多孔瀝青混合料熱老化性能及抗水損害性能研究

蘇志翔

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海 200082）

0 引言

近年來(lái)，隨著海綿城市的發(fā)展，多孔瀝青混合料得到廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)瀝青混合料，多孔瀝青混合料空隙率大且空隙相互連通，利于雨天路面水分快速排除，可減少路表水霧以及路面積水，防止水漂發(fā)生，提升雨天行車安全性[1]。多孔瀝青混合料構(gòu)造深度較大，具有較好的抗滑性能。此外，其連通空隙特征可以吸收車輪與路面作用產(chǎn)生的噪聲，從而起到降低噪聲的效果[2]。但多孔瀝青混合料的空隙特征使其強(qiáng)度相比密級(jí)配以及間斷級(jí)配混合料更低[3]，也更易受到外界條件如水分、空氣以及荷載的作用，從而導(dǎo)致其更早地發(fā)生剝落、松散等病害，并最終導(dǎo)致混合料耐久性變差、路面服役期限縮短。研究表明，多孔瀝青混合料的空隙特征導(dǎo)致瀝青與空氣更易發(fā)生接觸，從而加速瀝青老化，而瀝青的老化會(huì)對(duì)瀝青及瀝青混合料的路用性能尤其是耐久性產(chǎn)生不利影響。水分會(huì)導(dǎo)致瀝青與集料界面發(fā)生破壞，從而發(fā)生剝落，多孔瀝青混合料空隙率較大且空隙連通性好，水分更易進(jìn)入混合料內(nèi)部，尤其在動(dòng)水壓力存在的情況下，瀝青與集料的剝落會(huì)加速發(fā)生[4]。在老化及水分的耦合作用下，多孔瀝青混合料耐久性會(huì)變差。本文依托浙江嘉興某工程項(xiàng)目，對(duì)多孔瀝青混合料熱老化和抗水損害性能進(jìn)行研究，以期為工程應(yīng)用提供參考。

1 材料與配合比

1.1 瀝青

本研究采用3 種瀝青，分別為埃索70#基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青以及高黏改性瀝青。其中，高黏改性瀝青由基質(zhì)瀝青加5%高黏改性劑在185℃條件下剪切攪拌2h制備而成，高黏改性劑為橡塑改性劑。3種瀝青的技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1～表3。

表1 埃索70#基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表3 高黏改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

粗集料和細(xì)集料均采用石灰?guī)r，性能指標(biāo)見(jiàn)表4。

表4 集料性能指標(biāo)

1.3 礦粉及纖維

礦粉選擇石灰?guī)r礦粉，性能指標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 礦粉性能指標(biāo)

添加木質(zhì)素纖維抑制瀝青的流淌，纖維摻量為瀝青混合料總質(zhì)量的0.3%。

1.4 配合比

瀝青混合料類型選擇PAC-13，其級(jí)配范圍及所選級(jí)配見(jiàn)表6。

表6 PAC-13瀝青混合料級(jí)配

瀝青選擇高黏瀝青，采用馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，得到最佳油石比為5.1%，空隙率為20.2%。為進(jìn)行單因素對(duì)比，其他兩種瀝青最佳油石比也采用5.1%。

2 試驗(yàn)方案及方法

2.1 試驗(yàn)方案

為研究瀝青混合料熱老化及抗水損害性能，首先對(duì)3種瀝青混合料進(jìn)行短期老化和長(zhǎng)期老化。在此基礎(chǔ)上，采用凍融劈裂試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)以及浸水前后單軸貫入試驗(yàn)，分別對(duì)短期老化和長(zhǎng)期老化前后的瀝青混合料試件進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，從而研究熱老化及水分對(duì)瀝青混合料性能的影響。此外，采用30 次、50 次和70 次成型高黏改性瀝青混合料試件，成型不同空隙率的瀝青混合料試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)，研究空隙率對(duì)混合料抗水損害性能的影響。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 常規(guī)試驗(yàn)方法

瀝青混合料短期老化和長(zhǎng)期老化采用我國(guó)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）（以下簡(jiǎn)稱規(guī)程）規(guī)定的熱拌瀝青混合料加速老化方法進(jìn)行老化，但本次研究瀝青混合料短期老化烘箱溫度不采用規(guī)程規(guī)定的135℃，而采用163℃。凍融劈裂試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)分別采用規(guī)程中規(guī)定的方法進(jìn)行。

2.2.2 瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)

瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗剪性能，該試驗(yàn)壓頭直徑小于試件直徑，因此除了豎向壓應(yīng)力，未受壓區(qū)域會(huì)提供側(cè)向約束，這與路面受力是相似的[5]。此外，試件內(nèi)部剪應(yīng)力分布與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)在輪胎荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)部剪應(yīng)力分布較為接近。該試驗(yàn)試件可采用室內(nèi)成型或者鉆芯取樣，當(dāng)前室內(nèi)成型一般采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法。試件直徑根據(jù)公稱最大粒徑確定，公稱最大粒徑大于16mm 時(shí)，試件直徑采用150mm，否則采用100mm，因此本研究試件采用100mm直徑。試件高度為100mm。試件在進(jìn)行測(cè)試前應(yīng)在60℃的烘箱中保溫不少于5h，壓頭加載速率為1mm/min[6]。采用抗剪強(qiáng)度R作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

式（1）和（2）中：R為抗剪強(qiáng)度（MPa）；σp為貫入強(qiáng)度（MPa）；F為施加荷載極限值（N）；A為壓頭橫截面面積（mm2）；f為剪應(yīng)力系數(shù)，對(duì)于直徑100mm試件，f=0.34。

浸水條件與浸水馬歇爾試驗(yàn)相同。為評(píng)價(jià)水分對(duì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響，提出浸水抗剪強(qiáng)度殘留比T作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

式（3）中：T為浸水抗剪強(qiáng)度殘留比（%）；R0為未浸水抗剪強(qiáng)度（MPa）；Rw為未浸水抗剪強(qiáng)度（MPa）。

3 結(jié)果與分析

3.1 老化前后凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3種瀝青混合料進(jìn)行老化前后凍融劈裂試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 3種瀝青混合料老化前后凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表7 可知，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)老化以及凍融循環(huán)，3種瀝青混合料劈裂強(qiáng)度順序均為：高黏改性瀝青大于SBS 改性瀝青大于埃索70#基質(zhì)瀝青。這說(shuō)明，隨著60℃動(dòng)力黏度的增加，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度也隨著增加。3 種瀝青混合料隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青混合料凍融前后的劈裂強(qiáng)度都隨之增加，說(shuō)明老化可以提升瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，3 種瀝青混合料TSR均隨之降低，說(shuō)明老化會(huì)降低瀝青混合料抗水損害性能。對(duì)3 種瀝青混合料相同老化階段的TSR進(jìn)行排序：高黏改性瀝青大于SBS 改性瀝青大于埃索70#基質(zhì)瀝青，說(shuō)明對(duì)劈裂強(qiáng)度指標(biāo)來(lái)說(shuō)，高黏改性瀝青抗水損害性能最好，基質(zhì)瀝青最差。

3.2 老化前后浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3 種瀝青混合料進(jìn)行老化前后浸水馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 3種瀝青混合料老化前后浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)老化以及浸水條件，3種瀝青混合料穩(wěn)定度大小順序均為：高黏改性瀝青大于SBS改性瀝青大于埃索70#基質(zhì)瀝青。說(shuō)明隨著60℃動(dòng)力黏度的增加，瀝青混合料的穩(wěn)定度也隨之增加。3種瀝青混合料隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青混合料浸水前后的穩(wěn)定度都隨之增加，說(shuō)明老化可以提升瀝青混合料的穩(wěn)定度。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，3種瀝青混合料浸水殘留穩(wěn)定度均隨之降低，說(shuō)明老化會(huì)降低瀝青混合料抗水損害性能。對(duì)比3種瀝青各老化階段殘留穩(wěn)定度，可以發(fā)現(xiàn)SBS改性瀝青和高黏改性瀝青抗水損害性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青。

3.3 老化前后浸水單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)3 種瀝青混合料進(jìn)行老化前后浸水單軸貫入試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 3種瀝青混合料老化前后浸水單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

由表9 可知，無(wú)論是否經(jīng)過(guò)老化以及浸水條件，3種瀝青混合料抗剪強(qiáng)度大小順序均為：高黏改性瀝青大于SBS 改性瀝青大于埃索70#基質(zhì)瀝青。表明隨著60℃動(dòng)力黏度的增加，瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度隨之增加，說(shuō)明瀝青混合料高溫穩(wěn)定性隨60℃動(dòng)力黏度的增加而增強(qiáng)。3種瀝青混合料隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，瀝青混合料的浸水前后的抗剪強(qiáng)度都隨之增加，說(shuō)明老化可以提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，3種瀝青混合料浸水抗剪強(qiáng)度殘留比均隨之降低，說(shuō)明老化會(huì)降低瀝青混合料抗水損害性能。對(duì)3種瀝青混合料相同老化階段的浸水抗剪強(qiáng)度殘留比進(jìn)行排序：高黏改性瀝青大于SBS改性瀝青大于埃索70#基質(zhì)瀝青，說(shuō)明就抗剪強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，高黏改性瀝青抗水損害性能最好，基質(zhì)瀝青最差。

3.4 不同空隙率試件凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

不同空隙率試件凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 高黏改性瀝青混合料試件凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表10 可知，隨著空隙率的增加，試件凍融前后劈裂強(qiáng)度均降低，且TSR也隨之降低。說(shuō)明空隙率的增大對(duì)試件劈裂強(qiáng)度有不利影響，同時(shí)還會(huì)損害瀝青混合料水穩(wěn)定性，并且影響較為顯著。

4 結(jié)論

（1）隨著瀝青60℃動(dòng)力黏度的增加，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性以及劈裂強(qiáng)度隨之增加，說(shuō)明瀝青60℃動(dòng)力黏度與瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度具有較好的相關(guān)性。

（2）隨著老化時(shí)間的增加，瀝青混合料高溫穩(wěn)定性以及劈裂強(qiáng)度均隨之增加，這說(shuō)明瀝青的適度老化有利于提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和力學(xué)強(qiáng)度。

（3）老化對(duì)瀝青混合料抗水損害性能有不利影響，且隨著老化時(shí)間的延長(zhǎng)，影響越嚴(yán)重。

（4）從3 個(gè)指標(biāo)來(lái)說(shuō)，SBS 改性瀝青和高黏改性瀝青抗水損害性能均優(yōu)于70#基質(zhì)瀝青。

（5）隨著空隙率增加，瀝青混合料的水穩(wěn)定性變差。