排水性瀝青混合料路用性能改善措施

程成，馬翔，劉松玉

（東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京 210096）

排水性瀝青混合料是主要由單一粒徑碎石組成，有相對(duì)較大孔隙率的斷級(jí)配瀝青混合料.其空隙率一般在15%以上，能迅速排除路表積水；表面粗糙，摩擦阻力大，具有良好的抗滑性能；能明顯降低路面噪聲.正是因?yàn)榕潘詾r青混合料具有如此優(yōu)良的表面功能特性，許多國(guó)家將其作為道路磨耗層的首選方案，有些國(guó)家甚至將大空隙瀝青混合料應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)道面，國(guó)內(nèi)也針對(duì)排水性瀝青混合料進(jìn)行了專題研究，并取得一些研究成果［1－4］.空隙率大給瀝青混合料帶來良好的表面功能特性，與此同時(shí)，大的空隙率也導(dǎo)致了瀝青混合料耐久性差、強(qiáng)度低、高溫性能不穩(wěn)定的缺點(diǎn).排水性瀝青混合料要得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用必須采取各種措施提高其路用性能.

大量文獻(xiàn)［5－7］研究結(jié)果均表明排水性瀝青混合料的耐久性與膠結(jié)料60℃動(dòng)力黏度有密切關(guān)系，美國(guó)和歐洲不僅采用改性瀝青作為排水性瀝青混合料的膠結(jié)料，還用消石灰代替填料，并在混合料中摻加纖維以提高排水性瀝青混合料的耐久性［8－9］.采用聚合物改性瀝青、纖維、消石灰等措施均能改善排水性瀝青混合料的路用性能［10－11］，這是目前排水性瀝青混合料研究成果的共識(shí)，然而如何兼顧排水性瀝青混合料強(qiáng)度、耐久性和表面功能特性，還需要更深入的研究.本文從級(jí)配、膠結(jié)料類型和添加劑的角度考慮其對(duì)排水性瀝青混合料性能的影響，在此基礎(chǔ)上提出改善排水性瀝青混合料路用性能的措施，為排水性瀝青混合料在中國(guó)的大規(guī)模推廣應(yīng)用提供必要的支持.

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本研究主要目的是在已有研究的基礎(chǔ)上分析原材料和材料組成對(duì)排水性瀝青混合料路用性能的影響，進(jìn)而提出增強(qiáng)排水性瀝青混合料路用性能的措施.

為了分析級(jí)配對(duì)排水性瀝青混合料性能的影響，采用體積分?jǐn)?shù)分別為13%，15%，17%，20%，23%這5種目標(biāo)空隙率的排水性瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比研究；為了分析膠結(jié)料對(duì)排水性瀝青混合料路用性能的影響，采用SBS 改性瀝青、高黏瀝青（highviscosity binder，HVB）、高強(qiáng)瀝青（high－strength binder，HSB）進(jìn)行對(duì)比研究；為了分析添加劑對(duì)排水性瀝青混合料路用性能的影響，分別添加木質(zhì)素纖維、聚酯纖維、礦物纖維及消石灰進(jìn)行對(duì)比研究.

研究過程中主要對(duì)各種瀝青混合料的強(qiáng)度性能、耐久性、高溫性能、低溫性能和表面功能特性進(jìn)行了對(duì)比研究.鑒于排水性瀝青混合料的表面功能特性主要受級(jí)配的影響，針對(duì)表面功能特性的研究主要通過不同目標(biāo)空隙率的排水性瀝青混合料性能進(jìn)行對(duì)比分析.

2 原材料試驗(yàn)

2.1 瀝青

分別采用SBS改性瀝青、高黏瀝青（HVB）、高強(qiáng)瀝青（HSB）作為排水性瀝青混合料的膠結(jié)料進(jìn)行路用性能對(duì)比研究，這3種瀝青的相關(guān)指標(biāo)見表1.其中瀝青的動(dòng)力黏度采用真空減壓毛細(xì)管法測(cè)得，復(fù)數(shù)剪切黏度采用動(dòng)態(tài)剪切流變儀在1.6 Hz，110Pa的剪應(yīng)力條件下測(cè)得.

由表1可以看出，高黏瀝青的特點(diǎn)是軟化點(diǎn)很高，達(dá)到91.0℃；60℃動(dòng)力黏度很大，可達(dá)100000Pa·s以上；高強(qiáng)瀝青的特點(diǎn)是黏韌性值很大，60℃復(fù)數(shù)剪切黏度較大，是高黏瀝青的3倍以上，5℃延度很小，幾乎為0；SBS改性瀝青是高速公路建設(shè)過程使用效果很好的一種瀝青，其60℃的動(dòng)力黏度介于高強(qiáng)瀝青和高黏瀝青之間.

表1 瀝青試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of binders

2.2 礦料

為了保持良好、耐久的微觀紋理，從而保證道路表面具有良好的抗滑性能，排水性瀝青混合料必須使用不易磨光的集料.另外，粗集料也必須不易破碎.如果集料太軟弱，排水性瀝青混合料在生產(chǎn)、攤鋪過程及重交通荷載作用下易破碎，這樣會(huì)改變排水性瀝青混合料的級(jí)配.表2列出了排水性瀝青混合料所用集料的試驗(yàn)指標(biāo)和技術(shù)要求.

表2 集料特性Table 2 Aggregate properties

排水性瀝青混合料填料宜采用石灰?guī)r堿性石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉，礦粉必須干燥、清潔.本研究采用石灰?guī)r礦粉，其試驗(yàn)指標(biāo)及技術(shù)要求見表3.

2.3 纖維

目前，路用纖維的品種繁多，為了分析纖維在大空隙排水性瀝青混合料中的適用性，本研究選擇聚酯纖維、礦物纖維、木質(zhì)素纖維3種有代表性的纖維摻入排水性瀝青混合料進(jìn)行性能對(duì)比分析，摻加比例為礦料質(zhì)量的0.25%，纖維指標(biāo)滿足中國(guó)技術(shù)規(guī)范的要求.

表3 礦粉特性Table 3 Filler properties

3 級(jí)配組成及最佳油石比

為盡量減少級(jí)配誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本研究參考文獻(xiàn)［2］，所有混合料的配料均依據(jù)表4的目標(biāo)級(jí)配按照單一粒徑逐一抓配.

傳統(tǒng)確定瀝青混合料最佳油石比的馬歇爾方法不再適用于大空隙率的排水性瀝青混合料.參考文獻(xiàn)［2］，本研究確定排水性瀝青混合料的最佳油石比時(shí)，首先進(jìn)行析漏試驗(yàn)、飛散試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn).然后根據(jù)析漏試驗(yàn)及飛散試驗(yàn)確定的瀝青用量范圍，參照馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果，最終確定幾種排水性瀝青混合料的最佳瀝青用量，具體試驗(yàn)結(jié)果如表5所示.

表4 不同目標(biāo)空隙率排水性瀝青混合料的目標(biāo)級(jí)配Table 4 Gradation（by mass）of porous asphalt mixture with different targeted air void %

表5 不同排水性瀝青混合料設(shè)計(jì)結(jié)果Table 5 Mix design summary

4 路用性能研究

4.1 強(qiáng)度性能

本研究采用馬歇爾試驗(yàn)對(duì)比不同膠結(jié)料、不同目標(biāo)空隙率以及纖維添加劑對(duì)排水性瀝青混合料穩(wěn)定度影響.在確定膠結(jié)料類型和目標(biāo)空隙率對(duì)其強(qiáng)度性能影響較大后，分別依照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0716和T0713試驗(yàn)方法評(píng)價(jià)15℃劈裂強(qiáng)度和15℃抗壓強(qiáng)度對(duì)排水性瀝青混合料的強(qiáng)度影響.

強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6，表6中（1）從1?！?＃樣品的馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以看出：目標(biāo)空隙率對(duì)排水性瀝青混合料的強(qiáng)度有明顯影響，隨著目標(biāo)空隙率的降低，排水性瀝青混合料穩(wěn)定度明顯增加；（2）從5?！?＃樣品的馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果可以看出：纖維添加劑的加入并不能提高排水性瀝青混合料的強(qiáng)度，瀝青膠結(jié)料類型對(duì)排水性瀝青混合料的穩(wěn)定度有明顯影響；（3）與表1中瀝青指標(biāo)對(duì)照后發(fā)現(xiàn)，排水性瀝青混合料的強(qiáng)度性能與瀝青的復(fù)數(shù)剪切黏度有很好的相關(guān)性，復(fù)數(shù)剪切黏度越大的膠結(jié)料成型的馬歇爾試件穩(wěn)定度也越高；（4）將5?！?＃樣品的劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度結(jié)果與表1中瀝青指標(biāo)對(duì)照后發(fā)現(xiàn)，排水性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度與瀝青的黏韌性有很好的相關(guān)性，黏韌性越大的膠結(jié)料成型試件的劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度越高.

表6 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of strength test

4.2 耐久性能

瀝青混合料的耐久性主要包括水穩(wěn)定性、抗老化性能及疲勞性能，排水性瀝青混合料作為上面層瀝青混合料，其耐久性重點(diǎn)是水穩(wěn)定性和抗老化性能.研究過程中首先采用浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)了排水性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，然后對(duì)其抗老化性能進(jìn)行重點(diǎn)研究.表7列出了排水性瀝青混合料依照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的T0709和T0729試驗(yàn)方法進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果.表8為依照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0733試驗(yàn)方法進(jìn)行飛散試驗(yàn)的結(jié)果，其中凍融循環(huán)飛散試驗(yàn)一個(gè)循環(huán)的條件為：先在25℃恒溫水槽中浸泡2 h，然后在0.09 MPa 壓力下浸水抽真空15 min，再放到－18℃冰箱中放置16h，最后取出試件立即放入60℃的恒溫水槽中保持24h.

表7 水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of moisture susceptibility

表8 非常規(guī)飛散損失Table 8 Unconventional Cantabro mass loss %

由表7，8可以看出：（1）隨著浸水天數(shù)的增加，排水性瀝青混合料的飛散損失增加，可采用浸水天數(shù)飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性；凍融循環(huán)對(duì)排水性瀝青混合料飛散損失結(jié)果影響不明顯，而且不具有規(guī)律性，凍融循環(huán)飛散試驗(yàn)并不能較好地評(píng)價(jià)排水性瀝青混合料水穩(wěn)定性.（2）凍融循環(huán)對(duì)用高黏瀝青做膠結(jié)料的排水性瀝青混合料強(qiáng)度影響最小，且在各種條件下的飛散損失最小，水穩(wěn)定性最好，排水性瀝青混合料應(yīng)該采用高黏瀝青為膠結(jié)料.（3）消石灰可以稍微改善排水性瀝青混合料水穩(wěn)定性，幾種纖維材料中，聚酯纖維的使用效果最好，摻加聚酯纖維的排水性瀝青混合料在各種條件下的飛散損失都最小，由此可見，使用聚酯纖維和高黏瀝青可以明顯減少排水性瀝青混合料的飛散損失，提高其耐久性.（4）不同批次高黏瀝青成型試件的試驗(yàn)結(jié)果區(qū)別較大，說明膠結(jié)料性能對(duì)排水性瀝青混合料的性能影響明顯，應(yīng)該嚴(yán)格控制排水性瀝青混合料膠結(jié)料性質(zhì).

對(duì)于老化和未老化的排水性瀝青混合料試件進(jìn)行飛散試驗(yàn)、劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，表9為各種排水性瀝青混合料老化前后的強(qiáng)度性能.

表9 排水性瀝青混合料強(qiáng)度性能Table 9 Strength characteristics of porous asphalt mixture

由表9可以看出：（1）老化明顯降低了排水性瀝青混合料的黏結(jié)力，使其飛散損失變大，未摻加改性劑的部分高強(qiáng)瀝青混合料在老化過程中就出現(xiàn)松散的現(xiàn)象，本研究采用的SBS改性瀝青和高強(qiáng)瀝青均不能作為排水性瀝青混合料的膠結(jié)料；（2）消石灰降低了排水性瀝青混合料的抗老化特性，聚酯纖維可以明顯降低排水性瀝青混合料的飛散損失，其飛散損失受老化影響也最小，摻加聚酯纖維可以改善排水性瀝青混合料的耐久性，而消石灰會(huì)降低排水性瀝青混合料的耐久性；（3）與4.1節(jié)研究結(jié)論一致，高黏瀝青成型的混合料有最大的劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，試件老化后的劈裂強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都有不同程度提高.

4.3 高溫性能

為評(píng)價(jià)瀝青指標(biāo)對(duì)排水性瀝青混合料高溫性能的影響，研究過程中采用車轍試驗(yàn)來評(píng)價(jià)排水性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性.為適應(yīng)不同荷載條件和溫度條件的要求，進(jìn)行車轍試驗(yàn)時(shí)除采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0719的試驗(yàn)條件外，還采用試驗(yàn)荷載為0.7MPa，試驗(yàn)溫度為70℃及試驗(yàn)荷載為1.2MPa，試驗(yàn)溫度為60℃兩種非部標(biāo)的試驗(yàn)條件進(jìn)行了對(duì)比研究.3種試驗(yàn)條件下，不同排水性瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果見表10.

表10 車轍試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Wheel tracking test results

由表10可以看出：（1）對(duì)照表1中的瀝青指標(biāo)可見，排水性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性并不是如密級(jí)配瀝青混合料一樣與G＊／sinδ有較好的相關(guān)性［12］，而是與膠結(jié)料60℃動(dòng)力黏度相關(guān)性較好，高黏瀝青60℃動(dòng)力黏度最大，因此高黏瀝青組成的排水性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能最好；（2）摻加聚酯纖維可以提高排水性瀝青混合料的高溫性能，但其對(duì)胎壓更為敏感，1.2MPa輪壓下的車轍結(jié)果要略劣于未摻加纖維成型的排水性瀝青混合料.

4.4 低溫性能

在考慮瀝青混合料老化的基礎(chǔ)上，采用能模擬路面實(shí)際降溫過程的TSRST 試驗(yàn)來評(píng)價(jià)排水性瀝青混合料的低溫性能.為了盡量減弱試件成型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試驗(yàn)開始之前先測(cè)量試件的空隙率，選擇空隙率接近的試件進(jìn)行試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果初步分析表明：由于試件的非均質(zhì)性和降溫速率的非完全勻速導(dǎo)致本試驗(yàn)的轉(zhuǎn)化點(diǎn)溫度并不明確，因此，主要通過凍斷溫度和凍斷應(yīng)力來評(píng)價(jià)幾種瀝青混合料的低溫性能，試驗(yàn)結(jié)果見表11.

表11 排水性瀝青混合料TSRST試驗(yàn)結(jié)果Table 11 TSRST results

由表11可以看出：（1）高黏瀝青混合料低溫抗裂性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料；這2種瀝青混合料老化后的低溫抗裂性能排序與原樣瀝青混合料相同，老化后排水性瀝青混合料的凍斷溫度上升，而凍斷應(yīng)力減小.可見，老化明顯降低排水性瀝青混合料的低溫性能；（2）在相近的降溫幅度下，密級(jí)配瀝青混合料的溫度應(yīng)力約為排水性瀝青混合料溫度應(yīng)力的3倍，而這2種瀝青混合料的凍斷溫度卻相差不大，按照Hills和Brien提出的瀝青混凝土溫縮應(yīng)力計(jì)算方程［13］，可以解釋為一方面因?yàn)榕潘詾r青混合料空隙率大，有更小的線脹系數(shù)，另一方面因?yàn)榕潘詾r青混合料有更小的低溫勁度模量，雖然排水性瀝青混合料強(qiáng)度低，但其產(chǎn)生的溫縮應(yīng)力也小，所以相同膠結(jié)料組成的排水性瀝青混合料低溫抗裂性能并不劣于密級(jí)配瀝青混合料.

4.5 不同目標(biāo)空隙率排水性瀝青混合料的性能

如何合理選擇排水性瀝青混合料的目標(biāo)空隙率是高性能排水性瀝青混合料設(shè)計(jì)的首要問題，為此，參考表4的級(jí)配采用5種目標(biāo)空隙率，對(duì)相同瀝青進(jìn)行排水性瀝青混合料的強(qiáng)度性能及表面功能特性試驗(yàn)，以此來探索排水性瀝青混合料表面功能和強(qiáng)度性能隨空隙率的變化規(guī)律.表12為不同目標(biāo)空隙率排水性瀝青混合料性能.

表12 不同目標(biāo)空隙率排水性瀝青混合料性能Table 12 Performance of porous asphalt mixture with different targeted air void

由表12可以看出：隨著目標(biāo)空隙率的下降，排水性瀝青混合料的強(qiáng)度性能得到明顯提高，高溫性能也得到加強(qiáng)，而排水性能和構(gòu)造深度有所下降.參考國(guó)外對(duì)排水性瀝青混合料排水性能的要求（滲水量大于60mL／s，滲透系數(shù)大于0.015cm／s）以及前面已有的研究結(jié)論（在滿足排水性瀝青混合料功能要求的前提條件下，采用盡可能小的目標(biāo)空隙率），綜合考慮后形成如下結(jié)論：排水性瀝青混合料的目標(biāo)空隙率在17%～20%時(shí)耐久性和排水能力較均衡.

5 結(jié)論

（1）高黏瀝青是排水性瀝青混合料膠結(jié)料的首選，采用高黏瀝青成型的排水性瀝青混合料具有很好的耐久性、高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性能.SBS改性瀝青、高強(qiáng)瀝青不適合作為排水性瀝青混合料的膠結(jié)料.

（2）使用消石灰替代等質(zhì)量的礦粉可以略微提高排水性瀝青混合料的水穩(wěn)定性，卻降低了其抗老化特性，摻加纖維添加劑可以減小排水性瀝青混合料的析漏和飛散損失，增加排水性瀝青混合料的耐久性，纖維添加劑中聚酯纖維使用效果最好.

（3）綜合考慮不同目標(biāo)級(jí)配排水性瀝青混合料的路用性能和表面功能特性，建議采用17%～20%的空隙率作為目標(biāo)空隙率，其材料組成應(yīng)該以高黏瀝青為膠結(jié)料，摻加聚酯纖維.水穩(wěn)定性要求特別高的地區(qū)可以采用消石灰替代同比例的礦粉.

［1］冷真.排水性瀝青混合料級(jí)配組成設(shè)計(jì)及性能研究［D］.南京：東南大學(xué)，2002.LENG Zhen.The design on the gradation and the research on the performance of the porous asphalt mixture［D］.Nanjing：Southeast University，2002.（in Chinese）

［2］徐皓.排水性瀝青混合料性能及設(shè)計(jì)方法研究［D］.南京：東南大學(xué)，2005.XU Hao.Research on performance and design method of porous asphalt mixture［D］.Nanjing：Southeast University，2005.（in Chinese）

［3］覃勉.摻加改性劑的排水性瀝青混合料性能研究［D］.南京：東南大學(xué)，2004.QIN Mian.Study on application of modifiers to performance of porous asphalt mixture［D］.Nanjing：Southeast University，2004.（in Chinese）

［4］唐國(guó)奇，劉清泉，曹東偉.排水性瀝青混合料填料對(duì)比研究［J］.公路交通科技，2006，23（1）：9－11.TANG Guo－qi，LIU Qing－quan，CAO Dong－wei.Research on appropriate filler for drainage asphalt［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development.2006，23（1）：9－11.（in Chinese）

［5］中西弘光.排水性路面鋪裝功能持續(xù)性的研究［J］.池善玉譯.廣西公路交通科技，2002，27（4）：7－12.HIROMITSUN N.Study on improvement in durability of function for porous asphalt pavement［J］.Translated by CHI Shan－yu.Guangxi Communication ＆ Technology，2002，27（4）：7－12.（in Chinese）

［6］徐皓，倪富健，陳榮生，等.排水性瀝青混合料耐久性［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2005，5（2）：27－31.XU Hao，NI Fu－jian，CHEN Rong－sheng，et al.Durability of porous asphalt mixture［J］.Journal of Traffic and Transporta－tion Engineering，2005，5（2）：27－31.（in Chinese）

［7］SMITH H A.Performance characteristics of open－graded friction courses［C］∥The 71thAnnual Meeting of the Transportation Research Board.Washington DC：［s.n.］，1992.

［8］PUNITH V S，SURESHA S N，VEERARAGAVAN A.Characterization of polymer and fiber－modified porous asphalt mixtures［C］∥The 83thAnnual Meeting of the Transportation Research Board.Washington DC：［s.n.］，2004.

［9］COOLEY L A，BROWN E R，WATSON D E.Evaluation of OGFC mixtures containing cellulose fibers［R］.Alabama：［s.n.］，NCAT，2000.

［10］University of Rhode Island Transportation Center.Performance improvement of open－graded asphalt mixes［R］.Rhode Island：［s.n.］.Univer of Rhode Island，2002.

［11］BOLZAN P E，NICHOLLSI J C，HUBER G A.Searching for superior performing porous asphalt wearing courses［C］∥The 80thAnnual Meeting of the Transportation Research Board.Washington DC：［s.n.］，2001.

［12］STUART K D and IZZO R P.Correlation of superpave TM G＊／sinδwith rutting susceptibility from laboratory mixture tests［C］∥The 74thAnnual Meeting of the Transportation Research Board.Washington DC：［s.n.］，1995.

［13］HILLS J F，BRIEN D.The fracture of bitumen and asphalt mixes by temperature induced stresses［J］.Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，1966，36：292－309.