水稳定性能

第三节　水稳定性能

水损害是沥青路面的主要病害之一。所谓水损害是沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于汽车车轮动态荷载作用，进入路面空隙中的水不断产生冻水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入沥青与集料的界面，使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力，沥青膜从石料表面剥离。除了荷载及水份供给条件等外在因素外，沥青混合料的抗水害能力是决定路面的水稳性的根本因素。

沥青混合料水稳定性的评定方法，通常分两个阶段进行，第一阶段是评价沥青与矿料的粘附性，第二阶段是评价沥青混合料的水稳定性。根据沈金安的提法，这两个阶段是不可分割的，不应该分开来看。

对于橡胶沥青的粘附性，由于橡胶沥青高粘度的特性，裹覆集料的沥青膜较厚，水不能穿过厚厚的橡胶沥青膜，所有的橡胶沥青粘附性都是五级，但是用手却能轻易的从集料表面将橡胶沥青剥离，常规的水浸和水煮的检测方法，不适合评价橡胶沥青的粘附性。目前还没有一个合适的办法评价橡胶沥青的粘附性，本节只从沥青混合料的阶段评价沥青混合料的水稳定性。

目前国内外各种混合料水稳定性试验的评价方法中，广泛应用的有浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、浸水劈裂强度试验、真空饱水马歇尔试验、浸水抗压强度试验、浸水条件下的飞散试验和浸水车辙试验等。

一、浸水马歇尔试验

这是我国现行规范规定的方法，在世界上得到了广泛的应用。试件分两组：一组在60℃水浴中保养0.5小时后测其马歇尔稳定度；另一组在60℃水浴中恒温保养48小时后测其马歇尔稳定度；计算后者与前者的比值即残留稳定度。

为保证试验结果的可比性，同时采用相同的集料、相同的级配、设计相同的沥青膜厚度与空隙率，使用不同目数和掺量的胶粉制备成橡胶沥青作为粘结料^[25]。

图6-1　胶粉目数与残留稳定度关系图

从图6-1中可以看出，随着胶粉目数的增加残留稳定度逐渐增加，即水稳定性逐渐增加。分析可能是由于胶粉颗粒越小，混合料越容易压实的缘故，这一点从空隙率的变化可以得到证实。空隙率越小，水损害越小。

图6-2　胶粉掺量与残留稳定度关系图

从图6-2中可以看出，随着胶粉掺量的增加残留稳定度先增加后下降，即水稳定性先增加后下降。在25%的掺量处有一个拐点，再次说明胶粉的掺量有一个平衡点，超过这个平衡点橡胶沥青的粘附性就会下降。

对橡胶沥青在大空隙率排水路面OGFC中的应用进行了研究。采用浸水马歇尔试验来评价橡胶沥青OGFC混合料的水稳定性能。采用3种不同的混合料，第一组为基质沥青OGFC，第二组为橡胶沥青OGFC，第三组为改性沥青OGFC。在同一矿料级配和同一最佳沥青用量情况下，比较不同混合料的浸水残留稳定度。试验结果如表6-8所示^[26]。

表6-8　浸水马歇尔残留稳定度试验结果

表6-8中的数据说明，橡胶沥青OGFC的残留稳定度最大，但和改性沥青OGFC的相差不是特别大，说明加入橡胶粉后，沥青混合料的水稳定性得到了提高。因为橡胶粉的粒度大小均在0.15以下，加工橡胶沥青过程中由于加工工艺的缺陷或者人为的操作误差，并不是所有加入的橡胶粉都能够和沥青完全融和在一起，可能还会存在一小部分自由的橡胶粉颗粒。这一部分橡胶粉颗粒就以细集料的形式填充到粗集料的空隙里，使得混合料的内部结构变得密实，水很难渗透下去，无形中相当于提高了混合料的抗松散的能力，加上橡胶沥青与石料的粘附性也达到了规范中所规定的要求。因此，橡胶改性沥青能够改善混合料的水稳定性能。

二、冻融劈裂试验

冻融劈裂试验的饱水过程包括真空饱水、冻融和高温水浴三个过程。这种试验条件是将实际路面上受到的水的影响集中、强化，使在较短的时间内能够模拟路面较长时间的影响。在我国，它可以直观地反映北方寒冷地区沥青路面的实际工作环境，也针对南方多雨潮湿地区。

每种试件分两组：一组在25℃水浴中浸泡2小时后测试劈裂强度Rl；另一组先在25℃水中浸泡2小时，然后在0.09MPa浸水抽真空15min，再在一18℃冰箱中置放16小时，而后放到60℃水浴中恒温24小时，再放到25℃水中浸泡2小时后测试其劈裂强度R2；计算后者与前者的比值即冻融劈裂强度比。

从图6-3中可以看出，随着胶粉目数的增加冻融劈裂强度比下降。这与残留稳定度的结论刚好相反。究其原因，可能是因为在掺量一定的情况下，目数越大，胶粉颗粒越细，比表面积越大，吸收的沥青越多，使集料表面的沥青膜减薄，加上橡胶沥青中的胶粉温度敏感性较大，混合料在高低温循环作用后，对混合料的水稳定性产生了负面影响，最终使冻融劈裂强度TSR降低。

由此说明，对不同的沥青混合料类型，采用同一种评价手段是不行的，如果认识不到这个基本问题，也许会使研究得出错误的结论。

图6-3　胶粉目数与TSR关系图

图6-4　胶粉掺量与TSR关系图

从图6-4中可以看出，随着胶粉目数的增加TSR先增加后下降，掺量25%时，TSR值最大，即掺量为25%时水稳定性最好。这与残留稳定度的结论想一致。

虽然冻融劈裂试验，从试验结果看，混合料的冻融强度较低，最高不超过75%，不满足改性沥青混凝土配合比设计检验指标中冻融强度不小于80%的要求，但是冻融劈裂是在经过极端负温度条件后评价混合料的水稳定性，而残留稳定度没负温环境，所以采用冻融劈裂的试验结果比残留稳定度更具有现实意义。根据冻融劈裂试验可以得出胶粉目数越大水稳定性越差和掺量有一个最佳平衡点的结论。

SBS混合料的水稳定性要好于橡胶沥青混合料的水稳定性。

此外，传统观念认为，沥青与集料之间的粘附性主要取决于沥青本身的粘度，粘度越大，粘附性越好，但是根据橡胶沥青混合料水稳定性看，橡胶沥青胶粉掺量30%的粘度大于20%的粘度，但是水稳定性并不好，分析其原因可能是因为橡胶沥青高粘度的特性形成的表面张力形成的“沥青壳”裹覆在集料外部，掩盖了橡胶沥青粘附性差的真相，笔者认为，针对橡胶沥青这种特性不能说粘附性好，只能说橡胶沥青的裹覆性更好。

现有研究表明，水泥代替矿粉后橡胶沥青混合料冻融强度有极大的提升，究其原因，可能一是水泥在水中有进一步的水化反应，二是由于水泥的作用，提高了沥青与集料的粘附性，三是由于水泥和沥青的作用，使橡胶沥青的粘度更大，裹覆后防水浸入能力更强，最终使冻融强度得以提升。

表6-9　ARAC16橡胶沥青混合料冻融劈裂试验结果

从表6-9中数据可以看出，随着抗剥落剂消石灰及水泥的掺入，ARAC16橡胶沥青混合料水稳定性、水敏感性都得到很大程度的提高，其中掺加水泥后，经历冻融循环后试件的劈裂强度高达2.3MPa。若不掺加消石灰或水泥，ARAC16橡胶沥青混合料水敏感性不能满足设计要求，劈裂强度比仅达55%；但经历冻融循环后25℃劈裂强度依然有0.8Mpa^[2]。

马歇尔稳定度的绝对值不适合用来设计，但残留稳定度作为相对意义的无量纲值，在评价混合料的水稳定性上还是有意义的。除此以外，由于劈裂强度结果相对于马歇尔稳定度变异性小，冻融强度比TSR也常被用来评价沥青混合料的抗水侵害能力。由图6-5干法混合料试验结果可以看出，随着橡胶粉含量的增加（从0%到30%），混合料的稳定度和劈裂强度都有所降低，但劈裂强度的比值TSR和残留稳定度却明显提高。TSR从没掺橡胶粉时的89.64%提高到掺30%橡胶粉时的95.03%，残留稳定度从92.26%提高到99.12%，说明添加橡胶粉后，混合料的抗水害能力得到了增强。

图6-5　水稳定性能