成型溫度對排水瀝青混合料性能的影響研究

張 花

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 太原市 030032)

我國對于PAC路面的研究起步較晚，由于氣候、交通、材料和技術(shù)條件的差異，國外排水瀝青路面設(shè)計經(jīng)驗難以滿足我國高等級公路的抗車轍和水損等耐久性需求[1]。經(jīng)國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，PA(即對應(yīng)于PAC的混合料，簡稱PA)存在著結(jié)合料析漏、松散和脫層等問題，繼而影響路面的耐久性。目前國內(nèi)外PA多采用聚合物改性瀝青如高粘瀝青作為粘結(jié)材料，加強瀝青對集料的粘結(jié)和裹覆能力[2]。由于采用聚合物改性瀝青，PA的拌和溫度達180℃左右，成型溫度較拌和溫度稍低。但過低的成型溫度會導(dǎo)致瀝青粘度較大，混合料壓實度不夠、空隙率增大等問題，影響路用性能；過高的成型溫度會導(dǎo)致瀝青老化及混合料滑移等問題，均對PA路用性能產(chǎn)生不利影響。選擇適宜的成型溫度范圍是保證PA路用性能的必要條件?！锻杆疄r青路面技術(shù)規(guī)程》[3]中并未規(guī)定成型溫度，而選擇適宜的成型溫度范圍是保證PA體積參數(shù)和路用性能的必要條件，故通過室內(nèi)試驗研究成型溫度對PA性能的影響規(guī)律。

1 原材料和試驗方法

1.1 瀝青

PA為大孔隙結(jié)構(gòu)，集料間為點―點接觸，對瀝青的粘結(jié)性能要求較高，故需采用高粘瀝青，高粘瀝青技術(shù)性能試驗結(jié)果如表1所示。

表1 高粘瀝青試驗指標

1.2 集料

排水瀝青混合料對集料的性能有較高要求，因此常采用玄武巖。玄武巖的物理力學(xué)性能見表2，各項性能指標均滿足《規(guī)范》[3]的要求。

表2 玄武巖的技術(shù)指標

1.3 級配

本文的目標級配選擇規(guī)范中PA-13級配的中值，如表3所示。按標準馬歇爾試驗方法進行最佳油石比的確定，最佳油石比為5.6%。

表3 PA-13級配

2 不同成型溫度對PA體積參數(shù)的影響研究

按《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》成型透水瀝青混合料，其中級配取規(guī)范級配范圍的中值。探究成型溫度對PA的性能影響規(guī)律，包括PA的體積參數(shù)和路用性能，確定合理的成型溫度是保證研究意義的關(guān)鍵因素。魯正蘭[1]取間隔溫度為15℃或10℃，設(shè)置了從90～190℃的成型溫度進行路用性能研究；李秀君[5]按間隔溫度10℃對添加溫拌劑和未添加溫拌劑的瀝青混合料體積參數(shù)進行研究?！兑?guī)程》[3]規(guī)定，PA的HMA(熱拌瀝青混合料)生產(chǎn)溫度控制中，加熱溫度一般為160～170℃，混合料出料溫度為170～185℃，出料溫度低于165℃或高于195℃的瀝青混合料按廢棄處理。

結(jié)合國內(nèi)外試驗和規(guī)范對普通瀝青混合料和排水瀝青混合料的成型溫度的擬定方法，考慮到出料后至成型流程間存在的溫度損失，將本研究最低成型溫度定為150℃，最高成型溫度定為180℃，按照15℃為溫度間隔，即共計三組成型溫度：150℃、165℃和180℃。

按照制定三組溫度成型的PA標準馬歇爾試件，進行PA穩(wěn)定度試驗，試驗結(jié)果見圖1和表4。數(shù)據(jù)說明成型溫度對PA的流值及穩(wěn)定度影響明顯，當(dāng)成型溫度為150℃時，PA受壓達到破壞點的垂直變形量過小，流值過低?？傮w規(guī)律為流值及穩(wěn)定度均隨著PA成型溫度的降低而減少，且流值的減少幅度呈逐漸放緩趨勢。

表4 流值及穩(wěn)定度

將三組溫度成型的PA標準馬歇爾試件脫模后測量試件的質(zhì)量、直徑和高度，通過計算得到不同成型溫度下的平均空隙率[6]。其中，利用游標卡尺進行第一個成型試件脫模前測量的高度來判斷PA質(zhì)量取值是否合理，標準馬歇爾試件的高度為63.5±1.3mm，以盡量將后續(xù)成型試件的高度控制在這一范圍內(nèi)為目標，預(yù)估和調(diào)整混合料的稱取質(zhì)量，例如第一個試件在直徑滿足要求的情況下，高度超限，則可以適當(dāng)減少稱取的混合料質(zhì)量，因此每個成型溫度的①號試件為試打試件，主要用于調(diào)整后續(xù)高度和直徑。標準馬歇爾試件應(yīng)滿足直徑101.6mm±0.2mm，對于不達要求的試件需作廢處理。高度及空隙率試驗結(jié)果見表5，其中每組①號為試成型試件，關(guān)系圖見圖2。

表5 高度及空隙率

脫模后的PA試件直徑均為101.6mm，滿足規(guī)范要求。PA成型溫度165℃和180℃時，高度和空隙率均滿足規(guī)范要求；成型溫度為150℃時，由于試件①的高度超標，故調(diào)整了混合料稱取質(zhì)量，平均高度滿足規(guī)范要求，但計算空隙率偏大，不滿足《規(guī)程》[3]中容許偏差±1%要求。

在PA試件①成型后測量未脫模的高度值雖然可以對后續(xù)試件稱取質(zhì)量進行調(diào)整，但對空隙率的影響不大，當(dāng)PA在150℃成型時就能很好地驗證這一點?？傮w規(guī)律為空隙率隨著PA成型溫度的降低而升高，在相同質(zhì)量下較高的成型溫度擁有較低的空隙率以及試件高度。

成型溫度是造成在相同級配和油石比條件下PA試件空隙率不同的因素之一，當(dāng)成型溫度低于一定水平時，高粘瀝青的流動性會降低。在用稱勺挖取混合料的時候就能感受到150℃下混合料的粘結(jié)阻力明顯增強，在雙面擊實后PA試件的高度也較高，這與推測規(guī)律一致。此外，從圖4成型溫度與空隙率曲線中，空隙率線在150℃的切線斜率大于180℃的切線斜率可以推測，隨著成型溫度的進一步降低，PA空隙率增大的現(xiàn)象會更加嚴重。因此若要滿足目標空隙率的范圍、保證施工質(zhì)量，就必須對成型溫度進行嚴格把控。

3 不同成型溫度對PA路用性能的影響研究

體積參數(shù)反映了PA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性，而其高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和抗飛散性則是保障PAC路面良好耐久性的關(guān)鍵指標，有必要對其進行研究。表6為不同成型溫度對PA各項路用性能的影響研究結(jié)果。

表6 PA路用性能

由表6可以看出，成型溫度180℃和165℃的PA試件殘留穩(wěn)定度均滿足規(guī)范要求，成型溫度150℃的殘留穩(wěn)定度低于規(guī)范要求且差距較大，僅為72.1%。殘留穩(wěn)定度數(shù)值反映了隨著成型溫度的降低，殘留穩(wěn)定度迅速下降，150℃時的殘留穩(wěn)定度不能滿足規(guī)范大于75%的要求。高溫性能方面，成型溫度180℃的60℃動穩(wěn)定度滿足《排水路面技術(shù)細則》的要求，而165℃和150℃的動穩(wěn)定度不滿足要求。以成型溫度180℃為參考對象，動穩(wěn)定度隨著成型溫度的降低而迅速降低，且150℃和165℃的車轍變形量差異較大。需要注意的是，成型溫度165℃的PA動穩(wěn)定度相比180℃僅為1/3左右，這一現(xiàn)象在三組重復(fù)性試驗中都存在，動穩(wěn)定度的銳減使165～180℃這一成型溫度區(qū)間內(nèi)的變化規(guī)律不夠明朗。最后飛散性能方面，成型溫度180℃、165℃和150℃的PA試件飛散損失均滿足≤15%的規(guī)范要求。說明成型溫度雖然對PA的飛散性能有影響，較低成型溫度的PA飛散損失較大，但依然沒有十分明顯的抗飛散性能下降情況發(fā)生?？梢娤啾扔诔尚蜏囟?，油石比是影響飛散性能更為關(guān)鍵的因素之一。

4 結(jié)語

根據(jù)國內(nèi)外研究經(jīng)驗和規(guī)范要求確定了PA試驗的成型溫度范圍，研究不同成型溫度對PA體積參數(shù)和路用性能的影響。得出的主要結(jié)論如下：

(1)成型溫度為165℃和180℃時，PA的流值及穩(wěn)定度均滿足要求，且變異性不大；成型溫度為150℃時，PA的穩(wěn)定度滿足要求，流值不滿足要求。

(2)在合理的成型溫度范圍內(nèi)，PA穩(wěn)定度基本隨著溫度的升高而線性增加，流值隨著溫度的升高而增加，增幅逐漸放緩。由于PA的粗集料偏多，流值普遍處于規(guī)范要求范圍的較低水平，即試件的抗變形能力一般，若有對PA的變形性能需求，可以適當(dāng)增大油石比或增加細集料比例。

(3)在保證試件合理高度的前提下，成型溫度為165℃和180℃時，PA的空隙率滿足要求；成型溫度為150℃時，空隙率偏大，不滿足規(guī)范要求。

(4)在控制馬歇爾試件合理高度范圍的前提下，出料稱取質(zhì)量的調(diào)整對PA馬歇爾試件空隙率的影響不大；當(dāng)成型溫度低于一定水平時(本研究中的150℃)，高粘瀝青的流動性變差，雙面擊實難以達到目標空隙率。若采用旋轉(zhuǎn)壓實是否會改善較低成型溫度的空隙率，還需后續(xù)試驗驗證。

(5)成型溫度對PA的高溫性能和水穩(wěn)定性能影響較大，而對飛散性能影響較小。其中180℃和165℃下試件的動穩(wěn)定度和殘留穩(wěn)定度滿足規(guī)范要求。相比于成型溫度，油石比是影響飛散性能更為關(guān)鍵的因素。