沥青混合料面层的冲刷损坏一般被称之为沥青混合料水损坏，主要表现为沥青和集料剥离、松散以致于坑槽^[1]。沥青面层在夏季或雨季易发生水损坏现象，原因是沥青混凝土在高温和重轮载作用下，形成有压水流的循环泵吸作用，导致集料表面的沥青膜剥落，使面层失去应有的抗压和抗剪强度，导致严重的辙槽和坑洞^{[2, 3]}。

美国早在20世纪20年代就开始考虑以沥青混合料的抗剥落试验数据为基础，对沥青混合料水损坏性能的好坏进行指标区分^[4]。Lottman开发了针对压实沥青混合料经受真空饱水和冻融循环的加速测试方法^[5]。Tunnicliff和Root对Lottman的试验方法进行了改进并作为ASTM标准。20世纪90年代初道路研究者们又相继开发了汉堡车辙试验仪^[6]、沥青路面分析仪和环境条件系统(Environmental Conditioning System)^[7]等试验方法，但仍不能充分模拟沥青路面的实际使用条件(环境)而得到广泛的认可。我国沥青面层材料水稳定性的检测方法为冻融条件下的间接拉伸(冻融劈裂)试验，以劈裂强度比(冻融后的劈裂强度与冻融前的劈裂强度之比)不小于80％作为沥青混合料水稳定性的最低标准^[8]，它无法考虑交通荷载和水的双重作用对沥青路面的破坏作用。

为此，笔者等人研发了可控制冲刷动水压力和水流温度的数字化道路材料冲刷试验仪^[9]，开展了普通密级配沥青混凝土(AC)、改性沥青玛蹄脂碎石(SMA)和改性开级配排水式磨耗层混合料(OGFC)3类沥青混合料的冲刷试验研究，总结了冲刷深度、冲刷次数、冲刷动水压力、劈裂强度以及水流温度之间的关系式，力求揭示沥青混合料抗冲刷性能的内在机理。

1.1 原材料和配合比

采用壳牌70^#沥青作为基质沥青，简称Q70。采用内掺SBS改性剂对基质沥青进行改性，掺量为5%，简称Q70+S5。以《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTGE20—2011)中的各项试验规程为标准，对基质沥青及其改性沥青进行高温性能、低温性能以及耐久性的试验研究，试验结果见表 1。碎石和矿粉均为石灰岩，3类沥青混合料的级配参照《公路沥青路面设计规范》(JIG D50—2006)，见表 2。3种类型的沥青混合料试件的油石比见表 2。AC混合料采用Q70沥青，沥青混合料试件的拌和、击实温度分别为165，150 ℃；后二者采用Q70+S5改性沥青，沥青混合料试件的拌和、击实温度分别为195，180 ℃，拌和后双面各击实75次成型马歇尔试件，试件的尺寸为101.6 mm×63.5 mm。

按表 2中的混合料配合比制备马歇尔试件，在规定的试验温度及时间内用马歇尔仪测定稳定度和流值，同时计算空隙率、沥青饱和度及毛体积密度，将所得试验数据列于表 3。

按照上述力学性能试验中试件的成型方法制备冲刷试验的试件，在冲刷试验前需将试件放进与冲刷水温相同的水槽内饱水24 h。冲刷试验仪的冲刷机理是以小口径喷头喷射出一定动水压力的恒温水流来回冲刷试件表面，每个试件的顶、底两面各进行一次同条件的冲刷试验，各取两面冲刷槽内的左、中、右3个不同区域的冲刷深度平均值作为该试件的冲刷深度d，相同试验条件下采用3个平行试件，再将3个平行试件的冲刷深度取平均值作为该试验条件的代表值。具体冲刷试验方法可参考文献^[11]。

冲刷次数N固定为900次，冲刷水温T分别取5，25，45，60 ℃，研究不同水温条件下冲刷水压力对沥青混合料冲刷效果的影响。在上述4种试验水温条件下，冲刷水压力p分别取0.4，0.8，1.2，1.6，2，2.4 MPa。试验结果表明，冲刷深度d与冲刷水压力p之间呈如式(1)幂函数关系，同一种沥青混合料不同温度下的d-p之间的幂指数差异很小。考虑到夏季路面实际水流温度与45 ℃较为接近，将同一种沥青混合料以45 ℃条件下的冲刷深度d₄₅为基准，其他温度条件下的数据分别进行一定比例的线性调整，则可将不同温度引起的差异基本消除。图 1中给出了以SMA混合料45 ℃的冲刷深度d₄₅为基准的d₄₅-p散点图，其余2种混合料的d₄₅-p关系大致相同，不再给出。

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图 1 SMA混合料冲刷水压力与冲刷深度关系 Fig. 1 Relationship between erosion hydrodynamic pressure and erosion depth of SMA asphalt mixture

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回归系数B数值的大小与材料抗冲刷性能之间存在一定的关系，材料的抗冲刷性能越好该值就越小，其中SMA的值最小，OGFC的值次之，AC的值最大。OGFC混合料在实际使用过程中由于其较高的空隙率，不易形成较大的冲刷动水压力，即使外部环境条件相同的情况下受到的冲刷能要远小于其他混合料结构，所以当其在实验室中受到相同冲刷作用时，特别是高温水流条件下其抗冲刷性能并不如SMA之类的密实结构。3种沥青混合料的系数m值变化不大，其值范围在1.72~1.85之间，采用同一种改性沥青的2种沥青混合料的m值十分接近，这提示了m值与沥青性质的相关性较强。

冲刷水温T分别取25，45，60 ℃，在此基础上冲刷水压力p分别取2.0，2.4 MPa，冲刷次数N分别为150，450，900，1 800和3 000次，研究不同水温条件下冲刷次数N对沥青混合料冲刷深度d的影响。同理，图 2中给出了SMA混合料冲刷水压力为2 MPa和2.4 MPa时以45 ℃冲刷深度d₄₅为基准的d₄₅-N散点图及式(2)的回归曲线，回归系数列于表 5。

图 2 SMA混合料冲刷次数与冲刷深度的关系 Fig. 2 Relationship between erosion times and erosion depth of SMA asphalt mixture

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沥青混合料的回归系数b受沥青种类和水压力的影响较小，其变化范围在2.1~2.3之间。

将式(2)变形后可得试件在同一水压力条件下任意2次不同冲刷次数与冲刷深度之间的换算关系，如式(3)：

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在前面2节的研究基础上补充冲刷水流温度为15，35 ℃和55 ℃时的冲刷试验，试验条件与前面一样。同一种沥青混合料以冲刷水压力1.6 MPa条件下的冲刷深度d_1.6为基准，将其他2个水压力条件下冲刷深度d_p分别乘上一个常系数k_p，k_p为冲刷次数3 000次时d_1.6/d_p的比值，在图 3中给出3种沥青混合料冲刷水流温度T与冲刷深度d_1.6的散点及式(4)的回归曲线，回归系数列于表 6。

图 3 冲刷水流温度与冲刷深度关系 Fig. 3 Relationship between erosion temperature and erosion depth

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由图 3可知，2种使用改性沥青的混合料之间有很好的相似性，回归曲线几乎平行，二者f值可以合并，仅D值的大小存在差别。

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沥青混合料的性能受温度的影响较大，沥青与集料的粘聚力随着温度上升而下降，沥青混合料的冲刷抗力也随着温度的上升而下降。按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)的标准进行劈裂强度试验，图 4中给出3种沥青混合料不同温度T时的劈裂强度Rt_T与温度T的散点及式(5)所示的回归曲线。

图 4 劈裂强度RtT与温度T的关系 Fig. 4 Relationship between splitting strength RtT and erosion temperature T

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随后以式(1)、式(4)和式(5)为基础，得出沥青混合料在不同水流温度T下冲刷深度d、冲刷水压力p和冲刷应力比λ(水压力p与劈裂强度Rt_T之比)的关系，如式(6)：

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将表 4中的m值、表 6中的f值和表 7中的g值分别代入式(6)后发现，3种沥青混合料冲刷水压力p上的指数m-f/g基本趋近于0，回归系数h=f/g，化简后可得式(7)。

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以λ的值为横坐标、冲刷次数N为900次时的冲刷深度d₉₀₀为纵坐标建立坐标系，在图 5中给出λ-d₉₀₀的散点及式(7)的曲线，系数F，h列于表 8。

图 5 冲刷深度d900与冲刷应力比λ的关系 Fig. 5 Relationship between d900 and λ

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由图 5可以看到，用冲刷水压力p与沥青混合料的劈裂强度Rt_T之比λ代替p可以将不同冲刷水压力、水流温度引起的冲刷效果差异消除，沥青混合料的d₉₀₀-λ拟合关系良好，抗冲刷性能随着λ比值的增加呈幂次方下降，冲刷深度对应的冲刷应力比指数h为1.8左右。

将式(3)中的d₂取900、N₂取900，然后与式(7)合并，综合上述所有试验数据可得任意冲刷次数N条件下d-N~λ之间的关系，如式(8)。

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从数值来看，沥青类材料的c值与其疲劳开裂方程中的指数取值较为接近。将3种沥青混合料的抗冲刷系数A、冲刷深度指数b、冲刷应力比指数c分别按表 9的取值不变，将每组数据中的冲刷次数N和冲刷水压力p以及试验温度条件下的劈裂强度代入式(8)可得这组数据的理论冲刷深度d₀，在图 6中给出3种沥青混合料的d₀与实际冲刷深度d的散点图。由图 6可以看到，3种沥青混合料的理论冲刷深度d₀与实际冲刷深度d之间的误差较小。

图 6 沥青混合料d与d0的关系 Fig. 6 Relationship between d and d0 of asphalt mixture

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考虑冲刷试验精度的要求，控制沥青混合料冲刷试验的冲刷次数N在1 000~3 000次左右，冲刷深度d宜控制在5 mm左右，其中水流温度T对材料的劈裂强度影响很大，冲刷试验前应精确测量。

按照《公路沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ 052—2000)的标准采用循环冻融作为模拟外部环境对其结构抗力产生加速损坏的方法，以抗冲刷性能最好的SMA混合料为冻融试验的对象，循环冻融次数为5次和10次，随后再进行冲刷试验研究，固定冲刷次数N为900次,水流温度T为60 ℃，从而明确冻融对冲刷效果的影响。

在图 7中分别给出冲刷动水压力p与冻融5次、10次后的劈裂强度Rt_D之比以及冲刷深度d的散点，同时给出无冻融条件下SMA混合料的数据，比较冻融前后试验结果间的差异。由图 7可以看到，冻融前、冻融5次、10次后的SMA混合料的d-p/Rt_D散点几乎在一条曲线上，回归式同式(5)。材料抗冲刷系数F由0.120变为0.124，0.126，冲刷应力比指数h由1.76变为1.79，1.78，3种情况下的数值十分相近，这说明冻融对沥青混合料抗冲刷系数、冲刷应力比指数的影响可予忽略，沥青混合料抗冲刷性能的下降也同样可以归结于沥青混合料结构强度的下降。

图 7 冻融后d-p/RtD的关系图 Fig. 7 Relationship between d and p/RtD of asphalt mixture after freezing and thawing

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(1)采用自行研发的数字化道路材料冲刷试验仪对国内常用的3类沥青混合料进行了冲刷性能的试验研究，建立了冲刷次数N、冲刷深度d、冲刷应力比λ(冲刷水压力p与不同温度T时的劈裂强度Rt_T之比)的一般式：N=A×d^bλ^-c。

(2)沥青混合料的抗冲刷系数A的取值范围为9×10⁴~17×10⁴；冲刷深度指数b和冲刷应力比指数c变化不大，基质沥青和改性沥青的b，c值分别为2.15，3.9和2.26，4.0。沥青类材料的c值与其疲劳开裂方程中的指数(大约为4.3)较为接近^{[11, 12]}。冻融后沥青混合料的抗冲刷系数、冲刷应力比指数基本保持不变。

(3)当冲刷次数N控制在1 000~3 000次左右，深度d控制在5 mm左右时，此范围内冲刷试验精度较高。试验对象仅限于3种沥青混合料且采用的沥青种类较少，因此结论的推广需要进一步试验加以验证。