排水瀝青混合料路用性能研究

張 建

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350000)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展迅猛，城市地表逐漸被建筑物和硬化路面等不透水材料覆蓋。雖然，硬化路面給人們的出行和交通運(yùn)輸帶來(lái)極大方便，但也給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)極大影響。

實(shí)踐表明，以排水瀝青混合料鋪筑而成的排水瀝青路面是一種安全、舒適、環(huán)保的典型路面結(jié)構(gòu)，若推廣該路面結(jié)構(gòu)，將有效減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響。然而，目前針對(duì)排水瀝青混合料的性能研究與設(shè)計(jì)仍存在諸多問(wèn)題。若能對(duì)排水瀝青混合料的路用性能展開(kāi)深入研究，進(jìn)而提升排水瀝青混合料的性能，無(wú)疑具有重要的研究?jī)r(jià)值。

本研究將通過(guò)一系列試驗(yàn)，了解孔結(jié)構(gòu)對(duì)排水瀝青混合料路用性能的影響，并參照相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研和試驗(yàn)研究成果，為福建省排水瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)提出技術(shù)建議。

1 基本物理指標(biāo)

1.1 馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗(yàn)

我國(guó)規(guī)范對(duì)于不同的混合料類(lèi)型均提出相應(yīng)的穩(wěn)定度和流值要求。對(duì)于排水瀝青混合料，規(guī)范要求其穩(wěn)定度≥3.5kN，但未給出具體的流值要求[1]。

鑒此，本研究選用高粘改性瀝青進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 排水瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，當(dāng)空隙率增大時(shí)，其馬歇爾穩(wěn)定度降低，而流值增大。馬歇爾穩(wěn)定度基本在5～7kN范圍內(nèi)，均滿(mǎn)足我國(guó)規(guī)范要求。流值基本在15～30(0.1mm)范圍內(nèi)，除了空隙率為18%外，均符合我國(guó)規(guī)范對(duì)于普通瀝青混合料的流值要求。

1.2 飛散試驗(yàn)

飛散試驗(yàn)用于評(píng)價(jià)由于瀝青用量不足或者瀝青粘結(jié)力不足而導(dǎo)致路表面集料在車(chē)輛荷載作用下脫落的程度。本研究選用高粘改性瀝青進(jìn)行飛散試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 排水瀝青混合料飛散損失試驗(yàn)結(jié)果

由圖1可知，飛散損失率隨空隙率的增大而增大，且飛散損失率均小于10%，滿(mǎn)足我國(guó)規(guī)范針對(duì)排水瀝青混合料的要求(飛散損失率≤20%)。同時(shí)說(shuō)明，本試驗(yàn)所采用的高粘改性瀝青，其瀝青含量高，能夠形成較厚的瀝青膜，保證其具有足夠的粘聚力。

1.3 析漏試驗(yàn)

析漏試驗(yàn)用于檢測(cè)高溫狀態(tài)下從瀝青混合料中析出多余瀝青的數(shù)量。本研究選用高粘改性瀝青進(jìn)行析漏試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 排水瀝青混合料析漏試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，對(duì)于排水瀝青混合料，析漏損失率隨著空隙率的增大而減少。我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范要求其析漏損失率≤0.3%，因此只有空隙率為22%析漏損失率滿(mǎn)足要求。經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，析漏試驗(yàn)最初用于確定SMA是否會(huì)發(fā)生流淌，其析漏損失率≤0.3%標(biāo)準(zhǔn)也是根據(jù)SMA制定。曹東偉[2]、楊軍[3]等人也指出，該標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于排水瀝青混合料不合理。故實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定其適合的析漏值。

2 高溫穩(wěn)定性

福建省地區(qū)夏季路面溫度常常超過(guò)60℃，有時(shí)甚至可達(dá)到70℃以上。如果排水瀝青路面的高溫穩(wěn)定性不足，其在重載和高溫作用下，極易發(fā)生車(chē)轍等病害，將嚴(yán)重影響路面的使用性能。

2.1 試驗(yàn)方法

評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法很多，主要有：車(chē)轍試驗(yàn)、馬歇爾試驗(yàn)、貫入度試驗(yàn)。由于車(chē)轍試驗(yàn)更接近實(shí)際的情況，能更好地反映出路面的高溫穩(wěn)定性，故本研究采用車(chē)轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)排水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[4]。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究選用高粘改性瀝青進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3～圖4所示。

圖3 排水瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)曲線(xiàn)

圖4 排水瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由圖3～圖4可知，當(dāng)空隙率增大時(shí)，其變形量增大，而動(dòng)穩(wěn)定度減少。3種級(jí)配的變形量在前200s差別較小，但在200s后開(kāi)始出現(xiàn)較大的差別，且差別越來(lái)越大。

針對(duì)排水瀝青路面，我國(guó)規(guī)范要求一般交通路段的動(dòng)穩(wěn)定度≥1500次/mm，重交通量路段的動(dòng)穩(wěn)定度≥3000次/mm。對(duì)于交通量小且重載少的市政道路，建議采用動(dòng)穩(wěn)定度不小于1500次/mm的標(biāo)準(zhǔn)。從圖4可以看出，只有空隙率為18%和20%時(shí)，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3 水穩(wěn)定性

當(dāng)排水瀝青混合料的空隙率達(dá)到15%以上時(shí)，相比于一般瀝青混合料，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更容易與水接觸，也更容易發(fā)生水損壞。因此，有必要研究其水穩(wěn)定性，進(jìn)而提高其使用壽命。

3.1 試驗(yàn)方法

評(píng)價(jià)排水瀝青混合料水穩(wěn)定性的方法很多，主要有：浸水飛散試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、真空飽水馬歇爾試驗(yàn)、浸水車(chē)轍試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)方法等。由于排水瀝青混合料具有大空隙率，極易發(fā)生松散和飛散等問(wèn)題，故本研究采用浸水飛散試驗(yàn)來(lái)研究排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性。該試驗(yàn)通過(guò)不浸水與浸水試件的飛散損失率比值來(lái)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性，該比值越大其水穩(wěn)定性越好。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究選用高粘改性瀝青進(jìn)行浸水飛散試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 排水瀝青混合料浸水飛散損失試驗(yàn)結(jié)果 %

由表2可知，隨著空隙率增大，排水瀝青混合料的浸水飛散損失率增大，而不浸水與浸水的飛散損失率比值未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。對(duì)比飛散試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)，浸水飛散損失率普遍比不浸水飛散損失率大。

對(duì)于排水瀝青混合料的浸水飛散損失率，我國(guó)規(guī)范未給出相應(yīng)的技術(shù)要求。文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西班牙和美國(guó)等國(guó)家要求其浸水飛散損失率≤30%，而表2的試驗(yàn)結(jié)果均滿(mǎn)足國(guó)外的技術(shù)要求。

4 抗滑性

福建省地區(qū)夏季高溫多雨，為保證路面的行駛安全，要求路面應(yīng)具有較好的抗滑性。因此，有必要研究排水瀝青混合料的抗滑性。

4.1 試驗(yàn)方法

評(píng)價(jià)瀝青路面的抗滑性主要有兩個(gè)指標(biāo)：摩擦系數(shù)和構(gòu)造深度。前者可采用便攜式摩擦儀測(cè)定，后者可采用鋪砂法測(cè)定。本研究采用鋪砂法測(cè)定排水瀝青混合料的構(gòu)造深度。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本研究選用高粘改性瀝青，采用鋪砂法研究其構(gòu)造深度及其抗滑性。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，隨著空隙率增大，其構(gòu)造深度逐漸增大，說(shuō)明其抗滑性也逐漸提高。我國(guó)規(guī)范要求一般瀝青路面的抗滑標(biāo)準(zhǔn)為構(gòu)造深度>0.55mm，而本試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)高于該要求，表明排水瀝青混合料具有良好的抗滑性。

5 路用性能與孔結(jié)構(gòu)關(guān)系

孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)主要包括：粗集料占有率、粗集料級(jí)配、空隙面積占有率、空隙等效直徑和級(jí)配分形維數(shù)等。排水瀝青混合料的路用性能主要包括：高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、滲水性和抗滑性等。研究發(fā)現(xiàn)，影響排水瀝青混合料路用性能的孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)主要有空隙面積占有率、空隙等效直徑和級(jí)配分形維數(shù)等。

前面研究表明，空隙率能顯著影響排水瀝青混合料的路用性能，但相同的空隙率也可能對(duì)應(yīng)不同的級(jí)配。故本研究將研究級(jí)配分形維數(shù)對(duì)排水瀝青混合料路用性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 級(jí)配分形維數(shù)與路用性能的關(guān)系

分析表3可知，隨著級(jí)配分形維數(shù)增大，馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度均減少，而浸水飛散損失率增大，即其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均呈下降趨勢(shì)。由于集料粒徑越大，級(jí)配分形維數(shù)越大，因此要提高排水瀝青混合料的路用性能，集料級(jí)配在滿(mǎn)足空隙率要求的前提下，應(yīng)盡量減少集料的級(jí)配分形維數(shù)，即降低大粒徑集料比例。

由于孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如空隙面積占有率和空隙等效直徑在不同方向上的差別較小，表現(xiàn)出各項(xiàng)同性。故本研究忽略方向?qū)捉Y(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，選取豎向空隙面積占有率和空隙等效直徑作為孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)比不同空隙面積占有率和空隙等效直徑對(duì)路用性能影響，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 空隙特征與路用性能的關(guān)系

分析表4可知，隨著空隙面積占有率和空隙等效直徑的增大，馬歇爾穩(wěn)定度和動(dòng)穩(wěn)定度均減少，而浸水飛散損失率增大，即其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性均呈下降趨勢(shì)。由于大粒徑集料所占比例越多，空隙等效直徑越大，因此，為提高排水瀝青混合料的路用性能，在滿(mǎn)足空隙率要求的前提下，應(yīng)盡量減少空隙等效直徑，即降低大粒徑集料的比例。

6 工程技術(shù)建議

6.1 路用性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

本研究通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)針對(duì)排水瀝青混合料的相關(guān)研究[5-9],并結(jié)合試驗(yàn)研究成果對(duì)福建省排水瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)提出技術(shù)建議。

6.1.1馬歇爾穩(wěn)定度

國(guó)內(nèi)排水瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度與空隙率之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 馬歇爾穩(wěn)定度與空隙率關(guān)系

分析圖6可知，采用不同的改性瀝青和級(jí)配，其穩(wěn)定度變化范圍為4～10kN。即使空隙率相同時(shí)，其穩(wěn)定度也存在較大差別。隨著空隙率的增加，馬歇爾穩(wěn)定度大致呈下降趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得馬歇爾穩(wěn)定度較高，其均值約為7kN，均能夠滿(mǎn)足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40-2004)[1]要求。分析認(rèn)為，造成馬歇爾穩(wěn)定度較高的主要原因，是由于采用了高粘改性瀝青，從而提高了瀝青與集料之間的粘結(jié)力。另外，即使是采用普通的SBS改性瀝青，其穩(wěn)定度也約為3.8kN，亦能滿(mǎn)足現(xiàn)有的規(guī)范要求。該現(xiàn)象表明，我國(guó)規(guī)范規(guī)定的馬歇爾穩(wěn)定度值≥3kN偏低。

綜合考慮試驗(yàn)實(shí)測(cè)成果以及國(guó)內(nèi)研究結(jié)果，本研究建議，福建省排水瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度值選取≥5kN。

6.1.2飛散損失與析漏損失

國(guó)內(nèi)排水瀝青混合料的飛散損失率和析漏損失率分別與空隙率之間的關(guān)系，如圖7～圖8所示。

圖7 飛散損失率與空隙率關(guān)系

圖8 析漏損失率與空隙率關(guān)系

分析圖7可知，由不同改性瀝青拌和而成的排水瀝青混合料隨著空隙率增大，其飛散損失率也逐漸增大。采用不同的改性瀝青對(duì)其飛散損失率影響顯著，在相同的空隙率下，其變化范圍可達(dá)到3%～13%。排水瀝青混合料的飛散損失率均值為7.5%，滿(mǎn)足現(xiàn)有規(guī)范要求。當(dāng)空隙率達(dá)到25%時(shí)，飛散損失率也小于15%，說(shuō)明高粘改性瀝青的抗飛散性能優(yōu)越。

綜合以上研究，建議福建省排水瀝青混合料采用高粘瀝青，且要求其飛散損失率<15%。

分析圖8可知，在不同空隙率甚至是相同的空隙率下，排水瀝青混合料的析漏損失率均有較大的差別。如空隙率為20%的排水瀝青混合料，其析漏損失率從0.3%變化到0.6%。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，排水瀝青混合料析漏損失率均值為0.35%，而我國(guó)規(guī)范要求其析漏損失率≤0.3%。綜合前面研究發(fā)現(xiàn)，由于析漏試驗(yàn)最初用于確定SMA是否會(huì)發(fā)生流淌，其析漏損失率≤0.3%的標(biāo)準(zhǔn)也是根據(jù)SMA制定的，但直接應(yīng)用于排水瀝青混合料無(wú)充分的依據(jù)。

本研究建議，福建省排水瀝青混合料的析漏損失率選取<0.8%。

6.1.3高溫穩(wěn)定性

國(guó)內(nèi)排水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與空隙率之間的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 動(dòng)穩(wěn)定度率與空隙率關(guān)系

分析圖9可知，在不同空隙率甚至是相同空隙率下，由不同改性瀝青拌和而成的排水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度均有較大的差別。其動(dòng)穩(wěn)定度變化范圍從2000次/mm變化到9000次/mm，動(dòng)穩(wěn)定度均值為5630次/mm。特別是當(dāng)空隙率為20%時(shí)，其動(dòng)穩(wěn)定度從972次/mm變化到9000次/mm，變化幅度大。該現(xiàn)象表明，排水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度受改性瀝青性質(zhì)的影響很大，故建議采用高粘改性瀝青，以提高動(dòng)穩(wěn)定度。

由于福建省屬于高溫地區(qū)，相比其他地區(qū)更容易產(chǎn)生車(chē)轍病害，因此建議福建省排水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度選取≥1500次/mm。

6.1.4水穩(wěn)定性

國(guó)內(nèi)排水瀝青混合料的浸水飛散損失率與空隙率之間關(guān)系如圖10所示。

圖10 浸水飛散損失率與空隙率關(guān)系

分析圖10可知，不同空隙率的排水瀝青混合料，其浸水飛散損失率差別很大，變化范圍為5%～ 30%。即使是在相同空隙率下，其浸水飛散損失率差別也較大。經(jīng)綜合考慮試驗(yàn)實(shí)測(cè)成果以及國(guó)內(nèi)研究結(jié)果，本研究建議福建省排水瀝青混合料浸水飛散損失率選取<20%。

6.1.5構(gòu)造深度

國(guó)內(nèi)排水瀝青混合料的構(gòu)造深度與空隙率之間的關(guān)系，如圖11所示。

圖11 構(gòu)造深度與空隙率關(guān)系

分析圖11可知，隨著排水瀝青混合料空隙率增大，其構(gòu)造深度呈增大趨勢(shì)。排水瀝青混合料的構(gòu)造深度主要集中在1.8mm～2mm，其均值為1.96mm，均滿(mǎn)足>0.55mm的規(guī)范要求。由于排水瀝青混合料具有大空隙率，所以有良好的抗滑穩(wěn)定性。

經(jīng)綜合考慮試驗(yàn)實(shí)測(cè)成果以及國(guó)內(nèi)研究結(jié)果，本研究建議福建省排水瀝青混合料的構(gòu)造深度選取≥1.6mm。

6.2 排水瀝青混合料路用性能指標(biāo)技術(shù)建議

綜合以上研究分析，本研究得到了孔結(jié)構(gòu)對(duì)排水瀝青混合料各項(xiàng)路用性能(高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、滲水性和抗滑性)的影響。同時(shí)，還通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研與本研究試驗(yàn)研究結(jié)合，提出了福建省排水瀝青混合料的各項(xiàng)技術(shù)建議，如表5所示。

表5 排水瀝青混合料的技術(shù)建議

7 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)排水瀝青混合料的路用性能進(jìn)行相關(guān)研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)當(dāng)空隙率增大時(shí)，其馬歇爾穩(wěn)定度與析漏損失率降低，而流值與飛散損失率增大。

(2)隨著空隙率增大，其高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性呈下降趨勢(shì)。采用高粘改性瀝青拌和而成的排水瀝青混合料具有較好的水穩(wěn)定性。

(3)隨著空隙率增大，其構(gòu)造深度逐漸增大，因而具有良好的抗滑性。同時(shí)，瀝青性質(zhì)對(duì)其抗滑性影響較小。

(4)隨著級(jí)配分形維數(shù)、空隙面積占有率和空隙等效直徑增大，其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性呈下降趨勢(shì)。因此，為提高排水瀝青混合料路用性能，在集料級(jí)配滿(mǎn)足空隙率要求前提下，應(yīng)盡量降低大粒徑集料的比例。

(5)基于相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研和試驗(yàn)研究成果，本研究提出了福建省排水瀝青混合料的技術(shù)建議，對(duì)工程實(shí)踐有一定的借鑒意義。