新英格兰交通运输协会路面水损害性能测试方法研究

vlambda
2021-02-08

新英格兰交通运输协会路面水损害性能测试方法研究

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摘要

新英格兰交通运输协会采用冻融循环试验（洛特曼试验）和MiST水敏感测试仪，结合间接拉伸强度试验（即传统的TSR试验），动态模量（DM）试验，半圆弯曲（SCB）试验，进行沥青水敏感性对比分析，并提出了适用于沥青混合料的水敏感性测试的试验方法。

仅需3分钟，获取详细实验研究过程

路面抗水毁性能研究背景

沥青路面在正常的使用寿命内，水损害对路面的破坏是深层次，不可逆的，路面积水后，伴随温度的交替和重荷载的重复碾压影响，质量差的混合料会出现早期破坏甚至缩短使用寿命。因此，对路面抗水毁性能的研究是必须攻克的难题。

新英格兰交通运输协会就沥青水敏感性问题进行了系统的试验研究，采用传统的冻融循环试验（洛特曼试验）和MiST水敏感测试仪对不同等级的沥青混合料进行预处理，对处理后的试件分别从间接拉伸强度试验（即传统的TSR试验），动态模量（DM）试验，半圆弯曲（SCB）试验这三个方面评估沥青混合料性能的变化。

研究方法

为了探讨沥青混合料受水损害后性能的变化情况，本次试验主要使用以下两种方法对沥青混合料进行预处理：

改进洛特曼（Lottman）处理（AASHTO T283），即将试件进行真空饱水或冻融循环，测定试验前后的劈裂抗拉强度或者回弹模量比进行评价；
MiST处理（ASTM D7870）。

MiST水敏感性测试仪

美国InstroTek的MiST(水敏感性测试仪)是为了模拟HMA路面由于水和交通荷载反复作用的剥离机理。MiST由压力室组成，压力室的工作条件是通过提高和降低温度来控制样品中的水，通过压缩沥青混合料样品，从而形成孔隙，模拟汽车轮胎对湿路面的作用。测试可以在不同的压力和温度下进行，产生孔隙压力和内部冲刷沥青层作用。

目前传统的水敏感性测试的重复性很差，测试时间可能长达七天。HMA混合料在MiST中自动处理，可以在四个小时甚至更少时间内完成处理过程。

对两种方法处理后的试件性能分别从：间接拉伸强度（ITS），动态模量（DM），半圆弯曲（SCB）这三个方面进行评估。

表1

不同预处理试件的试验方法

力学测试方法	洛特曼处理	MiST处理
间接拉伸强度试验	YES	YES
动态模量试验	NO	YES
半圆弯曲试验	NO	YES

试验研究与结果分析

NO.01

间接拉伸强度试验结果

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试验选取了10种不同的混合料类型，分别对试件进行不处理，洛特曼（lottman）处理，MiST处理，然后对比处理前后沥青混合料的间接拉伸强度变化，并对混合料的处理结果进行分级。来比较不同混合料的性能变化。（红色表示性能差的混合料，橙色表示性能中等混合料，蓝色表示性能好的混合料）

Lottman和MiST条件处理后的混合料间接拉伸结果如图1、2所示。

图1｜经过洛特曼处理后的不同混合料间接拉伸强度的关系

图2｜MiST处理后的间接拉伸强度结果

10种材料的TSR排序见表2。比较两组混合料的优劣排序，两组混合料的优劣排序无明显差异。对于洛特曼处理的结果，性能好的混合料一般比差的混合料排名好，但对于MiST处理后的结果，情况正好相反。排名中唯一一致的趋势是，中等性能混合材料始终是表现最差的材料。

表2

间接拉伸强度结果

表3

平均间接拉伸强度结果

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结果表明

性能好的混合料和中等性能混合料以及差性能混合料的趋势相似，TSR值差异不大。

好的和差的混合料的TSR值存在较宽的范围(0.82 ~0.99)，但平均TSR值仅相差0.01。这表明，就其对ITS和TSR的影响而言，MiST条件作用效果与Lottman条件作用效果相对相似，而且在进行ITS测试时，两种方法都不能清楚地区分性能良好和性能不佳的混合料。

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

由于Lottman和MiST条件作用强度都是在其试件上测量的，所以两种条件作用方法之间的比较有限。图3显示了间接抗拉强度的线性比较。

图3｜Lottman和MiST处理后的强度比较

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结果表明

两种方法对间接抗拉强度的影响几乎没有差异，因为所有的点都落在等值线附近。

通常认为MiST是一种更有浸入性，破坏性的处理过程，因为它包括孔隙压力和水分淹没的影响。

观察到两种方法之间的细微差别，对于两种方法都不能区别好坏材料的可能解释是，间接拉伸强度试验结果可能不能测量典型的混合料的水损害的影响。由于试验是在室温下进行(通常是25℃)，许多混合料太软，在其测试期间不能显示纯粹的拉伸破坏。相反，在加载头附近的材料存在大量的蠕变和剪切破坏。

间接拉伸强度（ITS）结合水敏感性测试的方法在理论上是通过劈裂抗拉强度直接对材料内部的粘结结构施加应力。然而，蠕变和剪切作用其实并没有直接对预计的最敏感的水损害区域施加应力。

NO.02

动态模量试验结果

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通过动态模量试验测定了材料在MiST水损害作用下的线性粘弹性特性的变化。给出了来自佛蒙特州的三种混合料和缅因州的三种混合料的结果。但是，并不是所有的混合料都能在MiST条件下完整保留下来(如MEP3)，在MiST作用条件下，试件会破碎，使试件无法进行测试。发生这种情况的原因尚不清楚，关于试验混合料的一般信息见表4。

表4

MiST处理后的混合料动态模量

图4、5为MEP三种混合料的动态模量主曲线和VTP三种材料的动态模量主曲线。这个图包括了混合料在非处理条件(实心点)和MiST处理条件(空心点)状态下的主曲线。

图4｜佛蒙特州混合料的动态模量结果

图5｜缅因州混合料动态模量结果

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从图4、5的主曲线可以看出

所有混合料经过MiST条件作用后刚度都有所降低。这在较低的频率下（缓慢的交通速度或较高的路面温度）表现得最为明显。

由于数据绘制在对数尺度上，以及点的接近，高频率下刚度的降低不那么明显，但对于两个性能较差的混合料来说，这仍然是显而易见的。

比较性能良好和性能较差的材料时，与性能较差的材料相比，性能好的材料刚度的减少似乎较少。

由于对数尺度上的目视观测可能会产生误导，动态模量比(湿处理条件模量除以非湿条件模量)，沿主曲线在不同频率下的值如图6、7。

图6｜佛蒙特州材料动态模量比结果

图7｜缅因州材料的动态模量

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结果表明

该图中的结果支持了上面的可视化观察结果。

从这些比率可以看出，经过处理后，材料在所有频率上的刚度都有所下降。在较低的频率下，刚度的降低更为显著，在没有添加抗剥落剂的情况下，佛蒙特州好性能材料的动态模量比低至0.71，而差的动态模量比低至0.53。缅因州材料在低频的表现，动态模量比对于良好材料高达0.79，对于较差的则低至0.37。

随着频率的增加，佛蒙特州材料的动态模量比稳定地增加到0.95左右，两个性能较差的材料的动态模量比都增加到0.80左右，而缅因州材料的动态模量比增加到1.03左右，两个性能较差的材料的动态模量比都增加到0.87左右。这些结果表明，在较低的车速和较高的温度下，沥青混合料受水损害的影响更大。

与拉伸强度测量相比，动态模量效果更加显著的原因是，动态模量能够测试更大程度的损伤。这是因为动态模量是在整个试件上进行测量的，不管在材料的哪个位置，都能够采集到由于试件内部的小缺陷而造成的所有损伤。

另一方面，拉伸强度测量通常集中在材料的一个区域内的破坏。这在涉及断裂的强度测试中尤其明显，如ITS或DCT，其中的破坏区域是由测试几何形状高度控制的。在这种情况下，很可能许多局部损伤区域(特别是材料表面附近)不会被强度测量完全采集到，因为它们不是沿着破坏面发展的。

NO.03

半圆弯曲试验结果

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在非MiST处理条件和MiST处理条件下对材料进行了SCB测试，以研究在中间温度下使用断裂测试来确定沥青混合料的水敏感性的有效性。本节的结果将以与ITS部分相同的方式和颜色编码来表示。

图8为SCB试验预处理前后的断裂能结果，其中每根实心柱代表非处理条件材料的平均断裂能，花纹柱代表MiST处理后材料的断裂能。

图8｜SCB断裂能结果

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结果表明

所有的材料在处理后的断裂能都有一致的增加。虽然不同材料的用量不同，但其增幅一般在30%到100%之间。这表明，在经历了MiST处理的水损害后，材料的开裂性能得到了改善，这与实际的水损害的现场经验相悖，且没有意义。

除此之外，还可以看到，在断裂能结果方面，差和好的混合料没有一致的区别，这包括断裂能增加的幅度和比例。

图9显示了来自相同的SCB测试系列的柔度指数结果中也很明显，在经历了MiST水损害后，柔度指数持续增加。然而，在这种情况下，当每种混合料的柔度指数几乎增加100%时，增加的幅度要大得多，有些混合料的柔度指数甚至比非处理条件的值大5倍。与之前的结果相似，这表明处理后的材料比未经处理的材料更能抵抗开裂。

图9｜SCB柔度指数结果

对于MiST水损害后断裂能和柔度指数意外增加可与前面提到的ITS测试的问题类似。SCB试验是在室温下进行的，假定试样将主要由于材料断裂而不是蠕变或塑性变形而失效/变形。考虑到本研究中使用的材料是相对软的粘结剂等级，这种假设可能不完全有效，因为在试验中观察到大量的蠕变。而断裂能量仍然可以从这些结果中进行科学计算，在这种情况下很大一部分的计算断裂能量通过实际断裂(而不是塑性变形和蠕变)，使结果预测了不可靠的断裂性质。就像之前看到的动态模量结果，MiST处理后通常会使材料表现出更加柔软和更多的粘性。

试验结果分析

根据本报告提出的研究结果，可以得出：

从间接拉伸强度结果看，无论使用Lottman还是MiST水损害测试仪，都无法区分良好和不佳混合料的性能。

从半圆弯曲试验的结果来看，无论是从断裂能还是柔度指数值上，都不能一致、清晰地区分性能好的材料和性能差的材料。经过水损害处理后，材料的断裂能和柔性指数都有所增加，这说明材料在受到水损害后，具有了更强的抗裂性。虽然还不清楚究竟是什么机制导致了这种情况，但似乎是水分诱发应力可以对材料产生软化效果。

动态模量与水损害测试仪处理相结合得到的结果是可靠且符合规律的。与两种性能较差的材料相比，性能良好的材料明显且一致地保留了更多的动态模量测量的初始刚度。

根据动态模量测试，经过水损害处理后，材料的模量持续下降。这是表明材料的行为更软，更粘的方式。这一趋势表明，对水分敏感的材料在接触水分后可能特别容易发生车辙问题诱导的损害。

建议

经过测试和分析，提出以下几项建议，找到适用于沥青混合料的水敏感性测试的相关试验。

考虑到以往的经验相关的试验结果，建议不依赖通过AASHOT T-283等规范间接拉伸强度测试获得的数据。以前的经验表明，那些通过了抗拉强度比规范要求的材料在现场多次因水损害而破坏。研究结果表明，抗拉强度比并不能识别和区分已知现场性能优劣的混合料。间接抗拉强度试验容易产生假阳性结果，不建议在混合料设计过程中使用基于间接拉伸强度的水分敏感性测试。

研究断裂力学试验方法用于水敏感性测试：半圆形的弯曲试验（SCB）结合MiST条件测试中间温度疲劳开裂性能。测试方法背后的原理是，与间接抗拉强度(包括压缩和剪切损伤)相比，断裂能够更好地获取水损害背后的机制。然而，这种方法不能区分性能好的材料和性能差的材料。此测试不适合作为配合比设计期间的常规测试方法。

动态模量与MiST处理结果被认为是一种很有前途的过程，由于其能够清楚区分好的和表现不佳的材料来对路面性能预测水损害的潜在影响。

推荐使用MiST(ASTM D7870)作为常规基础上在混合料设计和评估期间的水损害处理过程。该设备相对便宜，占地面积小，允许同时处理多个样品，过程花费相对较少的时间(可以在一天内完成)。该过程还允许用户设定测试压力，温度和循环次数进行研究，进行标准化研究。

-END-

本文章中的测试数据和相关方法主要参考以下文献：

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.