排水瀝青混合料PAC-13材料組成設(shè)計研究

陳劍 陳杰 王彬

摘要：為了研究排水瀝青混合料PAC-13材料組成設(shè)計，文章進(jìn)行了2.36mm篩孔通過率對排水瀝青混合料體積指標(biāo)的影響規(guī)律研究以及油石比對排水瀝青混合料的空隙率、連通空隙率、瀝青析漏損失、混合料飛散損失的影響規(guī)律研究，提出排水瀝青混合料PAC-13礦料級配設(shè)計方法及最佳油石比確定方法，并對設(shè)計的排水瀝青混合料PAC-13進(jìn)行了路用性能驗證。研究結(jié)果表明，2.36mm篩孔通過率與排水瀝青混合料的空隙率具有高度相關(guān)性，油石比對排水瀝青混合料性能指標(biāo)影響顯著，采用本文設(shè)計方法得到的排水瀝青混合料具有良好的路用性能。瀝青膠結(jié)料性能對排水瀝青混合料的抗飛散損失、高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性有顯著影響，瀝青膠結(jié)料軟化點、動力黏度及黏韌性指標(biāo)越高，排水瀝青混合料性能越好。

關(guān)鍵詞：道路工程;排水瀝青混合料;材料組成設(shè)計;礦料級配;路用性能

0 引言

排水瀝青路面是由80%左右的粗集料和少量的細(xì)集料、填料及瀝青膠結(jié)料組成的骨架-空隙結(jié)構(gòu)，空隙率是常規(guī)密級配瀝青路面空隙率的3～4倍。由于排水路面特有的大孔隙和骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)，使排水路面具有良好的降噪、高溫抗車轍及抗滑性能，雨天可降低行車水漂和水霧等情況的出現(xiàn)，顯著提高路面行車安全性，是世界公認(rèn)的高安全性、高舒適性和高環(huán)保性的功能路面，在日本、美國、歐洲得到廣泛的推廣應(yīng)用。近年來，排水瀝青路面鋪裝在國內(nèi)也引起行業(yè)的廣泛關(guān)注，業(yè)內(nèi)對排水瀝青路面的性能進(jìn)行了較全面的研究。張昶[1]等人通過對比埃索70#瀝青、PE改性瀝青及PE高粘瀝青對排水瀝青混合料飛散損失、水穩(wěn)定性能影響，結(jié)果表明空隙率越大，瀝青膠結(jié)料對排水瀝青混合料性能影響越顯著。馬翔[2-3]等人通過對比4種改性瀝青對排水瀝青混合料性能的影響，發(fā)現(xiàn)瀝青膠結(jié)料在60℃動力黏度、復(fù)數(shù)剪切黏度及黏韌性等方面與混合料的耐久性、強度性能、高溫穩(wěn)定性能有良好的相關(guān)性，并提出以60℃動力黏度、復(fù)數(shù)剪切黏度及黏韌性作為排水路面用瀝青膠結(jié)料選擇的關(guān)鍵指標(biāo)。陳華鑫[4]等人對世界上主要國家采用排水瀝青路面的設(shè)計方法進(jìn)行了介紹，認(rèn)為日本在排水瀝青路面設(shè)計方法上更為完善，在最佳瀝青用量方面，大部分國家主要參考肯塔堡飛散和析漏損失來綜合確定。我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）對OGFC設(shè)計方法有簡單的介紹，也是主要參考日本排水瀝青路面設(shè)計方法。蔣瑋[5]等人通過CT掃描、圖像處理及重構(gòu)技術(shù)對多孔瀝青

混合料細(xì)觀空隙特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)空隙等效直徑、空隙數(shù)量與混合料性能有良好的相關(guān)性。相對于密級配瀝青混合料，排水瀝青混合料性能受材料組成設(shè)計影響更為顯著，如何選擇性能優(yōu)良的瀝青膠結(jié)料及礦料級配將直接影響著排水路面的路用性能。本文研究了礦料級配、油石比及瀝青性能對排水瀝青混合料性能的影響，均衡透水功能性及高抗飛散性能進(jìn)行排水瀝青混合料PAC-13材料組成設(shè)計，并對比驗證了兩種高粘瀝青混合料的路用性能。

1 原材料

試驗中的母體瀝青分別選用新加坡殼牌70#瀝青、國創(chuàng)SBS改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。試驗采用優(yōu)質(zhì)的輝綠巖粗集料及石灰?guī)r細(xì)集料，填料采用石灰?guī)r礦粉。為了減少試驗誤差，集料全部采用單粒徑進(jìn)行配料，各檔集料表觀密度如表2所示。

試驗采用某公司生產(chǎn)的高粘劑對兩種母體瀝青進(jìn)行改性，加工的高粘瀝青A采用70#道路石油瀝青，高黏度改性劑內(nèi)摻量為12%，加工工藝[6-7]為剪切溫度170℃+快剪50min+發(fā)育120min。加工的高粘瀝青B采用SBS改性瀝青，高粘劑內(nèi)摻量為8%，加工工藝為剪切溫度180℃+快剪50min+發(fā)育120min。采用兩種母體瀝青制備的高粘瀝青關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

從表3可以看出，在軟化點、60℃動力黏度及黏韌性關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)上，高粘瀝青B性能明顯優(yōu)于高粘瀝青A，本文采用高粘瀝青B進(jìn)行排水瀝青混合料性能試驗。

2 設(shè)計方法

2.1 礦料級配優(yōu)化設(shè)計

本次礦料級配設(shè)計參考《排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》中礦料級配范圍，通過改變2.36mm篩孔通過率，初選粗、中、細(xì)3種礦料級配。2.36mm篩孔通過率分別為規(guī)范級配范圍中值P2.36、P2.36+3%、P2.36-3%。礦料級配如表4所示。

采用式（1）和式（2）分別計算三種礦料級配的初試瀝青用量，并進(jìn)行馬歇爾試驗。三種礦料級配下體積指標(biāo)如表5所示。

從圖1可以看出，隨著2.36mm篩孔通過率增加，混合料的空隙率逐漸減小。在一定范圍內(nèi)，2.36mm篩孔通過率與空隙率具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.975。為了提高其透水性能，以20%目標(biāo)空隙率進(jìn)行控制，采用擬合的關(guān)系式計算，目標(biāo)空隙率為20%時，2.36mm篩孔通過率為11%。則優(yōu)化后的礦料級配如表6所示。

2.2 最佳油石比的確定

以優(yōu)化后的礦料級配進(jìn)行5組油石比的析漏試驗、肯塔堡飛散試驗、馬歇爾試驗，分別測試不同油石比下的瀝青析漏損失、混合料飛散損失、馬歇爾試件的體積指標(biāo)及透水系數(shù)。試驗結(jié)果如表7和表8所示。

根據(jù)表7繪制析漏損失及飛散損失與油石比關(guān)系曲線，如圖2和圖3所示。根據(jù)表8繪制空隙率、連通空隙率與油石比關(guān)系曲線，如圖4所示。

由圖2可以看出，隨著油石比的增加，瀝青析漏損失逐漸增大，在油石比達(dá)到4.52%時出現(xiàn)“拐點”，當(dāng)油石比>4.52%時析漏損失急劇增大，這表明當(dāng)油石比>4.52%時，瀝青混合料中的自由瀝青急劇增加，已經(jīng)出現(xiàn)明顯的流淌，將不利于施工質(zhì)量的控制。由圖3可以看出隨著油石比的增加，飛散損失逐漸減小，在油石比達(dá)到4.04%時出現(xiàn)“拐點”，當(dāng)油石比>4.04%時飛散損失處在較低的水平，這表明油石比>4.04%時，混合料中的結(jié)構(gòu)瀝青與細(xì)料形成的瀝青膠漿具有良好的粘結(jié)性能，能夠較好地抵抗荷載沖擊作用。因此，以析漏損失“拐點”為油石比上限OACmax，以飛散損失“拐點”為油石比下限OACmin，則以析漏試驗及飛散試驗確定的油石比范圍為4.04%～4.52%。

由圖4可以看出，隨著油石比的增加，空隙率和連通空隙率均逐漸減小，在4.04%～4.52%油石比范圍內(nèi)，空隙率在20.7%～21.%之間，連通空隙率在14.3%～15.3%之間，能夠保障混合料具有良好的透水性能?？紤]到排水路面最主要的病害類型為飛散掉粒，因此在保證混合料透水功能的前提下盡可能提高結(jié)合料含量以提升其抗飛散性能，則取最佳油石比為：OAC=OACmin+0.75（OACmax-OACmin）=4.4%。根據(jù)表8及圖4可以得到4.4%油石比下混合料空隙率為20.7%的結(jié)果，與設(shè)計的目標(biāo)空隙率比較接近，也說明了采用擬合的公式進(jìn)行排水瀝青混合料的礦料級配設(shè)計具有可行性。

3 性能驗證

分別采用高粘瀝青A和高粘瀝青B進(jìn)行肯塔堡飛散試驗、60℃車轍試驗、浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗。試驗結(jié)果如表9所示。

由表9可以看出：

（1）高粘瀝青B排水瀝青混合料的高溫性能及水穩(wěn)定性均能達(dá)到較高的水平，這表明采用本設(shè)計方法得到的排水瀝青混合料具有良好的路用性能，可滿足排水瀝青路面的使用性能要求。

（2）高粘瀝青A排水瀝青混合料具有較高的動穩(wěn)定度，但仍然明顯低于高粘瀝青B混合料。這主要是因為排水瀝青混合料的礦料中粗集料偏多，能形成良好的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，且高粘瀝青具有較好的粘結(jié)性能和高溫穩(wěn)定性，因此動穩(wěn)定度能達(dá)到較高的水平。而混合料的高溫穩(wěn)定性主要受礦料級配及瀝青膠結(jié)料性能影響，在礦料級配相同的情況下，高粘瀝青B形成的瀝青膠漿表現(xiàn)出更優(yōu)異的粘結(jié)性能，因此具有更好的高溫穩(wěn)定性。

（3）高粘瀝青A混合料水穩(wěn)定性明顯低于高粘瀝青B混合料。這主要是因為排水瀝青混合料具有較大的空隙結(jié)構(gòu)，水分較容易進(jìn)入混合料內(nèi)部，經(jīng)過凍融循環(huán)后對混合料內(nèi)部的瀝青膠漿粘結(jié)性能造成較大的影響，瀝青膠結(jié)料的性能會顯著影響排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

（4）根據(jù)表3和表9可以看出，瀝青膠結(jié)料的動力黏度、軟化點及黏韌性越高，排水瀝青混合料的抗飛散性能、高溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性越好。以軟化點、60℃動力黏度及黏韌性作為瀝青膠結(jié)料選擇的關(guān)鍵控制指標(biāo)可有效改善排水瀝青混合料的路用性能。

4 結(jié)語

（1）礦料級配對排水瀝青混合料體積指標(biāo)有顯著影響。2.36mm篩孔通過率與空隙率具有良好的相關(guān)性，對優(yōu)化設(shè)計的礦料級配進(jìn)行驗證后，得出最佳油石比下的空隙率為20.7%的結(jié)果，與設(shè)計的目標(biāo)空隙率較一致，說明采用此方法進(jìn)行排水瀝青混合料的礦料級配設(shè)計具有可行性。

（2）采用瀝青析漏損失及飛散損失“拐點”的方法確定排水瀝青混合料的油石比范圍，綜合考慮透水功能性及高抗飛散性后確定排水瀝青混合料最佳油石比為4.4%，并驗證了此油石比下高粘瀝青B混合料具有良好的路用性能。

（3）根據(jù)高粘瀝青A和高粘瀝青B的性能及混合料路用性能的對比，表明瀝青膠結(jié)料對排水瀝青混合料性能有顯著影響。在進(jìn)行排水瀝青混合料設(shè)計時，應(yīng)以軟化點、60℃動力黏度及黏韌性作為主要技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行控制，有利于改善排水瀝青混合料路用性能。

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