透水瀝青混合料老化特性分析

于保陽，孫宗光，齊 琳

(1.大連海事大學交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026；2.沈陽建筑大學交通工程學院，遼寧 沈陽 110168；3.沈陽城市建設學院土木工程系，遼寧 沈陽 110167)

透水瀝青混合料與普通密級配瀝青混合料相比，具有改善路面排水、有效降低路表積水引起的水霧以及降低噪聲等諸多優(yōu)勢[1-2]。透水瀝青混合料因空隙大，易產生老化，致使瀝青變脆，在行車荷載和冰脹力作用下發(fā)生松散、剝落等路面病害，進一步引起其耐久性衰變[3]。另外，若空隙率偏小，會直接妨礙路面排水。因此，選擇合適空隙率減輕透水瀝青混合料的老化問題顯得格外重要。目前很多學者從高黏改性瀝青和摻加聚脂纖維角度出發(fā)探究透水瀝青混合料的老化特性。趙少宗[4]以新型TPS、SBS、日本TPS進行瀝青改性，并通過對比分析證明了新型TPS提升瀝青抗老化性能與混合料耐久性的高效性。馬翔等[5]以SBS改性瀝青、高黏瀝青以及摻入聚酯纖維的改性瀝青制備混合料，并對比研究熱老化對透水瀝青混合料的影響。通過高黏劑、聚酯纖維進行瀝青改性均能實現(xiàn)一定程度的抗老化，且對水穩(wěn)定性能進一步改善。

透水瀝青路面除了可靠的結構設計外，還應為路面的及時養(yǎng)護實現(xiàn)其耐久性變化規(guī)律的預測，以期延長路面使用壽命[6]。目前路面性能預測方法主要有神經(jīng)網(wǎng)絡法、貝葉斯方法、灰色理論法、馬爾科夫模型等[7-9]?；诖?，筆者考慮其大空隙率特點，以不同老化時長進行透水瀝青混合料的路用性能研究，對預測模型進行適用性研究后，建立基于灰色-馬爾科夫預測模型，預測經(jīng)過老化作用后透水瀝青混合料的路用性能。

1 透水瀝青混合料原材料及配合比設計

1.1 原材料

由于透水瀝青路面與紫外線、氧、水等環(huán)境因素的直接接觸，同時受到車輛荷載作用使得瀝青結合料與集料的粘結力削弱，加快了松散和剝落等一系列問題的發(fā)生，最終導致路面發(fā)生損壞。粗集料的吸水率對透水瀝青混合料的低溫、水穩(wěn)定性的影響很大[10]。因此在選用粗集料時，在其他指標滿足要求的前提下，應當著重考慮含水率指標。粗集料選用石灰?guī)r，含水率為0.93%。細集料的種類包括機制砂、天然砂和石屑。天然砂表面粗糙度小與瀝青的粘附性弱。石屑中粉塵含量過高，扁平狀含量較大，不易于施工壓實。機制砂表面粗糙且質地堅硬，同時瀝青與石料的粘附性好壞和石料的酸堿性有關[11-13]，因此細集料選用堿性的機制砂?；|瀝青選用遼河90#瀝青。改性劑為國產OLB-1型高黏改性劑，形態(tài)外觀為淡黃色半透明球狀顆粒，改性劑的加入對基質瀝青具有加筋、增粘、抗老化等多重改良效果，用外摻法選取改性劑摻量為12%。測試高黏瀝青各項指標均符合要求。

1.2 混合料配合比設計

為了得到具有較佳排水功能并擁有良好性能的礦料級配，參考安徽省六潛高速公路選用的OGFC-13級配[13]，確定所用級配如圖1所示。以此級配結合3種油石比4.5%、5.1%、5.7%成型試樣，并測量試樣空隙率依次為19%、21%、24%。

圖1 透水瀝青混合料(OGFC-13)級配Fig.1 The permeable asphalt mixture gradation(OGFC-13)

2 不同老化時長下透水瀝青混合料的路用性能

通過結合密級配瀝青混合料老化的研究，對透水瀝青混合料老化試驗的老化時間、溫度做出調整。將混合料均勻攤鋪在搪瓷盤上，攤鋪量為21～22 kg/m2，老化溫度為165 ℃，老化時長采用2、4、6、8、10 h。以此方案探究不同空隙率的混合料隨老化時間增加所引起的路用性能變化。

2.1 高溫穩(wěn)定性

根據(jù)筆者提出的老化實現(xiàn)方法，對19%、21%、24%不同空隙率透水瀝青混合料進行老化，并進行車轍試驗，以動穩(wěn)定度為評價指標，試驗結果如圖2所示。從圖2可以看出，前6 h老化后的透水瀝青混合料動穩(wěn)定度有明顯增加，6～10 h的動穩(wěn)定度有進一步的增加?？障堵蕿?4%的透水瀝青混合料的增加幅度最大，空隙率為19%的增加幅度最小，空隙率透水瀝青混合料老化后的高溫穩(wěn)定性由大到小排序為24%、21%、19%。

圖2 動穩(wěn)定度隨老化時間的變化規(guī)律Fig.2 Variation of dynamic stability with aging time

2.2 低溫穩(wěn)定性

對空隙率為19%、21%、24%老化后的透水瀝青混合料，進行小梁低溫彎曲試驗，評價透水瀝青混合料的低溫抗變形能力。試驗結果如圖3所示。分析圖3可知，透水瀝青混合料經(jīng)過不同老化時間后，透水瀝青混合料的抗彎拉強度和最大彎拉應變隨老化時間的延長呈遞減趨勢?？障堵?4%試樣的低溫性能隨老化時間無顯著變化。而空隙率19%試樣隨老化時間增加，低溫性能顯著下降。表明空隙率19%的試樣具有較佳的抗老化能力。透水瀝青混合料老化后的低溫穩(wěn)定性由大到小排序為：19%、21%、24%。

圖3 低溫性能指標變化規(guī)律Fig.3 Variation of low temperature stability with aging time

2.3 水穩(wěn)定性

基于凍融劈裂試驗研究透水瀝青混合料在老化后的水穩(wěn)定性能變化規(guī)律，結果如圖4所示。

圖4 水穩(wěn)定性隨老化時間的變化規(guī)律Fig.4 Variation of water stability with aging time

分析圖4(a)可知，未凍融的試樣在老化過程中前6 h，透水瀝青混合料隨老化時間增加，其劈裂強度不斷增加，在6 h之后出現(xiàn)大幅度下降。分析圖4(b)可知，凍融的試樣在老化過程中前4 h，透水瀝青混合料隨老化時間增加，其劈裂強度不斷增加，而4 h后發(fā)生顯著下降。通過觀察發(fā)現(xiàn)，空隙率24%的試樣由于長時間老化，局部發(fā)生松散破壞。通過圖4(a)、圖4(b)對比分析發(fā)現(xiàn)，長時間老化后會使混合料的水穩(wěn)定性能下降。分析圖圖4(c)可知，空隙率為19%、21%、24%的試樣初始凍融劈裂比依次為93.9%、84.1%、79.9%。不同空隙率的試樣由于時長的增加呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)。尤為突出的是，時長增至10 h時，空隙率19%的試樣凍融劈裂強度比下降了14.9%。其水穩(wěn)定性能顯著性下降主要是因為瀝青含量較高，且持續(xù)老化。另外，此時空隙率為19%的凍融劈裂比大于其他空隙率。綜上所述，透水瀝青混合料老化后水穩(wěn)定性能由大到小排序為：19%、21%、24%。

3 不同老化時長的透水瀝青混合料的微觀形貌分析

對經(jīng)過不同老化時長的試樣用夾具取出其內部直徑約為0.3～0.5 cm的試樣。以便結構面的觀測，需對試樣噴射金粉。圖5為噴金處理后的試樣。

圖5 噴金處理后的試樣Fig.5 Specimens after golden spraying process

不同老化時長的試樣放大500倍的SEM圖像如圖6～圖8所示。通過SEM電鏡放大500倍后所得的圖6～圖8可觀察到，初始時的瀝青膜較為光滑。集料與集料界面處的瀝青膜隨老化時長的增加變得更為粗糙，顏色變深。該現(xiàn)象是由于老化作用減少了瀝青中飽和酚、芳香分含量，瀝青質增加，導致界面處外露瀝青變脆硬且易剝落，在光滑的瀝青膜表面形成深淺不一的坑穴。

圖6 空隙率19%的試樣對應不同老化時長的微觀形貌圖Fig.6 Microscopic morphology of permeable asphalt mixture with a porosity of 19% after different aging time

圖7 空隙率21%的試樣對應不同老化時長的微觀形貌圖Fig.7 Microscopic morphology of permeable asphalt mixture with a porosity of 21% after different aging time

圖8 空隙率24%的試樣對應不同老化時長的微觀形貌圖Fig.8 Microscopic morphology of permeable asphalt mixture with a porosity of 24% after different aging time

運用圖像分析軟件Image J對SEM圖像處理，提取剝落面積進行定量分析。瀝青膜剝落面比例比為瀝青膜剝落面積除SEM圖像總面積，計算結果如圖9所示。

圖9 瀝青膜剝落面積隨老化時間變化規(guī)律Fig.9 Variation of spalling area of asphalt film with aging time

從圖9可以看出，自始至終，空隙率為24%的試樣瀝青膜剝落面積比例隨老化時間迅速上升。該現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是因為未老化時，與其他空隙率試樣相比空隙率24%試樣的瀝青膜較薄，在老化作用下更易剝落，致使集料凸顯，且隨老化時長的增加而發(fā)生大面積剝落。與空隙率21%、24%的試樣相比，空隙率19%的試樣瀝青膜較厚。觀察整個老化過程，瀝青膜形貌變化程度較小，表明瀝青膜厚度對混合料抗老化性能有重要影響，抗老化性能隨瀝青膜變薄而變差。

4 老化作用下透水瀝青混合料路用性能的衰變規(guī)律

灰色-馬爾科夫模型兼具灰色模型與馬爾科夫模型的優(yōu)勢，因此以灰色-馬爾科夫模型進行性能預測研究。先以試驗數(shù)據(jù)構建灰色模型，并擬合出方程。然后通過殘差相對值對耐久性能狀態(tài)進行合理劃分，并構建狀態(tài)轉移矩陣。最后，驗證狀態(tài)是否滿足馬氏性檢驗，若滿足，修正灰色模型的預測值。

4.1 灰色-馬爾科夫模型預測

綜合考慮經(jīng)過老化作用后透水瀝青混合料路用性能的平衡，選用抗老化效果較強的空隙率為19%試樣進行模型預測研究。首先基于其路用性能指標構造灰色模型，以0、2、4、6、8 h以上5個老化時長的凍融劈裂比構造GM(1,1)模型，并以此模型對試驗數(shù)據(jù)擴充。以累計試驗數(shù)據(jù)進行馬爾科夫模型的建立，并通過修正灰色模型的預測值提高預測精度。

(1)構造原始數(shù)據(jù)數(shù)列

X(i)=(94.3,92.4,90.31,87.63,83.31).

(19)

(2)累加處理后數(shù)據(jù)序列

Y(k)=(94.3,186.7,277.01,364.64,447.95).

(20)

(3)構造數(shù)據(jù)向量Y和數(shù)據(jù)矩陣B

Y=(92.4,90.31,87.63,83.31).

(21)

BT=

(22)

(4)基于MATLAB計算待定系數(shù)a=0.030 9、b=97.092 9。

進而得到凍融劈裂強度比灰色預測方程：

(23)

(5)不同老化時長對應殘差相對值所處狀態(tài)如表1所示。

表1 不同老化時長對應殘差相對值所處狀態(tài)Table 1 Status of residual relative values with different aging time

(6)由不同老化時長對應殘差相對值所處狀態(tài)，構造一步轉移概率矩陣：

(24)

表2 邊際概率值Table 2 Marginal probability values

表3 統(tǒng)計量計算表Table 3 Statistical calculation table

4.2 模型精度驗證

透水瀝青混合料老化時間9 h和10 h的凍融劈裂比計算。

構建轉移矩陣后，基于某一老化時長相應狀態(tài)對下一時刻相應狀態(tài)進行預測。由老化時長8 h時所處狀態(tài)E1確定其殘差相對值初始向量為v0=(1,0,0)，并由一步轉移概率得到老化9 h的狀態(tài)分布為

(25)

計算可得兩步轉移概率矩陣為

(26)

5 結 論

(1)透水瀝青混合料混合料經(jīng)過老化作用后，動穩(wěn)定度呈現(xiàn)增大的趨勢；對比混合料老化前后的抗彎拉強度和凍融劈裂強度比均有不同程度的降低?；诟邷氐蜏亍⑺€(wěn)定性的綜合考量，建議可采用抗老化性較佳的透水瀝青混合料空隙率為19%。

(2)從微觀層面上解釋了透水瀝青混合料宏觀路用性能的差異。相比于空隙率21%、24%，當空隙率為19%時，混合料瀝青膜具有較小的微觀形貌變化，有利于透水瀝青混合料抵抗老化。

(3)基于老化時長與路用性能所構建的灰色-馬爾科夫模型，能較準確的由狀態(tài)轉移矩陣預測透水瀝青混合料的性能衰變程度，模型預測精度較高。