，在斷裂能結(jié)果方面，差和好的混合料沒有一致的區(qū)別，這包括斷裂能增加的幅度和比例。

圖9顯示了來自相同的SCB測試系列的柔度指數(shù)結(jié)果中也很明顯，在經(jīng)歷了MiST水損害后，柔度指數(shù)持續(xù)增加。然而，在這種情況下，當(dāng)每種混合料的柔度指數(shù)幾乎增加100%時，增加的幅度要大得多，有些混合料的柔度指數(shù)甚至比非處理條件的值大5倍。與之前的結(jié)果相似，這表明處理后的材料比未經(jīng)處理的材料更能抵抗開裂。

圖9｜SCB柔度指數(shù)結(jié)果

對于MiST水損害后斷裂能和柔度指數(shù)意外增加可與前面提到的ITS測試的問題類似。SCB試驗是在室溫下進(jìn)行的，假定試樣將主要由于材料斷裂而不是蠕變或塑性變形而失效/變形?？紤]到本研究中使用的材料是相對軟的粘結(jié)劑等級，這種假設(shè)可能不完全有效，因為在試驗中觀察到大量的蠕變。而斷裂能量仍然可以從這些結(jié)果中進(jìn)行科學(xué)計算，在這種情況下很大一部分的計算斷裂能量通過實際斷裂(而不是塑性變形和蠕變)，使結(jié)果預(yù)測了不可靠的斷裂性質(zhì)。就像之前看到的動態(tài)模量結(jié)果，MiST處理后通常會使材料表現(xiàn)出更加柔軟和更多的粘性。

試驗結(jié)果分析

根據(jù)本報告提出的研究結(jié)果，可以得出：

從間接拉伸強(qiáng)度結(jié)果看，無論使用Lottman還是MiST水損害測試儀，都無法區(qū)分良好和不佳混合料的性能。

從半圓彎曲試驗的結(jié)果來看，無論是從斷裂能還是柔度指數(shù)值上，都不能一致、清晰地區(qū)分性能好的材料和性能差的材料。經(jīng)過水損害處理后，材料的斷裂能和柔性指數(shù)都有所增加，這說明材料在受到水損害后，具有了更強(qiáng)的抗裂性。雖然還不清楚究竟是什么機(jī)制導(dǎo)致了這種情況，但似乎是水分誘發(fā)應(yīng)力可以對材料產(chǎn)生軟化效果。

動態(tài)模量與水損害測試儀處理相結(jié)合得到的結(jié)果是可靠且符合規(guī)律的。與兩種性能較差的材料相比，性能良好的材料明顯且一致地保留了更多的動態(tài)模量測量的初始剛度。

根據(jù)動態(tài)模量測試，經(jīng)過水損害處理后，材料的模量持續(xù)下降。這是表明材料的行為更軟，更粘的方式。這一趨勢表明，對水分敏感的材料在接觸水分后可能特別容易發(fā)生車轍問題誘導(dǎo)的損害。

建議

經(jīng)過測試和分析，提出以下幾項建議，找到相關(guān)試驗適用于瀝青混合料的水敏感性測試。

考慮到以往的經(jīng)驗相關(guān)的試驗結(jié)果，建議不依賴通過AASHOT T-283等規(guī)范間接拉伸強(qiáng)度測試獲得的數(shù)據(jù)。以前的經(jīng)驗表明，那些通過了抗拉強(qiáng)度比規(guī)范要求的材料在現(xiàn)場多次因水損害而破壞。研究結(jié)果表明，抗拉強(qiáng)度比并不能識別和區(qū)分已知現(xiàn)場性能優(yōu)劣的混合料。間接抗拉強(qiáng)度試驗容易產(chǎn)生假陽性結(jié)果，不建議在混合料設(shè)計過程中使用基于間接拉伸強(qiáng)度的水分敏感性測試。

研究斷裂力學(xué)試驗方法用于水敏感性測試：半圓形的彎曲試驗（SCB）結(jié)合MiST條件測試中間溫度疲勞開裂性能。測試方法背后的原理是，與間接抗拉強(qiáng)度(包括壓縮和剪切損傷)相比，斷裂能夠更好地獲取水損害背后的機(jī)制。然而，這種方法不能區(qū)分性能好的材料和性能差的材料。此測試不適合作為配合比設(shè)計期間的常規(guī)測試方法。

動態(tài)模量與MiST處理結(jié)果被認(rèn)為是一種很有前途的過程，由于其能夠清楚區(qū)分好的和表現(xiàn)不佳的材料來對路面性能預(yù)測水損害的潛在影響。

使用MiST(ASTM D7870)作為常規(guī)基礎(chǔ)上在混合料設(shè)計和評估期間的水損害處理過程。該設(shè)備相對便宜，占地面積小，允許同時處理多個樣品，過程花費相對較少的時間(可以在一天內(nèi)完成)。該過程還允許用戶設(shè)定測試壓力，溫度和循環(huán)次數(shù)進(jìn)行研究，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究。

-END-

本文章中的測試數(shù)據(jù)和相關(guān)方法主要參考以下文獻(xiàn)：

Eshan V. Dave, Jo Sias Daniel, Rajib B. Mallick et,al, Moisture Susceptibility Testing for Hot Mix Asphalt Pavements in New England, Prepared for The New England Transportation Consortium, August 2018, NETCR109, Project No.15-3.

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