一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂试验方法

摘要

本发明公开一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂试验方法，首先进行多孔沥青混合料级配和油石比设计，室内拌和多孔沥青混合料并成型试件。随后，将试件随机等分成两组，第1组试件直接进行劈裂试验，第2组试件根据实际车速和路面设计交通量选择相应的压强和时间对表面进行冲刷，之后进行冻融试验，在完成两次冲刷冻融循环后进行劈裂试验。将第2组试件的平均劈裂强度与第1组试件的平均劈裂强度进行对比。本发明方法不仅可以判断多孔沥青混合料的设计是否合理，同时能够对比不同多孔沥青混合料的水稳定性能。本发明还可以对路面实际取样进行分析，判断路面材料在不同使用阶段的性能，进而为路面性能的预养护措施制定提供依据，保障路面长期使用性能。

说明书

技术领域

本发明涉及沥青混合料试验技术领域，具体涉及一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂 试验方法。

背景技术

多孔沥青路面是将空隙率较大的多孔沥青混合料铺设在路表作为排水层，同时在其下铺 设密级配沥青混合料并在层间铺设不透水层的路面结构形式，能够保证雨水进入多孔沥青混 合料层，但不继续下渗，而是沿着多孔沥青混合料层迅速的排出到路面结构外部。多孔沥青 混合料采用间断级配，混合料的空隙率在18％-25％之间，并以连通空隙为主，路面具有优越 的排水性能和降低噪声的功能。多孔沥青路面能够有效降低路表积水，尤其是在雨天降低路 表水膜和行车水漂的作用显著，同时多孔沥青路面有利于释放轮胎和路面之间的压缩空气， 从而起到降低噪声的作用，良好的路面设计可以降低路面噪声1～5分贝。因此，多孔沥青路 面能够良好改善行车安全性和舒适性。较高的空隙率和连通空隙的存在是多孔沥青混合料路 用性能和功能的关键，但是在荷载、雨水冲刷以及气温变化等因素的作用下，多孔沥青混合 料的大空隙也容易导致多孔沥青混合料发生性能衰变，甚至发生松散，从而导致路面结构性 能的失效。因此，各国学者历来重视荷载以及环境因素综合作用下多孔沥青混合料的使用性 能稳定性。

导致多孔沥青混合料空隙率衰变的因素虽然很多，但沥青混合料一直暴露在自然环境中， 雨水冲刷对此有着重要的影响。沥青路面表面在行车荷载作用的瞬间和作用结束的瞬间，均 产生真空“泵吸”作用，特别是沥青路面中存在连通空隙时，这种真空“泵吸”作用便转变为高 速的水流冲刷。对多孔沥青路面，与自然下渗相比，在车辆荷载的作用下，空隙中水流冲刷 速度更大，对多孔沥青混合料的稳定性会产生较大的影响，因此合理评价在车辆荷载作用下 雨水冲刷对多孔沥青混合料性能影响对多孔沥青混合料的设计以及多孔沥青路面的设计具 有重要意义。

目前，沥青混合料的水稳定性评价方法主要分为两类，一类是静载试验，包括浸水马歇 尔试验、浸水抗压强度试验、冻融劈裂试验，另一类是动载试验，即浸水车辙试验。我国《公 路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试 验评价沥青混合料的水稳定性。冻融劈裂试验条件严格，在真空饱水的过程中水充分进入马 歇尔试件中，且在冻融循环过程中，试件空隙中水的状态发生了改变，因此较之浸水马歇尔 试验更贴近路面真实的损坏情况。但研究表明，浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验都没有考虑 水流的动态冲刷作用，而对于多孔沥青混合料，在车辆荷载作用下雨水冲刷对其空隙率衰变 及性能的影响较大，因此，现阶段对多孔沥青混合料水稳定性的评价方法都存在不足。

我国现行规范关于沥青混合料水稳定性的验证采用冻融循环前后的劈裂强度比指标进 行评价，而沥青混合料抗水损害性能的评价应包括两部分：一是水敏感性评价，二是评价沥 青混合料经过水损害模拟过程后最终的力学性能指标，即剩余劈裂强度。因此，我国现行规 范只是评价了沥青混合料在水环境作用下抗水损害性能是否敏感的部分，但没有评价混合料 抵抗水破坏的能力，即水稳定性，不是完整的抗水损害性能评价。多孔沥青混合料空隙率较 大，连通空隙较多，在高速行驶的车辆荷载作用下，混合料空隙中存在高速的水流冲刷，加 速了沥青路面的水损害，由此可见合理评价沥青混合料水稳定性的重要性，而现阶段对多孔 沥青混合料抗水损害性能的评价指标是片面的。

发明内容

本发明目的是针对现有多孔沥青混合料水稳定性评价方法和指标的缺点，提供一种多孔 沥青混合料冲刷冻融劈裂试验方法，通过室内试验评价多孔沥青混合料的抗冲刷冻融性能， 可以简单方便地判断多孔沥青路面在实际使用过程中的水稳定性。

本发明采用以下技术方案：

一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂试验方法，包括如下步骤：

步骤1：依据多孔沥青混合料设计油石比与级配，按照《公路工程沥青及沥青混合 料试验规程JTG E20-2011》中T 0702-2011击实法，室内拌和生产多孔沥青混合料并成 型试件；或者直接从实际路面进行取样获取试件；

步骤2：在步骤1完成后，检测试件的空隙率在设计目标空隙率正负0.5％范围内， 舍弃不达标的试件；对于同一种多孔沥青混合料，每次试验的平行试件≥6个；

步骤3：将试件随机等分成两组，分别标记为第1组和第2组；

步骤4：第1组试件直接根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011》 进行劈裂试验，获得第1组试件的劈裂强度；

步骤5：将第2组试件置于恒温箱中，在25℃±1℃条件下保温不少于60min；

步骤6：将步骤5保温好的试件置于冲刷试验机冲刷压头正下方10cm±1cm的位置，模 拟车轮压强对试件上表面进行冲刷60～120min；

步骤7：将步骤6冲刷完成的试件置于真空干燥箱中，在真空度为97.3～98.7kPa条件下 保持15min，然后打开阀门，恢复常压，将试件在水中放置0.5h；

步骤8：将步骤7的试件取出放入塑料袋中，加入水，扎紧袋口，将试件放入恒温冰箱 中，在-18℃±2℃条件下保温16h±1h；

步骤9：将步骤8的试件取出，放入60℃±0.5℃的恒温水槽中，保温24h±1h；

步骤10：步骤5～9为一个冲刷冻融循环，重复步骤5～9完成第2组试件的第2次冲刷 冻融循环试验；根据实际需要相应地调整冲刷冻融循环次数；

步骤11：将步骤10完成的试件根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011》进行劈裂试验，获得第2组试件的劈裂强度；

步骤12：计算第1组试件的劈裂强度平均值和离散系数以及第2组试件的劈裂强度 平均值和离散系数；

步骤13：将第2组试件的平均劈裂强度与第1组试件的平均劈裂强度进行比较，以 百分比表示。

步骤1所述成型试件为成型标准马歇尔试件。

步骤6所述的模拟车轮压强，标准压强为0.6MPa，根据实际的车速进行调整；当 设计交通量为轻交通到中等交通时，冲刷时间选择为60min，当设计交通量为重交通时， 冲刷时间选择为90min，当设计交通量为特重交通时，冲刷时间选择为120min。

步骤12所述的离散系数应小于2％，当离散系数不满足要求时，应剔除离散程度较 大的数据，重新计算劈裂强度平均值和离散系数，但应保证每组试件数量不小于3个， 不满足前述要求应重新成型试件进行试验。

本发明的有益效果：

多孔沥青混合料由于空隙率大，容易受到车轮荷载和流动水的反复冲刷作用以及进入混 合料内部水分的冻融作用，进而发生松散破坏。本发明提供一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈 裂试验不仅能够用于评价多孔沥青混合料的设计是否合理，同时能够对比不同多孔沥青混合 料的水稳定性能，从而为排水沥青路面的设计与材料优选提供有利帮助。并且与现行规范中 沥青混合料水稳定性评价试验相比，本发明在以下几方面具有明显的优势：(1)试验考虑了 多孔沥青路面发生水损害时的约束条件、行车动荷载以及行车动荷载作用下的水力冲刷等实 际因素，利用冲刷试验机，设计了一个更为严峻的室内全过程模拟实际状态，即冲刷冻融循 环；(2)试验中冲刷压力、冲刷时间、冲刷冻融循环次数等关键参数均可以结合实际情况， 通过室内试验进行验证；(3)试验结果可以用于评价多孔沥青混合料设计的合理性，也可以 用于不同多孔沥青混合料的性能对比，从而优选性能合理的多孔沥青混合料，保障排水沥青 路面的使用性能。总之，本发明提出的方法，试验数据准确可靠，试验方法简便可行， 易于实现，具有非常良好的推广利用价值。

附图说明

图1为冲刷试验设备示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做更进一步地解释。下述实施例不以任何形式限制 本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均处于本发明的保护范 围之中。

多孔沥青路面在长期使用过程中，易受到水流冲刷、车轮荷载的作用，以及进入混 合料内部的水分的冻融作用，因此多孔沥青路面因为水稳定性不足而导致的松散破坏是 其典型病害问题。但是当前的水稳定性评价方法主要针对普通沥青混合料，对多孔沥青 混合料并不具备良好的针对性和适用性，导致多孔沥青混合料水稳定性评价不足，进而 引发路面病害的发生。因此本发明提供了一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂试验方法。

本发明提供的一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂试验方法设计思路是：由于室内成 型的多孔沥青混合料的空隙率可以严格控制，其应用性能也得到了丰富的经验验证。通 过室内模拟的多孔沥青混合料和实际路面的混合料具有相同的空隙状态和结构，进而通 过室内试件模拟实际多孔沥青路面的冲刷冻融损坏是合理的，其实验结果可以用于评价 多孔沥青路面的水稳性能。同时本方法也可以直接对实际路面的取样进行冲刷冻融劈裂 试验分析，从而判断处于不同使用阶段的路面的实际水稳性能。

本发明的具体方案是，首先根据实际路面多孔沥青混合料设计油石比与级配，利用 室内混合料拌和机拌合多孔沥青混合料成型标准马歇尔试件，试件数量不少于6个，并 将试件随机等分成两组，分别标记为第1组和第2组。第1组试件直接进行劈裂试验， 以反映多孔沥青混合料在没有受到冲刷和冻融作用时的强度性能，第2组试件完成两次 冲刷冻融循环后再进行劈裂试验，以反映多孔沥青混合料经受了冲刷和冻融作用后的强 度性能，将第2组试件的平均劈裂强度与第1组试件的平均劈裂强度进行对比，并用百 分比进行表征，以反映多孔沥青混合料的抗冲刷冻融的水稳性能。当第2组试件的平均 劈裂强度相比于第1组试件的平均劈裂强度百分比较小时，表明经受冲刷冻融后的多孔 沥青混合料强度下降较大，在实际使用过程中容易发生水稳定性不足。通过这样的试验 设计可以达到以下三个目的：

①由于室内试件和现场路面具有相同的油石比和级配，可以模拟路面的空隙结构， 再根据车速调整冲刷压强，根据交通量调整冲刷时间，可以模拟路面受到水流和荷载共 同作用的情况，使室内试验的结果具有较高的合理性和有效性。

②通过对同一种多孔沥青混合料的试验评价，可以验证其材料组成和配合比设计的 合理性，验证其使用性能，通过对具有不同材料组成和配合比设计的多孔沥青混合料进 行试验评价，可以对比不同多孔沥青混合料的使用性能，从而优选出水稳定性能优越的 多孔沥青混合料，保障多孔沥青路面的使用性能。

③通过对实际路面的取样试件进行多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂试验，可以判断不 同使用阶段的多孔沥青路面的实际水稳性能，进而为路面使用过程中的清及时预防性养 护提供有利依据。

一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂试验方法，包括如下步骤：

步骤1：依据实际路面多孔沥青混合料设计油石比与级配，室内拌和生产多孔沥青 混合料，注意控制拌合温度，一般在170℃～190℃，必须充分拌合均匀。按照《公路工 程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011》中T 0702-2011击实法，成型标准马歇尔 试件。使用标准马歇尔试件，是因为其材料用量少，制作方便，便于试验。也可以根据 后续性能试验需要成型其他类型的试件。或者直接从实际路面进行取样获取试件。

步骤2：在步骤1完成后，检测试件的空隙率在设计目标空隙率正负0.5％范围内， 舍弃不达标的试件；对于同一种多孔沥青混合料，每次试验的平行试件≥6个，以提高 试验精度。

步骤3：将试件随机等分成两组，分别标记为第1组和第2组。

步骤4：第1组试件直接根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011》 T0716-2011进行劈裂试验，获得第1组试件的劈裂强度。

步骤5：将第2组试件置于恒温箱中，在25℃±1℃条件下保温不少于60min。

步骤6：将步骤5保温好的试件置于冲刷试验机冲刷压头正下方10cm±1cm的位置，模 拟车轮压强对试件上表面进行冲刷60～120min。一般以车速80km/h计算，压强使用0.6MPa， 但是随着行车速度的不同，车轮压强也会有一定的变化，因此可以根据实际的行车速度对车 轮压强进行调整。对于冲刷时间的选择，可以依据多孔沥青路面的设计交通量进行选择，当 设计交通量为轻交通到中等交通时，可以选择冲刷时间为60min，当设计交通量为重交通时， 可以选择冲刷时间为90min，当设计交通量为120min时，可以选择冲刷时间为120min。冲 刷试验设备示意图如图1所示，整个试验设备放置在恒温箱1中，水流通过水管10进入设 置有溢流槽9的储水槽3中；利用增压抽水机2提高出水压强，通过具有压力表的阀门7控 制出水口6处压强；试验试件5放置在冲刷桶4中，位于出水口6的正下方；冲刷桶放置在 支撑台8上。

步骤7：将步骤6冲刷完成的试件置于真空干燥箱中，在真空度为97.3～98.7kPa条件下 保持15min，然后打开阀门，恢复常压，将试件在水中放置0.5h。

步骤8：将步骤7的试件取出放入塑料袋中，加入10ml的水，扎紧袋口，将试件放入 恒温冰箱中，在-18℃±2℃条件下保温16h±1h。

步骤9：将步骤8的试件取出，放入60℃±0.5℃的恒温水槽中，保温24h±1h。

步骤10：步骤5～9为一个冲刷冻融循环，重复步骤5～9完成第2组试件的第2次冲刷 冻融循环试验。本试验的标准冲刷冻融循环次数为2次，可以根据实际需要相应地调整冲刷 冻融循环次数。

步骤11：将步骤10完成的试件根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程JTG E20-2011》进行劈裂试验，获得第2组试件的劈裂强度。

步骤12：计算第1组试件的劈裂强度平均值和离散系数以及第2组试件的劈裂强度 平均值和离散系数；离散系数应小于2％，当离散系数不满足要求时，应剔除离散程度 较大的数据，重新计算劈裂强度平均值和离散系数，但应保证每组试件数量不小于3个， 不满足前述要求应重新成型试件进行试验。

步骤13：将第2组试件的平均劈裂强度与第1组试件的平均劈裂强度进行比较，以 百分比表示。

本发明的一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂试验方法已经得到了良好的试验验证。

实施例1

依据多孔沥青混合料设计油石比与级配，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规 程JTG E20-2011》中T 0702-2011击实法，室内拌和生产多孔沥青混合料并成型标准马 歇尔试件，采用的设计级配、油石比和目标设计空隙率如表1所示。

表1 混合料设计级配、油石比及目标设计空隙率

检测试件的空隙率在设计目标空隙率正负0.5％范围内，舍弃不达标的试件，共制 备了32个满足要求的马歇尔试件。

将试件随机分成8组，每组4个试件，并置于25℃的恒温箱中保温60min，利用冲刷试 验机以0.6Mpa的压力垂直冲刷每组试件表面，第1组冲刷0min，第2组冲刷15min，第3 组冲刷30min，第4组冲刷60min，第5组冲刷90min，第6组冲刷120min，第7组冲刷180min， 第8组冲刷240min。然后对每组试件以50mm/min的加载速率进行劈裂试验，并计算得到每 组试件的平均劈裂强度。将第2～8组试件的平均劈裂强度与第1组进行比较，以百分比表征， 相应的结果如表2所示。

表2 不同冲刷时间的试验结果

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 冲刷时间/min 0 15 30 60 90 120 180 240 劈裂强度/Mpa 0.581 0.567 0.558 0.535 0.522 0.507 0.486 0.471 劈裂强度比/％ 100 97.6 96.1 92.1 89.8 87.2 83.6 81.1

由表中结果可见，试件的劈裂强度随着冲刷时间的增加逐渐下降。确定合理的冲刷时间 时，应考虑两个原则，一是有效地模拟在车辆荷载作用下多孔沥青路面水损害从无到有逐渐 发展的过程，同时冲刷时间能够模拟使用寿命期限内沥青路面发生水损害的破坏力；二是室 内试验容易实现，冲刷时间过长，对试件的机械损伤越明显，对试验数据的合理性和真实性 不利，同时对冲刷试验机的损伤也较明显。综上，本发明中冲刷时间取60min～120min是合 理的。

实施例2

依据多孔沥青混合料设计油石比与级配，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规 程JTG E20-2011》中T 0702-2011击实法，室内拌和生产多孔沥青混合料并成型标准马 歇尔试件，采用的设计级配、油石比和目标设计空隙率如表3所示。

表3 混合料设计级配、油石比及目标设计空隙率

检测试件的空隙率在设计目标空隙率正负0.5％范围内，舍弃不达标的试件，共制 备了32个满足要求的马歇尔试件。

将试件随机分成8组，每组4个试件。第1组试件直接进行劈裂试验。第2组试件置于 25℃的恒温箱中保温60min，再利用冲刷试验机以0.6Mpa的压力垂直冲刷试件表面60min， 之后进行劈裂试验。第3至8组试件分别进行1次，2次，4次，6次，8次和10次冲刷冻 融循环，之后进行劈裂试验，每个冲刷冻融循环具体过程如下：试件置于25℃的恒温箱中保 温60min；将保温好的试件利用冲刷试验机以0.6Mpa的压力垂直冲刷试件表面60min；将冲 刷好的试件在真空度为97.3～98.7kPa条件下保持15min，然后打开阀门，恢复常压，将试 件在水中放置0.5h；再将试件取出放入塑料袋中，加入10ml的水，扎紧袋口，将试件放入 恒温冰箱中，在-18℃条件下保温16h；之后将试件取出，放入60℃的恒温水槽中，保温24h。 每组取劈裂强度的平均值作为最终试验结果，并将第2至8组的劈裂强度与第1组的劈裂强 度进行比较，以百分比表示，相应的结果如表4所示。

表4 不同冲刷冻融循环次数的试验结果

由表中数据可知，随着冲刷冻融循环次数的增加，试件的劈裂强度逐渐减小，冲刷冻融 循环2次时，劈裂强度减小幅度最大，且已经出现明显的松散现象，冲刷冻融10次之后， 试件已经完全松散损坏。冲刷冻融循环次数的选取原则上既要试件出现了明显的破坏迹象， 劈裂强度下降比较明显，但是也不能让试件破坏过于严重，过于严重对于混合料设计而言已 经缺乏良好的参考价值。因此，本试验中冲刷冻融循环次数取2次是合理的，同时可以根据 实际需要做相应的调整。

应用实例表明，本发明提供的一种多孔沥青混合料冲刷冻融劈裂试验方法，数据准 确可靠，操作方便可行，易于实现，能够准确判断多孔沥青混合料的冲刷冻融稳定性， 从而为多孔沥青混合料的设计，性能对比以及路面性能判断与养护提供可靠依据，进而 保障多孔沥青混合料的使用性能。因此，本发明的试验检测方法具有非常良好的应用推 广价值。