大粒徑透水性瀝青混合料關(guān)鍵性能研究

常榮華

1.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站有限公司，廣東 佛山 528000

2.佛山市交通科技有限公司，廣東 佛山 528000

基于我國道路施工工藝水平較低、機械化施工普及程度低、高質(zhì)量的改性瀝青基本依靠進口、原材料費用高昂等先決條件，半剛性基層瀝青路面在我國高等級瀝青路面中得到了廣泛的應(yīng)用。實踐證明，“強基薄面”路面結(jié)構(gòu)理論在特定的歷史時期發(fā)揮了舉足輕重的作用，也展現(xiàn)出了優(yōu)異的路用性能。雖然半剛性基層在諸多路用性能方面表現(xiàn)優(yōu)異，但在多年的實踐中也表現(xiàn)出了很多缺陷。半剛性基層材料孔隙率較小，基本不透水，導(dǎo)致雨水容易積存在瀝青面層底部，無法排出路面結(jié)構(gòu)層，在車輛往復(fù)荷載作用下，瀝青層底部極容易脫落，從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)不良、破損等早期病害的發(fā)生。另外，多年應(yīng)用實踐表明，半剛性基層反射裂縫現(xiàn)象明顯，由于半剛性材料對環(huán)境溫濕度變化較為敏感，在外界環(huán)境溫度、濕度發(fā)生變化時，半剛性材料極容易產(chǎn)生裂縫，在車輛荷載的作用下，裂縫會由基層逐步向上部結(jié)構(gòu)發(fā)展，從而逐漸形成貫穿裂縫，極大地降低了路面結(jié)構(gòu)的承載能力。并且，半剛性基層普遍的反射裂縫現(xiàn)象給路面養(yǎng)護維修帶來了極大的挑戰(zhàn)，大多采用銑刨重鋪的方式，但由于問題未得到根本性解決，新鋪面層通車后不久就會產(chǎn)生類似的早期病害。

基于此，國內(nèi)外很多學(xué)者提出了柔性基層的概念，關(guān)于大粒徑透水性瀝青混合料的研究正是基于此背景開展的。目前，國內(nèi)很多省份已經(jīng)鋪筑了部分大粒徑透水性瀝青混合料試驗路，結(jié)果表明，大粒徑透水性瀝青混合料作為柔性基層具有諸多優(yōu)異的性能表現(xiàn)。大粒徑透水性瀝青混合料通過粗骨料形成骨架嵌擠，可以為混合料提供良好的抵抗變形的能力。大粒徑透水性瀝青混合料采用開級配的組成方式，內(nèi)部孔隙率較大，水分進入路面結(jié)構(gòu)之后可借助其大孔隙迅速排出，從而在一定程度上避免了瀝青路面早期病害的發(fā)生。此外，由于大粒徑透水性瀝青混合料礦粉用量較低，降低了瀝青用量，作為柔性基層，其具有良好的經(jīng)濟效益。但目前大面積鋪筑大粒徑透水性瀝青路面的嘗試主要還集中在北方地區(qū)，廣東的應(yīng)用案例相對較少，廣東地區(qū)重載交通頻繁、高溫持續(xù)時間長且降水量大的交通環(huán)境，使大粒徑透水性瀝青混合料在廣東地區(qū)的推廣難度相對較大?；诖?，文章結(jié)合廣東地區(qū)濕熱的環(huán)境特點，重點對大粒徑透水性瀝青混合料的抗水損壞性能和高溫抗車轍性能進行了研究。

1 混合料級配組成

文章研究的主要材料采用SBS改性瀝青和石灰?guī)r碎石，礦料級配參考山東省關(guān)于大粒徑透水性瀝青混合料地方標(biāo)準(zhǔn)中推薦的級配范圍，油石比采用經(jīng)驗值3.2%。首先分別按級配上限、級配中值、級配下限三種礦料級配制備LSPM-25大型馬歇爾試件進行馬歇爾穩(wěn)定度試驗。三種大粒徑透水性瀝青混合料組成如表1所示，馬歇爾穩(wěn)定度、析漏損失和飛散損失結(jié)果如表2所示。

表1 三種大粒徑透水性瀝青混合料礦料組成

表2 馬歇爾穩(wěn)定度、析漏損失和飛散損失結(jié)果

馬歇爾試件飛散損失可以用于判定骨架孔隙型瀝青混合料的最小瀝青用量，析漏損失可以用于判定骨架孔隙型瀝青混合料的最大瀝青用量。根據(jù)大粒徑透水性瀝青混合料在其他省份的應(yīng)用經(jīng)驗，一般建議析漏損失不超過0.2%，飛散損失不超過20%。根據(jù)試驗結(jié)果可知，馬歇爾穩(wěn)定度、析漏損失和飛散損失三個指標(biāo)對礦料級配都非常敏感，對比三種級配混合料的試驗結(jié)果，綜合確定級配2作為此次研究大粒徑透水性瀝青混合料的最佳礦料級配。

2 高溫穩(wěn)定性能

目前國內(nèi)外關(guān)于評價瀝青混合料高溫抗變形能力常用的試驗方法有輪載試驗、重復(fù)加載蠕變試驗、漢堡車轍試驗和足尺試驗等。文章研究主要采用輪載試驗和重復(fù)加載蠕變試驗兩種試驗方法對LSPM-25、ATB-25、AC-25三種瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能進行橫向?qū)Ρ?。輪載試驗參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）（以下簡稱《規(guī)程》）中的試驗方法，但由于此研究中三種瀝青混合料最大公稱粒徑較大，故均為成型的30cm×30cm×8cm車轍試件，其他試驗條件均按《規(guī)程》中的要求執(zhí)行，LSPM-25、ATB-25和AC-25輪載試驗結(jié)果如表3所示。

表3 三種瀝青混合料輪載試驗結(jié)果 單位：次/mm

由試驗可知，LSPM-25與ATB-25動穩(wěn)定度相近，均遠高于懸浮密實結(jié)構(gòu)的AC-25。瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能主要由礦料骨架之間的嵌擠力和摩阻力貢獻，由于LSPM-25和ATB-25均為骨架嵌擠型瀝青混合料，其高溫穩(wěn)定性能要明顯高于懸浮密實結(jié)構(gòu)的AC-25。重復(fù)加載蠕變試驗評價瀝青混合料抗永久變形的主要指標(biāo)有總應(yīng)變、塑性應(yīng)變和流動數(shù)，此研究主要通過重復(fù)加載蠕變試驗總應(yīng)變來評價大粒徑透水性瀝青混合料的抗永久變形性能。此研究試驗環(huán)境溫度為50℃，試件處于無側(cè)限狀態(tài)，采用0.7MPa的標(biāo)準(zhǔn)軸載進行重復(fù)加載，當(dāng)試件總應(yīng)變達到50000με或荷載累計作用次數(shù)達到10000次時試驗終止。LSPM-25、ATB-25、AC-25三種瀝青混合料重復(fù)加載蠕變試驗試件總變形量分別如圖1～圖3所示，試驗結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖1 LSPM-25蠕變曲線

圖2 ATB-25蠕變曲線

圖3 AC-25蠕變曲線

表4 三種混合料重復(fù)加載蠕變試驗結(jié)果 單位：μ ε

由試驗結(jié)果可知，三種瀝青混合料不同試件重復(fù)加載蠕變試驗總應(yīng)變差異性較大，其原因為不同試件礦料分配不均，導(dǎo)致不同試件礦料配比會存在細微差異，從而影響最終試驗結(jié)果。但總體而言，三種瀝青混合料重復(fù)加載蠕變試驗總應(yīng)變還是呈現(xiàn)一定的規(guī)律，在相同的試驗條件下，三種瀝青混合料總應(yīng)變由大到小的順序為AC-25＞LSPM-25＞ATB-25。總應(yīng)變越小，說明瀝青混合料抵抗永久變形的能力越強，大粒徑透水性瀝青混合料與瀝青穩(wěn)定碎石的高溫抗變形能力基本相當(dāng)，要明顯優(yōu)于懸浮密實結(jié)構(gòu)的AC-25，得出的試驗結(jié)果與輪轍試驗一致。研究結(jié)果表明，LSPM-25具有良好的高溫抗變形能力。

3 抗水損害性能

由于此次研究的三種瀝青混合料最大公稱粒徑較大，直接成型標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進行試驗效果不理想，難以采用《規(guī)程》中的試驗方法來評價三種瀝青混合料的抗水損壞性能，故此次研究采用浸水漢堡車轍試驗來評價三種瀝青混合料的抗水損壞性能。

一般浸水漢堡車轍試驗可用于評價瀝青混合料的整體路用性能。試驗基本過程是將瀝青混合料車轍試件置于一定溫度的恒溫水浴中，并采用0.7MPa壓力的鋼制試驗輪在試件表面往返碾壓20000次，通過試件表面的最大車轍深度與車輪往返作用次數(shù)之間的關(guān)系來評價瀝青混合料的抗水損壞性能和高溫穩(wěn)定性能。

浸水漢堡車轍試驗主要通過試件變形曲線的拐點來評價其水溫的性能，而車轍深度可用于評價瀝青混合料的整體性能。美國已有相關(guān)研究表明，當(dāng)浸水漢堡車轍試驗變形曲線拐點低于1000次時，瀝青混合料的抗水損壞性能較差。另外，美國國家瀝青中心關(guān)于采用浸水漢堡車轍試驗評價瀝青混合料關(guān)鍵性能的研究顯示，當(dāng)加載10000次時試件表面輪轍深度不大于4mm，且加載20000次時試件表面輪轍深度不大于10mm，說明瀝青混合料具備良好的抗水損壞能力。

文章研究為驗證大粒徑透水性瀝青混合料LSPM-25的抗水損壞性能，對LSPM-25、ATB-25、AC-25三種瀝青混合料的浸水漢堡車轍試驗指標(biāo)進行了橫向?qū)Ρ?，試驗水浴溫度?0℃，三種瀝青混合料浸水漢堡車轍試驗結(jié)果如表5所示。

表5 浸水漢堡車轍試驗結(jié)果 單位：mm

由試驗結(jié)果可知，AC-25和ATB-25出現(xiàn)剝落拐點的時間相對較遲，說明密級配瀝青混合料抗水損壞性能在一定程度上要優(yōu)于骨架空隙結(jié)構(gòu)的大粒徑透水性瀝青混合料，但由于AC-25為懸浮密實結(jié)構(gòu)，在抗車轍性能表現(xiàn)上依然不及LSPM-25。雖然LSPM-25在抗水損壞性能上的表現(xiàn)不及AC-25和ATB-25兩種瀝青混合料，但其浸水漢堡車轍試驗10000次車轍深度為3.65mm，20000次車轍深度為8.84mm，根據(jù)美國國家瀝青中心的研究結(jié)果，說明LSPM-25仍具有良好的水穩(wěn)定性和良好的綜合性能。

4 結(jié)束語

文章首先參考其他省份大粒徑透水性瀝青混合料LSPM-25應(yīng)用經(jīng)驗，采用3.2%的油石比經(jīng)驗值，通過馬歇爾試驗確定了LSPM-25的最佳礦料級配組成。為研究大粒徑透水性瀝青混合料在廣東濕熱地區(qū)的適用性，文章重點對LSPM-25的高溫抗車轍能力和抗水損壞能力進行了研究，并與AC-25和ATB-25兩種密級配瀝青混合料進行了橫向?qū)Ρ?。研究結(jié)果表明，輪載試驗和重復(fù)加載蠕變試驗得出的結(jié)論一致，大粒徑透水性瀝青混合料高溫性能與ATB-25相當(dāng)，要明顯優(yōu)于懸浮密實結(jié)構(gòu)的AC-25，說明雖然LSPM-25孔隙率較大，但其粗集料骨架結(jié)構(gòu)為LSPM-25提供了良好的高溫抗變形能力。浸水漢堡車轍試驗結(jié)果表明，AC-25和ATB-25出現(xiàn)剝落拐點的時間相對較遲，說明密級配瀝青混合料抗水損壞性能在一定程度上要優(yōu)于骨架空隙結(jié)構(gòu)的大粒徑透水性瀝青混合料，但根據(jù)美國國家瀝青中心的研究結(jié)果，LSPM-25仍具有良好的水穩(wěn)定性和良好的綜合性能，能夠滿足高速公路柔性基層的使用要求。