空隙率對(duì)多孔超薄瀝青磨耗層性能和滲水功能的影響

胡 勇，鹿 蓉，黃衛(wèi)國(guó)，楊 斌，魯賀賀

(1.江西省公路工程檢測(cè)中心，江西 南昌 330100；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

瀝青路面隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，路表會(huì)逐漸出現(xiàn)車轍、松散、裂縫、剝離等病害，嚴(yán)重影響道路的行車安全性和舒適性[1-3]。超薄磨耗層作為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施之一，能夠直接加鋪在原路面上，可以有效解決路面存在的輕微車轍、疲勞裂縫或溫度裂縫等問(wèn)題，改善瀝青路面的表面功能[4-8]。

最初法國(guó)率先將薄層瀝青混合料應(yīng)用于路面表層，1987年法國(guó)提出了應(yīng)用于高等級(jí)瀝青路面超薄罩面層，厚度為1.5～2 cm的，特點(diǎn)是通過(guò)使用改性瀝青和增大黏結(jié)層厚度等措施提高路面性能及延長(zhǎng)服役壽命[9]。美國(guó)在法國(guó)的基礎(chǔ)上研究出了NovaChip混合料，能夠緩解面層輕微車轍、非結(jié)構(gòu)性裂縫以及恢復(fù)道路表面功能，這項(xiàng)技術(shù)在其他歐洲國(guó)家也有廣泛應(yīng)用[10-11]。英國(guó)選用空隙率為20%的超薄瀝青混合料鋪筑面層，其最大粒徑為14 mm，瀝青用量約5%。因施工質(zhì)量、外界氣候等的影響，所建成的路面質(zhì)量并不理想[12]。

2003年，我國(guó)在廣韶高速公路鋪筑了2 km的超薄磨耗層試驗(yàn)路，主要用來(lái)修復(fù)路面的車轍損害[13]；李小松等[14]采用正交試驗(yàn)方法分析混合料設(shè)計(jì)中的CA比(粗集料的粗料率)、FAc比(細(xì)集料的粗料率)、油石比及7.1 mm篩孔通過(guò)率對(duì)瀝青路面抗滑性能的影響，得出CA比對(duì)抗滑性能影響最大，油石比次之；施向東等[15]總結(jié)了級(jí)配類型對(duì)薄層罩面抗滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)開級(jí)配抗滑性能最好，半開級(jí)配次之，密集配最差。

多孔超薄瀝青磨耗層由粒徑較小、空隙率較大的瀝青混合料鋪筑而成，空隙率一般為18～25%，厚度為約為20 mm[16]。這種透水性鋪裝層能夠使雨水沿面層入滲，并通過(guò)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部橫向排出，起到減少路表水膜，提高瀝青路面抗滑能力和降低交通噪聲的作用[17-18]。目前，國(guó)內(nèi)外大部分的研究主要集中于超薄磨耗層的材料方面或者級(jí)配設(shè)計(jì)方面(如密集配、半開級(jí)配和間斷級(jí)配)對(duì)路用性能的影響，以開級(jí)配多孔超薄瀝青磨耗層為研究主體的空隙率對(duì)路用性能影響的研究較少。而多孔超薄瀝青磨耗層的空隙率越大，排水效果越好，但過(guò)大的空隙率容易產(chǎn)生剝落、松散等病害，降低路面的使用壽命[19]。因此，合理的空隙率設(shè)計(jì)對(duì)多孔瀝青路面的強(qiáng)度和耐久性具有重要影響。為此，本研究選取4種公稱最大粒徑為8 mm多孔超薄瀝青磨耗層(PUAWL-8)，其空隙率分別為18%，20%，22%和24%，然后進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和滲水試驗(yàn)，研究空隙率對(duì)多孔超薄瀝青磨耗層的路用性能的影響，為多孔超薄瀝青磨耗層的空隙率與級(jí)配設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)與參考。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

選用高黏改性瀝青作為膠結(jié)料，其主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。粗集料采用閃長(zhǎng)巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r機(jī)制砂，礦粉選用石灰?guī)r礦粉，并添加3‰的木質(zhì)素纖維，集料的主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 高黏改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of high-viscosity modified asphalt

表2 集料的技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indicators of aggregates

1.2 試驗(yàn)方案

本研究選用2 cm厚的18%，20%，22%和24% 4種空隙率的PUAWL-8試件進(jìn)行性能和滲水功能研究，為模擬實(shí)際路面結(jié)構(gòu)，成型上面層為2 cmPUAWL-8、下面層為3 cm AC-13的復(fù)合板作為試件，并采用車轍試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)高溫性能，低溫小梁彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)低溫性能，浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性能，采用變水頭試驗(yàn)測(cè)定不同空隙率的PUAWL-8的滲水功能。

2 PUAWL-8材料組成設(shè)計(jì)方法

2.1 礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

由于多孔超薄磨耗層的厚度較薄，一般為2 cm左右，根據(jù)規(guī)范[20]規(guī)定，瀝青混合料厚度不宜小于公稱最大粒徑的2.0～2.5倍。對(duì)于PUAWL-8而言，4.75～9.5 mm粒徑范圍較大，因此，本研究增加了7.1 mm篩孔來(lái)控制級(jí)配，并通過(guò)調(diào)整2.36 mm，4.75 mm篩孔通過(guò)率來(lái)得到空隙率分別為18%，20%，22%和24%共4組不同的礦料級(jí)配?；旌狭系V料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線如圖1所示。

圖1 混合料級(jí)配設(shè)計(jì)曲線Fig.1 Gradation curves of mixture

2.2 最佳瀝青用量的確定

首先采用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)試算初始瀝青用量，公式如下：

Pb=h×A,

(1)

(2)

式中，Pb為初始瀝青用量；h為瀝青膜厚度，一般為14 μm；A為集料的總表面積；a，b，c，d，e，f，g分別為4.75，2.36，1.18，0.6，0.3，0.15和0.075 mm篩孔通過(guò)百分率。

然后采用謝倫堡析漏損失曲線的拐點(diǎn)和肯塔堡飛散損失曲線的拐點(diǎn)分別確定瀝青用量的最大值和最小值，然后按照馬歇爾試驗(yàn)確定最佳瀝青油石比[21]，各級(jí)配的最佳瀝青用量見(jiàn)表3。其中，混合料的空隙率(VV)采用體積法計(jì)算，并按照《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 190—2012)[24]中測(cè)量連通空隙率的方法，測(cè)量各級(jí)配多孔超薄磨耗層的連通空隙率(VV′)。

表3 各級(jí)配瀝青用量Tab.3 Asphalt dosage of each gradation

3 空隙率對(duì)路用性能的影響

3.1 空隙率對(duì)高溫性能的影響

車轍試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的常用試驗(yàn)，能夠較好地反映路面的實(shí)際受力狀態(tài)。試驗(yàn)采用尺寸為(300 mm×300 mm×50 mm)的復(fù)合車轍試件，其中PUAWL-8厚度為20 mm，AC-13厚度為30 mm，輪壓為0.7 MPa，碾壓速率為42次/min的條件下。以動(dòng)穩(wěn)定度評(píng)價(jià)PUAWL-8的高溫性能。

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和圖2。由表4可知，當(dāng)空隙率為18%時(shí)，45 min和60 min變形量最小，動(dòng)穩(wěn)定度值最大；隨著空隙率增大，45 min和60 min變形量增大，動(dòng)穩(wěn)定度逐漸變小，當(dāng)空隙率為24%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度大約為空隙率為18%時(shí)的一半。由圖2可知，空隙率與動(dòng)穩(wěn)定度呈良好的線性關(guān)系，并呈負(fù)相關(guān)。這可能是因?yàn)槎嗫壮r青磨耗層為骨架-空隙型結(jié)構(gòu)，粗集料之間良好的嵌擠力和高黏改性瀝青與集料之間良好的黏結(jié)力保證了混合料的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，因此高溫穩(wěn)定性較好；但當(dāng)空隙率過(guò)大時(shí)，粗集料過(guò)多，但細(xì)集料過(guò)少，細(xì)集料不能填充粗集料之間形成的較大空隙，混合料之間的接觸面積減小，流動(dòng)性變大，因此產(chǎn)生的車轍深度更加明顯。

表4 不同空隙率下的車轍試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Rutting test result with different air voids

圖2 空隙率與動(dòng)穩(wěn)定度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between air voids and dynamic stability

規(guī)范[20]規(guī)定，多孔超薄瀝青磨耗層用于重及以上交通荷載等級(jí)時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度需大于3 000次/mm，用于中等、輕交通荷載等級(jí)時(shí)動(dòng)穩(wěn)定度需大于1 500次/mm。由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)空隙率為18%～20%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度均大于3 000次/mm，此時(shí)滿足重及以上交通荷載等級(jí)要求；當(dāng)空隙率為20%～24%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度均大于1 500次/mm且小于3 000次/mm，此時(shí)滿足中等、輕交通荷載等級(jí)的要求。

3.2 空隙率對(duì)低溫性能的影響

本研究采用低溫小梁彎曲試驗(yàn)中破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變來(lái)評(píng)價(jià)多孔超薄瀝青磨耗層低溫性能，最大彎拉應(yīng)變是低溫柔韌性指標(biāo)，反映混合料的變形能力。試驗(yàn)采用長(zhǎng)250 mm、寬30 mm、高50 mm的小梁試件，其中PUAWL-8厚度為20 mm，AC-13厚度為30 mm，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。低溫小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 空隙率與最大彎拉應(yīng)變之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between air voids and maximum bending tensile strain

由圖3可知，最大彎拉應(yīng)變隨著空隙率的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)空隙率為18%～20%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)空隙率為20%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變減小到4 469 με；當(dāng)空隙率大于20%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變逐漸增大；當(dāng)空隙率為24%時(shí)，最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 560 με，此時(shí)多孔超薄瀝青磨耗層的最大彎拉應(yīng)變最大，變形能力最好。這可能是因?yàn)榭障堵蕿?8%～20%時(shí)，細(xì)集料多而粗集料少，較多的細(xì)集料會(huì)因干涉粗集料之間的嵌擠作用而不能形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)，此時(shí)多孔超薄瀝青磨耗層結(jié)構(gòu)相對(duì)比較密實(shí)，強(qiáng)度較大而變形能力減??；當(dāng)空隙率大于20%時(shí)，粗集料多并能相互嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)集料較少，此時(shí)多孔超薄瀝青磨耗層強(qiáng)度減小，變形能力增大。

根據(jù)規(guī)范[22]對(duì)不同氣候分區(qū)的最大彎拉應(yīng)變的要求可知，對(duì)于氣溫最低的冬嚴(yán)寒區(qū)(即溫度<-37 ℃)，最大彎拉應(yīng)變應(yīng)不小于3 000 με，試驗(yàn)結(jié)果表明，4個(gè)不同空隙率的多孔超薄瀝青磨耗層均能滿足規(guī)范對(duì)冬嚴(yán)寒區(qū)的低溫性能要求。

3.3 空隙率對(duì)水穩(wěn)定性的影響

多孔超薄瀝青磨耗層具有較大的空隙率，水分更容易入滲至集料與瀝青的接觸面上，造成瀝青路面的松散和剝落，因此測(cè)定多孔超薄瀝青磨耗層的水穩(wěn)定性極其重要。本研究采用浸水馬歇爾試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)多孔超薄瀝青磨耗層的水穩(wěn)定性能[4,23-24]。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，尺寸為φ101.6 mm×63.5 mm，在恒溫水槽中保溫48 h后，以殘留穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)PUAWL-8的水穩(wěn)定性。不同空隙率下多孔超薄瀝青磨耗層的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 空隙率與穩(wěn)定度的關(guān)系Fig.4 Relationship between air voids and stability

圖5 空隙率與浸水殘留穩(wěn)定度的關(guān)系Fig.5 Relationship between air voids and immersion residual stability

由圖4可知，浸水與未浸水的馬歇爾穩(wěn)定度與空隙率均呈良好的線性關(guān)系，且隨著空隙率的增大，穩(wěn)定度逐漸減小。由圖5可知，空隙率為18%～20%時(shí)，殘留穩(wěn)定度基本相似；當(dāng)空隙率為22%時(shí)，殘留穩(wěn)定度升至最大，為94%；隨后殘留穩(wěn)定度減小，當(dāng)空隙率為24%時(shí)，殘留穩(wěn)定度值降低至84%。這可能是因?yàn)楫?dāng)空隙率為24%時(shí)，由于空隙率過(guò)大，粗集料多能夠嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)，細(xì)集料過(guò)少不能填充空隙，該結(jié)構(gòu)的內(nèi)摩擦角較大但內(nèi)黏聚力較低；且由于集料的比表面積減小，集料與瀝青的接觸面積減少，試件在經(jīng)過(guò)48 h浸水后，瀝青與集料間的黏附力大大降低，導(dǎo)致殘留穩(wěn)定度降低。這說(shuō)明過(guò)大的空隙率對(duì)PUAWL-8的強(qiáng)度和受水損害時(shí)抗剝落能力有不利影響。

根據(jù)規(guī)范[22]對(duì)不同年降雨量下瀝青混合料水穩(wěn)定性的要求，對(duì)于年降雨量小于500 mm的地區(qū)，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度需不小于80%；對(duì)于年降雨量大于500 mm的地區(qū)，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度需不小于85%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)空隙率為18%～22%時(shí)，滿足年降雨量大于500 mm的地區(qū)；當(dāng)空隙率為24%時(shí)，滿足年降雨量小于500 mm的地區(qū)。

4 空隙率對(duì)滲水功能的影響

本研究采用滲水系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)PUAWL-8的滲水功能。滲水系數(shù)的測(cè)量方法遵循達(dá)西定律，一般分為常水頭法和變水頭法。其中，常水頭法主要用于透水性較強(qiáng)的材料；而變水頭法主要用于透水性較差的材料。本研究按照我國(guó)規(guī)范[21]中瀝青混合料變水頭試驗(yàn)方法進(jìn)行滲水系數(shù)的測(cè)定，儀器選用豎向滲水試驗(yàn)儀，試件選用空隙率為18%，20%，22%和24%，尺寸為(300 mm×300 mm×50 mm)的PUAWL-8車轍板，其中PUAWL-8厚度為20 mm，AC-13厚度為30 mm。不同空隙率對(duì)應(yīng)的滲水試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 空隙率與滲水系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between air voids and permeability coefficient

由試驗(yàn)結(jié)果可知，空隙率為18%～24%時(shí)，多孔超薄瀝青磨耗層均能滲水。經(jīng)擬合可知，空隙率與滲水系數(shù)之間有良好的二次相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.999 3，且空隙率越大滲水效果越好。當(dāng)空隙率為18%時(shí)，滲水系數(shù)最小，為1 379 mL/min；當(dāng)空隙率為24%時(shí)，滲水系數(shù)最大，為2 175 mL/min。前期，滲水系數(shù)隨著空隙率的增加幅度較大，但空隙率達(dá)到22%以上時(shí)，滲水系數(shù)增加幅度較小，比較平緩，這是因?yàn)楫?dāng)試件空隙率大于一定值后，但受到豎向滲水儀中的水與試件接觸的面積限制，此時(shí)該空隙率對(duì)滲透性能不起主要作用，超過(guò)該空隙率后滲水系數(shù)的增加趨勢(shì)平緩。

5 結(jié)論

本研究主要分析了18%，20%，22%和24%這4種不同空隙率的PUAWL-8高溫性能、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和滲水性能之間的關(guān)系，主要結(jié)論包括以下幾方面：

(1)高溫性能方面，PUAWL-8的空隙率與車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度呈良好的線性關(guān)系，動(dòng)穩(wěn)定度隨著空隙率的增大而減小。對(duì)于重及以上交通荷載等級(jí)路段可選用空隙率的范圍為18%～20%，對(duì)于中等、輕交通荷載等級(jí)，可選擇的空隙率范圍為20%～24%。低溫性能方面，隨著PUAWL-8空隙率的增大，最大彎拉應(yīng)變先減小后增大，且4種空隙率的多孔超薄瀝青磨耗層的最大彎拉應(yīng)變均符合極端最低氣溫條件下所要求的破壞應(yīng)變。

(2)水穩(wěn)定性方面，增大PUAWL-8的空隙率對(duì)多孔超薄瀝青磨耗層的強(qiáng)度和抗水損壞不利。年降雨量大于500 mm的地區(qū)，可選擇的空隙率范圍為18%～22%時(shí)；年降雨量小于500 mm的地區(qū)，可選擇的空隙率為24%。

(3)經(jīng)多孔超薄瀝青磨耗層的滲水試驗(yàn)可知，18%～24%的空隙率均能滲水，且空隙率與滲水系數(shù)呈良好的二次相關(guān)關(guān)系，滲水性能隨著空隙率的增大而增大。

(4)綜合考慮空隙率對(duì)PUAWL-8的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和排水性能的影響可知，推薦PUAWL-8的最佳空隙率范圍為20%～22%。

(5)PUAWL-8的路面性能均滿足極端環(huán)境(如高溫、低溫)條件要求和耐久性(水穩(wěn)定性要求)，因此PUAWL-8可以作為一種路面表面功能性筑路材料。