摻高黏劑透水瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及性能研究

王志峰 白曉茹

（新疆興亞工程建設(shè)有限公司，昌吉 831100）

透水瀝青混合料(porous asphalt concrete,PAC)是一種具有連通空隙的開(kāi)級(jí)配瀝青混合料, 因其良好的透水抗滑性能而在國(guó)內(nèi)外得以廣泛引用[1-3]。

發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于透水瀝青混合料的研究開(kāi)展時(shí)間較早,早在1950 年就已經(jīng)開(kāi)始在道路上投入使用。 在開(kāi)發(fā)初期,透水瀝青混合料主要運(yùn)用在高速公路和住宅區(qū)道路。由于透水瀝青混合料具有道路防滑以及降低噪音污染等功能,因此比較適用于運(yùn)行車速較快、車流量大的路面上,甚至在飛機(jī)場(chǎng)道路建設(shè)中也有應(yīng)用[4-8]。 但透水瀝青混合料的高空隙率致使它抵抗外界侵蝕能力較差,如易發(fā)生瀝青膜老化現(xiàn)象[9],且抗壓、抗剪切能力差,所以在地形復(fù)雜、地勢(shì)較陡或車流量較大地區(qū)較少使用。 在現(xiàn)階段,我國(guó)的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)處于一個(gè)高速水平,越來(lái)越多的私家車、運(yùn)輸車輛加重了服役路面的荷載,導(dǎo)致其出現(xiàn)一系列早期病害。 因此,以提高透水瀝青混合料路用性能為目標(biāo),研究添加高黏劑后透水瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)。研究成果對(duì)于提高透水瀝青路面路用性能具有重要意義。

1 原材料

原材料包括集料、 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolyner,SBS)改性瀝青、高黏劑(High Viscosity Agent,HVA)。 原材料的性能指標(biāo)合格與否關(guān)系到瀝青混合料質(zhì)量。 根據(jù)規(guī)定的試驗(yàn)方法,對(duì)試驗(yàn)原材料進(jìn)行技術(shù)性能檢測(cè)。

此次試驗(yàn)采用的HVA 是專門設(shè)計(jì)用來(lái)解決瀝青路面在高溫下易變形、 在交通負(fù)擔(dān)大路段易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞的問(wèn)題。 在工程實(shí)際運(yùn)用中有優(yōu)異的表現(xiàn)。 試驗(yàn)中HVA改性劑添加量按瀝青用量計(jì)算,具體為m(HVA)∶m(SBS 改性瀝青)=8∶92。 其質(zhì)量符合技術(shù)要求,見(jiàn)表1。

表1 HVA 性能指標(biāo)

2 透水瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)主要是采用馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)法、旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試驗(yàn)法和赫威姆(Hveem)法。 只要步驟得當(dāng),都可以設(shè)計(jì)出符合要求的瀝青混合料[10]。 因?yàn)楸M管方法有差異,但混合料的配合比始終是圍繞級(jí)配、油石比的確定。 所設(shè)計(jì)的透水瀝青混合料技術(shù)要求見(jiàn)表2。

表2 透水瀝青混合料技術(shù)要求

2.1 礦料級(jí)配組成設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的集料分為兩種,1#、2#、3# 料使用玄武巖和4# 料使用石灰?guī)r。試驗(yàn)中采用的集料各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E42-2005)中規(guī)定的要求,集料表面無(wú)污物,不含風(fēng)化產(chǎn)生的細(xì)小顆粒,形狀規(guī)整,扁平狀集料含量少。在大多數(shù)試驗(yàn)的前提下,透水瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì), 關(guān)鍵在于將2.36 mm 篩孔通過(guò)率控制在14.5%左右。 各檔集料的篩分結(jié)果見(jiàn)表3,分別依照級(jí)配范圍的上值、中值、下值來(lái)確定2.36 mm 篩孔的通過(guò)率(見(jiàn)表4),級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

表3 集料的篩分結(jié)果

表4 PAC-13 瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

圖1 PAC-13 設(shè)計(jì)級(jí)配曲線圖

2.2 最佳油石比確定

礦料級(jí)配確定后, 根據(jù)以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)及初始瀝青用量的計(jì)算公式,將初始瀝青用量定為5%。 在確定最佳瀝青用量時(shí),一般在初始瀝青用量基礎(chǔ)上,以0.5%的增減幅度,選取5 組油石比4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%。 按照所選取的5 組油石比拌和透水瀝青混合料, 制成馬歇爾試件，進(jìn)行析漏試驗(yàn)與飛散試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析最佳油石比。

2.2.1 析漏試驗(yàn)

析漏試驗(yàn)是大空隙混合料檢驗(yàn)中一個(gè)關(guān)鍵手段,由該試驗(yàn)可得知在瀝青混合料中有沒(méi)有自由的瀝青或者瀝青瑪蹄脂, 上述兩者的存在會(huì)使得混合料在運(yùn)輸過(guò)程之中發(fā)生離析的現(xiàn)象,從而讓瀝青混合料質(zhì)量大打折扣。 具體操作步驟如下：準(zhǔn)備1 只潔凈燒杯,容量為800mL,燒杯需保證干燥,稱取其質(zhì)量。將1kg 瀝青混合料倒入燒杯,共同放置在天平上,稱取總質(zhì)量。將玻璃板迅速蓋住燒杯口,放入(185±2)℃烘箱中,保溫約1h 后取出,過(guò)程中應(yīng)避免大幅搖晃或劇烈震蕩, 令燒杯口朝下迅速放置在玻璃板上,靜置幾秒后稱取燒杯質(zhì)量, 包含黏附在燒杯上剩余瀝青混合料的質(zhì)量,精確到0.1g。 最后將數(shù)據(jù)代入規(guī)范說(shuō)明的公式中便可得到析漏值[11]。

2.2.2 飛散試驗(yàn)

在路面交通壓力情況下, 因?yàn)闉r青和集料之間的黏結(jié)力不足從而導(dǎo)致集料剝落和飛散, 這樣就形成了路面凹槽現(xiàn)象[12]。 所以為了盡量保證路面質(zhì)量,在建設(shè)之前進(jìn)行飛散試驗(yàn)比較關(guān)鍵。 主要功能是評(píng)價(jià)路面因?yàn)闉r青數(shù)量不足或者黏結(jié)力不夠而出現(xiàn)材料脫落或者飛散的嚴(yán)重程度。 飛散試驗(yàn)的目的是確定排水式大孔隙瀝青混合料瀝青用量的最小值[13]。 選用洛杉磯磨耗試驗(yàn)機(jī),先將試驗(yàn)材料放置在19.5～20.5℃的水浴環(huán)境之中約20h,達(dá)到時(shí)間后將它取出并測(cè)質(zhì)量。 將材料放入試驗(yàn)機(jī)器之中,因試驗(yàn)要求不添加鋼球,蓋上蓋子,按照規(guī)范,在進(jìn)行飛散試驗(yàn)時(shí),試件需單獨(dú)測(cè)試,不可將兩個(gè)試件同時(shí)加入。 因?yàn)樵嚰趦x器中相互碰撞磨損會(huì)在很大程度上影響試驗(yàn)結(jié)果。 發(fā)動(dòng)機(jī)器,將轉(zhuǎn)速設(shè)置為30r/min,旋轉(zhuǎn)次數(shù)為300次。 試驗(yàn)結(jié)束后,挑選殘余試件中體積最大的一塊,若體積相近便逐個(gè)稱重比較,稱取質(zhì)量,相同配合比的瀝青混合料試件不少于3 個(gè)。 一次試件測(cè)試完成后,及時(shí)清掃儀器內(nèi)碎屑。

2.2.3 確定最佳瀝青用量

在析漏試驗(yàn)所得到的圖中取變化速率明顯的點(diǎn)作為“拐點(diǎn)”[14]。 根據(jù)上述“拐點(diǎn)”可確定一個(gè)初始瀝青用量的范圍,一般會(huì)對(duì)用量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,調(diào)整幅度是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或馬歇爾理論取兩個(gè)數(shù)值之間一個(gè)普遍認(rèn)為比較合理的數(shù)值作為瀝青用量。 在這個(gè)條件下,上述兩個(gè)試驗(yàn)的損失率必須在規(guī)定范圍內(nèi)。

飛散損失和析漏損失與不同油石比的曲線關(guān)系見(jiàn)圖2。根據(jù)析漏損失曲線,油石比為4%～5%處曲線較為平緩,5%～6%處曲線變陡,因此5%處曲率變化明顯,故認(rèn)為油石比為5%處是“拐點(diǎn)”。 根據(jù)飛散損失曲線,油石比為4%～4.5%處曲線較為陡峭,4.5%～6%處曲線變緩, 因此4.5%處曲率變化明顯,故認(rèn)為油石比為4.5%處是“拐點(diǎn)”。綜合兩圖曲線得出,瀝青用量的區(qū)間為4.5%～5%,選取最佳油石比為4.6%[15]。

圖2 飛散損失和析漏損失與不同油石比的關(guān)系

2.3 馬歇爾試驗(yàn)及結(jié)果

上述試驗(yàn)確定了透水瀝青混合料礦料級(jí)配為：m(1號(hào) 料)∶m(2 號(hào)料)∶m(3 號(hào)料)∶m(4 號(hào)料)∶m(礦 粉)=31∶49∶7.5∶10.5∶2,最佳油石比取4.6%。 按照規(guī)范將試件成型,測(cè)定相關(guān)性能,均滿足規(guī)范,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 PAC-13 瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3 路用性能

采用m(HVA):m(SBS 改性瀝青)=8:92 量的高黏劑,油石比4.6%進(jìn)行路用性能相關(guān)試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果均符合規(guī)范要求,結(jié)果見(jiàn)表6～表10。

表6 瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果

表7 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表8 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表9 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表10 透水瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表6～表10 試驗(yàn)結(jié)果可以得出, 在加入高黏劑后, 透水瀝青混合料各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均有不同幅度的上升。

(1)高溫穩(wěn)定性。 加入HVA 高黏劑后,動(dòng)穩(wěn)定度上升明顯,增幅達(dá)到8%,表明在高溫天氣,HVA 高黏劑會(huì)有效減少車轍的產(chǎn)生,使道路在使用期限保障平整順滑。

(2)低溫抗裂性。 低溫彎曲試驗(yàn)所破壞的小梁,在添加了HVA 高黏劑后,破壞試件所施加的最大荷載以及破壞時(shí)的跨中撓度都明顯高于未添加HVA 高黏劑的透水瀝青混合料。 因此抗彎拉強(qiáng)度提升了20%以上,且破壞應(yīng)變也大大提升。

(3)水穩(wěn)定性。添加HVA 高黏劑的透水瀝青混合料性能增幅趨勢(shì)并未明顯體現(xiàn), 可認(rèn)為在過(guò)高溫或過(guò)低溫的水損害情況下,高黏劑性能效果有所下降。

(4)疲勞試驗(yàn)。650×10-6ε 和850×10-6ε 下,添加HVA 高黏劑的透水瀝青混合料的疲勞強(qiáng)度和累計(jì)耗散能都有大幅度提升,表明高黏劑在與瀝青結(jié)合后,使得其黏性增加,裹覆在集料表面,增加了混合料的黏結(jié)性,使得耐久性增加。

4 結(jié)語(yǔ)

在級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)將2.36 mm 篩孔通過(guò)率控制在14.5%左 右,確 定 混 合 料 礦 料 組 成 為m(1 號(hào) 料)∶m(2 號(hào) 料)∶m(3 號(hào)料)∶m(4 號(hào)料)∶m(礦粉)=31∶49∶7.5∶10.5∶2。 通過(guò)飛散試驗(yàn),以飛散損失≤15%為標(biāo)準(zhǔn)； 通過(guò)析漏試驗(yàn), 以析漏損失≤0.3%為標(biāo)準(zhǔn), 再參照五種油石比下飛散和析漏試驗(yàn)得出的曲線,得出透水瀝青混合料最佳油石比為4.6%。經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證,該油石比符合要求。 并進(jìn)行路用性能試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在加入了高黏劑HVA 后,透水瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能均得到提升。