排水瀝青混合料路用性能研究

張 建

(福州市規(guī)劃設計研究院 福建福州 350000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國交通運輸事業(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輸帶來極大方便，但也給生態(tài)環(huán)境帶來極大影響。

實踐表明，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)，將有效減少對生態(tài)環(huán)境的影響。然而，目前針對排水瀝青混合料的性能研究與設計仍存在諸多問題。若能對排水瀝青混合料的路用性能展開深入研究，進而提升排水瀝青混合料的性能，無疑具有重要的研究價值。

本研究將通過一系列試驗，了解孔結(jié)構(gòu)對排水瀝青混合料路用性能的影響，并參照相關文獻調(diào)研和試驗研究成果，為福建省排水瀝青混合料的各項路用性能指標提出技術建議。

1 基本物理指標

1.1 馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗

我國規(guī)范對于不同的混合料類型均提出相應的穩(wěn)定度和流值要求。對于排水瀝青混合料，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行馬歇爾穩(wěn)定度和流值試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 排水瀝青混合料馬歇爾試驗結(jié)果

由表1可知，當空隙率增大時，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)，均滿足我國規(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，均符合我國規(guī)范對于普通瀝青混合料的流值要求。

1.2 飛散試驗

飛散試驗用于評價由于瀝青用量不足或者瀝青粘結(jié)力不足而導致路表面集料在車輛荷載作用下脫落的程度。本研究選用高粘改性瀝青進行飛散試驗，試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 排水瀝青混合料飛散損失試驗結(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%，滿足我國規(guī)范針對排水瀝青混合料的要求(飛散損失率≤20%)。同時說明，本試驗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

析漏試驗用于檢測高溫狀態(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行析漏試驗，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 排水瀝青混合料析漏試驗結(jié)果

由圖2可知，對于排水瀝青混合料，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%析漏損失率滿足要求。經(jīng)文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，析漏試驗最初用于確定SMA是否會發(fā)生流淌，其析漏損失率≤0.3%標準也是根據(jù)SMA制定。曹東偉[2]、楊軍[3]等人也指出，該標準應用于排水瀝青混合料不合理。故實際應用時，需要通過試驗來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60℃，有時甚至可達到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)生車轍等病害，將嚴重影響路面的使用性能。

2.1 試驗方法

評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法很多，主要有：車轍試驗、馬歇爾試驗、貫入度試驗。由于車轍試驗更接近實際的情況，能更好地反映出路面的高溫穩(wěn)定性，故本研究采用車轍試驗來評價排水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[4]。

2.2 試驗結(jié)果分析

本研究選用高粘改性瀝青進行車轍試驗，試驗結(jié)果如圖3～圖4所示。

圖3 排水瀝青混合料車轍試驗曲線

圖4 排水瀝青混合料車轍試驗結(jié)果

由圖3～圖4可知，當空隙率增大時，其變形量增大，而動穩(wěn)定度減少。3種級配的變形量在前200s差別較小，但在200s后開始出現(xiàn)較大的差別，且差別越來越大。

針對排水瀝青路面，我國規(guī)范要求一般交通路段的動穩(wěn)定度≥1500次/mm，重交通量路段的動穩(wěn)定度≥3000次/mm。對于交通量小且重載少的市政道路，建議采用動穩(wěn)定度不小于1500次/mm的標準。從圖4可以看出，只有空隙率為18%和20%時，滿足規(guī)范要求。

3 水穩(wěn)定性

當排水瀝青混合料的空隙率達到15%以上時，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，進而提高其使用壽命。

3.1 試驗方法

評價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、浸水馬歇爾試驗、真空飽水馬歇爾試驗、浸水車轍試驗和凍融劈裂試驗方法等。由于排水瀝青混合料具有大空隙率，極易發(fā)生松散和飛散等問題，故本研究采用浸水飛散試驗來研究排水瀝青混合料的水穩(wěn)定性。該試驗通過不浸水與浸水試件的飛散損失率比值來評價其水穩(wěn)定性，該比值越大其水穩(wěn)定性越好。

3.2 試驗結(jié)果分析

本研究選用高粘改性瀝青進行浸水飛散試驗，試驗結(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。對比飛散試驗，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。

對于排水瀝青混合料的浸水飛散損失率，我國規(guī)范未給出相應的技術要求。文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，西班牙和美國等國家要求其浸水飛散損失率≤30%，而表2的試驗結(jié)果均滿足國外的技術要求。

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 試驗方法

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

4.2 試驗結(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。試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 排水瀝青混合料構(gòu)造深度

由圖5可知，隨著空隙率增大，其構(gòu)造深度逐漸增大，說明其抗滑性也逐漸提高。我國規(guī)范要求一般瀝青路面的抗滑標準為構(gòu)造深度>0.55mm，而本試驗結(jié)果遠高于該要求，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、粗集料級配、空隙面積占有率、空隙等效直徑和級配分形維數(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應不同的級配。故本研究將研究級配分形維數(shù)對排水瀝青混合料路用性能的影響。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 級配分形維數(shù)與路用性能的關系

分析表3可知，隨著級配分形維數(shù)增大，馬歇爾穩(wěn)定度和動穩(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。由于集料粒徑越大，級配分形維數(shù)越大，因此要提高排水瀝青混合料的路用性能，集料級配在滿足空隙率要求的前提下，應盡量減少集料的級配分形維數(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)，對比不同空隙面積占有率和空隙等效直徑對路用性能影響，對比結(jié)果如表4所示。

表4 空隙特征與路用性能的關系

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。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，在滿足空隙率要求的前提下，應盡量減少空隙等效直徑，即降低大粒徑集料的比例。

6 工程技術建議

6.1 路用性能指標統(tǒng)計分析

本研究通過總結(jié)國內(nèi)針對排水瀝青混合料的相關研究[5-9],并結(jié)合試驗研究成果對福建省排水瀝青混合料的各項路用性能指標提出技術建議。

6.1.1馬歇爾穩(wěn)定度

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

圖6 馬歇爾穩(wěn)定度與空隙率關系

分析圖6可知，采用不同的改性瀝青和級配，其穩(wěn)定度變化范圍為4～10kN。即使空隙率相同時，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。國內(nèi)試驗測得馬歇爾穩(wěn)定度較高，其均值約為7kN，均能夠滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTGF40-2004)[1]要求。分析認為，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，亦能滿足現(xiàn)有的規(guī)范要求。該現(xiàn)象表明，我國規(guī)范規(guī)定的馬歇爾穩(wěn)定度值≥3kN偏低。

綜合考慮試驗實測成果以及國內(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系，如圖7～圖8所示。

圖7 飛散損失率與空隙率關系

圖8 析漏損失率與空隙率關系

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，其變化范圍可達到3%～13%。排水瀝青混合料的飛散損失率均值為7.5%，滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。當空隙率達到25%時，飛散損失率也小于15%，說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)，由于析漏試驗最初用于確定SMA是否會發(fā)生流淌，其析漏損失率≤0.3%的標準也是根據(jù)SMA制定的，但直接應用于排水瀝青混合料無充分的依據(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

國內(nèi)排水瀝青混合料的動穩(wěn)定度與空隙率之間的關系，如圖9所示。

圖9 動穩(wěn)定度率與空隙率關系

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穩(wěn)定度均有較大的差別。其動穩(wěn)定度變化范圍從2000次/mm變化到9000次/mm，動穩(wěn)定度均值為5630次/mm。特別是當空隙率為20%時，其動穩(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)生車轍病害，因此建議福建省排水瀝青混合料的動穩(wěn)定度選取≥1500次/mm。

6.1.4水穩(wěn)定性

國內(nèi)排水瀝青混合料的浸水飛散損失率與空隙率之間關系如圖10所示。

圖10 浸水飛散損失率與空隙率關系

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)綜合考慮試驗實測成果以及國內(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

國內(nèi)排水瀝青混合料的構(gòu)造深度與空隙率之間的關系，如圖11所示。

圖11 構(gòu)造深度與空隙率關系

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。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)綜合考慮試驗實測成果以及國內(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技術建議

綜合以上研究分析，本研究得到了孔結(jié)構(gòu)對排水瀝青混合料各項路用性能(高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、滲水性和抗滑性)的影響。同時，還通過相關文獻調(diào)研與本研究試驗研究結(jié)合，提出了福建省排水瀝青混合料的各項技術建議，如表5所示。

表5 排水瀝青混合料的技術建議

7 結(jié)論

本文通過對排水瀝青混合料的路用性能進行相關研究，得到以下主要結(jié)論：

(1)當空隙率增大時，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。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，瀝青性質(zhì)對其抗滑性影響較小。

(4)隨著級配分形維數(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。因此，為提高排水瀝青混合料路用性能，在集料級配滿足空隙率要求前提下，應盡量降低大粒徑集料的比例。

(5)基于相關文獻調(diào)研和試驗研究成果，本研究提出了福建省排水瀝青混合料的技術建議，對工程實踐有一定的借鑒意義。