排水路面高黏瀝青及其混合料性能試驗研究

劉東美葉慶凡于曉霞耿立濤

(1.山東高速路橋養(yǎng)護(hù)有限公司，山東濟(jì)南250032；2.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

城市雨洪災(zāi)害和水污染是制約我國城市生態(tài)發(fā)展的主要問題[1-4]。為此，近年來我國開始推廣建設(shè)海綿城市項目?；谧罴压芾泶胧?、低影響開發(fā)和綠色基礎(chǔ)設(shè)施等理論[5-8]，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等方式對雨水進(jìn)行自然的積存、滲透和凈化，以實現(xiàn)城市在面對環(huán)境變化和應(yīng)對雨水等方面的良好彈性[9]。

排水瀝青路面實現(xiàn)是海綿城市建設(shè)的一項關(guān)鍵技術(shù)。與傳統(tǒng)的密級配瀝青混凝土路面相比，排水瀝青路面除具備排水功能外，還具有抵抗車輛滑移、減輕行車水霧、降低道路噪音等眾多優(yōu)點[10-12]。由于采用了骨架空隙結(jié)構(gòu)(空隙率約為20%)以實現(xiàn)排水功能，排水瀝青混合料中粗集料多、細(xì)集料少，而粗集料含量＞70%，在以粗集料為骨架的同時缺乏細(xì)集料的填充，其強度主要依靠瀝青膠結(jié)料的粘結(jié)作用實現(xiàn)[13]。使用普通改性瀝青材料無法保證排水瀝青混合料的強度和耐久性，因此，使用高黏瀝青是排水瀝青混合料設(shè)計時的首選方案[14]。近年來，眾多科研機構(gòu)開展了高黏瀝青的研發(fā)、評價及工程應(yīng)用工作，高中軍等[15]采用新型高黏改性劑SINOTPS制備高黏瀝青，并在噪排水路面、應(yīng)力吸收層和彩色降噪排水路面等應(yīng)用中展開研究；任瑞波等[16]研發(fā)了一種SMA-5高黏瀝青混合料并測定了其各項性能；劉學(xué)亮等[17]研究了不同改性劑對瀝青的影響，并對瀝青性能進(jìn)行了試驗分析；鄭求才等[18]在工程實踐中對比分析了2種不同高黏瀝青產(chǎn)品的特性及區(qū)別。

試驗采用自主研發(fā)的高黏瀝青作為膠結(jié)料，設(shè)計了OGFC-13型高黏排水瀝青混合料并考查了其各項性能。在選定礦料級配和目標(biāo)空隙率的基礎(chǔ)上，通過計算集料單位表面積的瀝青有效用量確定初始瀝青用量，基于試件空隙率與瀝青用量的變化關(guān)系確定最佳瀝青用量，以析漏試驗和飛散試驗檢驗最佳瀝青用量的合理性，完成高黏排水瀝青混合料設(shè)計；通過車轍試驗、凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗和疲勞試驗評價高黏排水瀝青混合料的路用性能。

1 排水路面高黏瀝青制備

試驗采用自主研發(fā)的高黏瀝青改性劑ESBS制備高黏瀝青。改性劑成分為改性聚烯烴樹脂、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS)、沙林樹脂、脂肪族硅油、增黏劑及其他助劑。常溫下顏色為黑色，直徑為2～3 mm的圓餅狀固體顆粒，密度為0.8 g/cm3。改性劑主要用于提高瀝青黏度，從而提升瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及耐疲勞性能等一系列路用性能。制備高黏瀝青所用基質(zhì)瀝青為齊魯70＃道路石油瀝青。

制備高黏瀝青工藝為:將基質(zhì)瀝青加熱至180℃，加入ESBS(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%，外摻)低速攪拌10 min，再以3 000 r/min的速度剪切1 h，所得樣品置入烘箱中恒溫發(fā)育1.5 h。高黏瀝青、齊魯70＃瀝青及前期研發(fā)的穩(wěn)定型橡膠改性瀝青(SRMA)[19]的技術(shù)性能對比見表1。

表1 高黏瀝青、基質(zhì)瀝青及穩(wěn)定型橡膠改性瀝青技術(shù)性能對比表

動力黏度是評價高黏瀝青性能的一項重要技術(shù)指標(biāo)，對排水瀝青混合料的強度和耐久性起著關(guān)鍵作用，國內(nèi)外對其均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如日本規(guī)范要求高黏瀝青的60℃動力黏度＞2×104Pa·s[13]。我國現(xiàn)行的規(guī)范中對排水路面用高黏瀝青的技術(shù)要求多參考了日本的標(biāo)準(zhǔn)。文章采用的試驗方法是T0620—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中的瀝青動力黏度試驗(真空減壓毛細(xì)管法)。在規(guī)定的溫度下，真空度達(dá)到40±66.5 kPa的壓力時，測量一定體積的瀝青流經(jīng)真空減壓毛細(xì)管所需要的時間。由表1可知，制備的高黏瀝青，其60℃動力黏度達(dá)到了9.6×104Pa·s，可保證排水瀝青混合料中集料的粘結(jié)，從而提高排水瀝青混合料的強度和抗沖擊飛散性能。此外，高黏瀝青的軟化點和延度指標(biāo)均較理想，可保證排水瀝青混合料的高溫抗車轍能力和低溫抗開裂能力。

2 排水路面高黏瀝青混合料設(shè)計

試驗采用S10、S12和S16規(guī)格的玄武巖作為粗、細(xì)集料，以石灰?guī)r礦粉作為填料，以高黏瀝青作為膠結(jié)料進(jìn)行OGFC-13型排水瀝青混合料設(shè)計。高黏瀝青的黏度較大，混合料的制備溫度相對較高，拌和溫度約為190℃，成型溫度約為185℃。排水瀝青混合料的設(shè)計空隙率較大，無法采用傳統(tǒng)的馬歇爾方法設(shè)計。選擇細(xì)、中、粗3種OGFC混合料級配(代號分別為OGFC-13F、OGFC-13M和OGFC-13C)及相應(yīng)的目標(biāo)空隙率，根據(jù)集料表面積計算值和合理的瀝青膜厚度，最終選擇確定初始瀝青用量。據(jù)此調(diào)整瀝青用量成型馬歇爾試件，依據(jù)試件空隙率與瀝青用量的變化關(guān)系確定最佳瀝青用量，并以謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗結(jié)果檢驗最佳瀝青用量的合理性。3個設(shè)計級配和對應(yīng)的目標(biāo)空隙率見表2。

表2 排水瀝青混合料的設(shè)計級配及目標(biāo)空隙率表

預(yù)估排水瀝青混合料中集料的總表面積為A，由式(1)表示為

式中:a、b、c、d、e、f和g分別為 4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15和0.075 mm篩孔的通過百分率，%。

根據(jù)期望的瀝青膜厚度計算初試瀝青用量，由式(2)[20]表示為

式中:Pb為初試瀝青用量，%；h為瀝青膜厚度，μm。

對于OGFC型瀝青混合料，合適的瀝青膜厚度通常為14 μm。利用表2的數(shù)據(jù)計算3個合成級配的初試瀝青用量，分別為4.5%(OGFC-13F)、4.2%(OGFC-13M)和 3.7%(OGFC-13C)。

圍繞3個設(shè)計級配中各自計算所得的初試瀝青用量，進(jìn)行上下浮動調(diào)整，拌制不同瀝青用量的瀝青混合料，并成型馬歇爾試件，試件空隙率與瀝青用量的對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。由圖可知，對應(yīng)于目標(biāo)空隙率，3個設(shè)計級配的最佳瀝青含量為分別為4.6%(OGFC-13F)、4.1%(OGFC-13M)和 3.9%(OGFC-13C)。

再次調(diào)整瀝青用量拌制瀝青混合料，并成型馬歇爾試件，以謝倫堡瀝青析漏試驗確定瀝青用量上限；以肯塔堡瀝青混合料飛散試驗確定瀝青用量下限，由此檢驗所確定的最佳瀝青用量的合理性。測試結(jié)果如圖2所示。利用析漏試驗和飛散試驗的曲線拐點確定了3種級配高黏瀝青混合料的瀝青用量上、下限，分別為4.4%和4.9%(OGFC-13F)、3.8%和4.4%(OGFC-13M)、3.7%和 4.2%(OGFC-13C)，取值均涵蓋了經(jīng)由目標(biāo)空隙率確定的最佳瀝青含量值。進(jìn)而測試了最佳用量下各級配OGFC-13型高黏排水瀝青混合料的空隙率，分別為17.8%(OGFC-13F)、20.2%(OGFC-13M)和 21.9%(OGFC-13C)。

圖1 排水瀝青混合料空隙率與瀝青含量的變化關(guān)系圖

圖2 排水瀝青混合料析漏損失、飛散損失與瀝青含量的變化關(guān)系圖

3 排水路面高黏瀝青混合料性能測試

在最佳瀝青用量下，拌制3種級配的高黏排水瀝青混合料。以車轍試驗、彎曲試驗、凍融劈裂試驗和疲勞試驗評價混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和疲勞性能。鑒于橡膠改性瀝青膠結(jié)料在排水瀝青路面中應(yīng)用廣泛[21-22]，以表1中的穩(wěn)定型橡膠改性瀝青作為膠結(jié)料，成型了相同級配組成的排水瀝青混合料進(jìn)行對比試驗。車轍試驗動穩(wěn)定度、彎曲試驗破壞應(yīng)變、凍融劈裂試驗劈裂強度比的測試結(jié)果見表3。高黏排水瀝青混合料的動穩(wěn)定度＞6 000次/mm，約為穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料的2倍，破壞應(yīng)變和凍融劈裂強度比也均高于后者，表明出良好的高溫、低溫和水穩(wěn)定性。由表3可知，采用較小的設(shè)計空隙率和較高的瀝青用量有助于排水瀝青混合料獲得較大的動穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變值，但對路面排水不利。進(jìn)行排水瀝青混合料設(shè)計時，路用性能和排水功能的協(xié)調(diào)取舍是需要考慮的問題。

表3 動穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變和劈裂強度比測試結(jié)果表

在20℃條件下進(jìn)行四點彎曲疲勞試驗，用以測試高黏排水瀝青混合料的疲勞壽命。試驗采用應(yīng)變控制模式，施加半正弦重復(fù)荷載，荷載頻率為10 Hz，采用600、800和1 000微應(yīng)變的應(yīng)變水平[10]。測試結(jié)果如圖3所示。排水瀝青混合料的疲勞壽命受應(yīng)變水平、空隙率和瀝青膠結(jié)料的性質(zhì)影響。疲勞壽命與應(yīng)變水平呈半對數(shù)坐標(biāo)下的直線關(guān)系，隨著應(yīng)變水平的增加而降低，這與常規(guī)瀝青混合料具有相似的規(guī)律。設(shè)計空隙率增大，疲勞壽命降低；相同的空隙率水平下，采用高黏瀝青作為膠結(jié)料時，排水瀝青混合料的疲勞壽命明顯高于穩(wěn)定型橡膠改性瀝青。

圖3 排水瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)變水平的變化關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過分析，得到以下結(jié)論:

(1)自主研發(fā)的高黏瀝青具有優(yōu)良的技術(shù)性能，60℃動力黏度達(dá)到了9.6×104Pa·s，對提高排水瀝青混合料的強度有利，從而提高了混合料的抗沖擊飛散能力、抗高溫車轍能力和抗低溫開裂能力。

(2)排水瀝青混合料的疲勞壽命與微應(yīng)變水平呈對數(shù)坐標(biāo)下的直線關(guān)系，隨著應(yīng)變水平的增加而降低。相同的空隙率水平下，采用高黏瀝青作為膠結(jié)料時，排水瀝青混合料的疲勞壽命明顯高于穩(wěn)定型橡膠改性瀝青，高黏瀝青用于排水瀝青混合料各項路用性能優(yōu)勢顯著，具有應(yīng)用潛力。