溫拌排水瀝青混合料性能研究

吳立新，黃 杰，張業(yè)茂

（1.江蘇省高速公路經(jīng)營管理中心寧連高速公路北段管理處，江蘇 連云港222200；2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710064；3.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江蘇 南京211106）

0 引言

隨著我國公路建設(shè)的快速發(fā)展，人們對(duì)公路的行車安全性和環(huán)保性有了越來越高的要求。排水性瀝青路面具有表面不積水，雨天抗滑性能好和吸音降噪等功能，是一種安全環(huán)保的路面，具有廣闊的應(yīng)用前景。排水性瀝青混合料中，粗集料多、細(xì)集料少，屬于典型的骨架空隙結(jié)構(gòu)，混合料中形成石-石接觸的骨架結(jié)構(gòu)，主要依靠高黏瀝青的黏結(jié)作用及石料之間的嵌鎖作用共同形成強(qiáng)度[1]。排水性瀝青混合料由于采用了高黏瀝青，施工難度加大，其瀝青和礦料加熱溫度比普通SBS改性瀝青混合料高10～20℃，不僅浪費(fèi)資源，而且排放的大量廢氣還會(huì)污染環(huán)境。溫拌排水瀝青混合料將溫拌瀝青混合料技術(shù)與排水瀝青混合料技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來，不但大大降低了施工的難度，而且可以獲得安全、節(jié)能、環(huán)保的新型溫拌排水路面。既滿足交通的需要，又符合城市發(fā)展的需要，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義和工程應(yīng)用價(jià)值[2]。目前，國內(nèi)外對(duì)溫拌排水瀝青混合料的性能研究較少，本文對(duì)溫拌排水瀝青混合料的性能和熱拌排水瀝青混合料的性能進(jìn)行對(duì)比分析，研究溫拌排水瀝青混合料的可行性。

1 原材料的技術(shù)性質(zhì)

1.1 瀝青

熱拌排水瀝青混合料和溫拌排水瀝青混合料均采用高黏瀝青，其技術(shù)性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)采用的高黏瀝青技術(shù)指標(biāo)

1.2 集料

試驗(yàn)所用的集料為鎮(zhèn)江茅迪玄武巖，技術(shù)性質(zhì)如表2所示。

表2 玄武巖技術(shù)性質(zhì)

1.3 溫拌劑

試驗(yàn)采用的溫拌添加劑為Sasobit，摻量為溫拌排水瀝青混合料的2.5%，其技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表3 溫拌添加劑Sasobit技術(shù)指標(biāo)

2 混合料配合比設(shè)計(jì)

溫拌排水瀝青混合料與熱拌排水瀝青混合料采用相同的級(jí)配OGFC—13和油石比，級(jí)配各篩孔的通過率和油石比如表4所示，二者不同的是試驗(yàn)溫度，試驗(yàn)溫度如表5所示。

表4 試驗(yàn)采用的級(jí)配

表5 不同混合料的試驗(yàn)溫度

從表5可以看出，溫拌排水瀝青混合料的集料加熱溫度比熱拌的降低了30℃，成型溫度比熱拌的降低了30℃，大大節(jié)省了能源的消耗，且降低了粉塵和廢氣等污染物的排放。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 高溫性能

瀝青混合料抗車轍性能是瀝青混合料高溫性能的重要指標(biāo)，對(duì)溫拌排水瀝青混合料和熱拌排水瀝青混合料進(jìn)行60℃車轍試驗(yàn)，以動(dòng)穩(wěn)定度來表示，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 溫拌與熱拌OGFC—13動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

從圖1 可以看出，溫拌OGFC—13 瀝青混合料與熱拌OGFC—13 的動(dòng)穩(wěn)定度均滿足規(guī)范[3]不小于3 000 次/mm 的技術(shù)要求，溫拌OGFC—13 與熱拌OGFC—13的動(dòng)穩(wěn)定度相差不大。

3.2 低溫性能

為更全面地評(píng)價(jià)各級(jí)配溫拌瀝青混合料的低溫性能，采用低溫約束溫度應(yīng)力凍斷試驗(yàn)[4]（TSRST）。儀器采用LWDD—10微機(jī)控制瀝青混合料低溫凍斷試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)由高低溫箱、多功能試驗(yàn)機(jī)及控制器、量測(cè)系統(tǒng)、微機(jī)采集控制系統(tǒng)等組成。

試驗(yàn)起始溫度為20℃，溫度下降速率采用-30℃/h，試件尺寸為220mm×40mm×40mm（試件成型溫度均為60℃），兩種類型的瀝青混合料試件各制作6 根，試驗(yàn)結(jié)果取平均值，結(jié)果如表6 和圖2所示。

表6 凍斷試驗(yàn)結(jié)果

圖2 熱拌OGFC—13和溫拌OGFC—13凍斷試驗(yàn)應(yīng)力溫度曲線

由表6 和圖2 可以看出，溫拌OGFC—13 與熱拌OGFC—13相比，破斷強(qiáng)度略有降低，破斷溫度和轉(zhuǎn)折點(diǎn)溫度略有提高，溫度曲線斜率略降低。表明溫拌OGFC—13的低溫性能略有降低，但對(duì)低溫性能不產(chǎn)生影響。

3.3 透水性能

為評(píng)價(jià)溫拌和熱拌OGFC—13瀝青混合料的透水性能，將溫拌和熱拌OGFC—13瀝青混合料采用輪碾法各制作3 塊30cm×30cm×5cm 的車轍板，采用路面滲水儀進(jìn)行滲水系數(shù)試驗(yàn)[5]，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫拌與熱拌OGFC—13滲水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從圖3 可以看出，溫拌OGFC—13 瀝青混合料與熱拌OGFC—13相比滲水系數(shù)略有下降，但是相差不大，完全滿足排水瀝青混合料對(duì)于透水性能的要求。

3.4 疲勞性能

試驗(yàn)采用5cm×5cm×25cm 的棱柱體梁式試件，在MTS810材料試驗(yàn)機(jī)上采用半正弦波型荷載，加載頻率為10Hz。試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載方式，試驗(yàn)溫度為15±0.3℃。按應(yīng)力控制方式回歸出疲勞方程，得到回歸參數(shù)k和n。

式中：Nf為達(dá)到破壞時(shí)的重復(fù)荷載作用次數(shù)；σ為彎拉應(yīng)力（應(yīng)力水平）MPa；k,n為試驗(yàn)回歸系數(shù)。

對(duì)疲勞方程兩邊分別取以10為底的對(duì)數(shù)，然后進(jìn)行雙對(duì)數(shù)回歸，可以得到一條直線，疲勞方程的參數(shù)n和k即為該直線的斜率和截距；其中，n值越大，疲勞曲線越陡，表明疲勞壽命對(duì)應(yīng)力水平變化越敏感；k值表明疲勞曲線的線位高低，其值越大，疲勞曲線的線位越高，材料的抗疲勞性能越好。溫拌及熱拌OGFC—13瀝青混合料的疲勞特性可通過疲勞方程的2 個(gè)參數(shù)（k和n）來反映[6]。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

從表7 可以看出，溫拌OGFC—13 和熱拌OG?FC—13 隨著應(yīng)力比的增大抗疲勞性能均逐漸降低。在相同的應(yīng)力比條件下，由疲勞次數(shù)和系數(shù)k，n對(duì)比分析得出，溫拌OGFC—13的抗疲勞性能比熱拌OGFC—13 的抗疲勞性能好。熱拌OGFC—13 瀝青混合料在加熱過程中混合料部分會(huì)出現(xiàn)老化，而溫拌OGFC—13瀝青混合料由于加熱溫度降低而未出現(xiàn)老化，所以其抗疲勞性能優(yōu)于熱拌OG?FC—13。

表7 溫拌與熱拌OGFC—13疲勞試驗(yàn)結(jié)果

3.5 水穩(wěn)定性能

水損壞是指瀝青路面在水或凍融循環(huán)的作用下，由于汽車車輪動(dòng)態(tài)荷載的作用，進(jìn)入路面空隙中的水不斷產(chǎn)生水壓力或真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用，水分逐漸滲入瀝青與集料的界面上，使瀝青黏附性降低并逐漸喪失黏結(jié)力，瀝青膜從石料表面脫落，瀝青混合料掉粒、松散，繼而形成瀝青路面的坑槽、推擠變形等的損壞現(xiàn)象[7]。

本文采用浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)來進(jìn)行溫拌OGFC—13 和熱拌OGFC—13 的水穩(wěn)定性能對(duì)比研究，試驗(yàn)結(jié)果如表8、表9所示。

表8 浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表9 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

從表8 和表9 可以看出，溫拌OGFC—13 瀝青混合料與熱拌OGFC—13瀝青混合料水穩(wěn)定性能均滿足規(guī)范要求，溫拌OGFC—13 與熱拌OGFC—13瀝青混合料相比水穩(wěn)定性能結(jié)果相差很小。

3.6 抗剪性能

瀝青路面的車轍形成一般分為三個(gè)階段：壓密階段、穩(wěn)定階段與剪切流變階段。第一階段主要是由于施工壓實(shí)時(shí)的剩余空隙等因素，高溫時(shí)，在車輛的碾壓作用下形成再壓實(shí)；第二階段相對(duì)較長，主要還是高溫時(shí)車輛碾壓形成再壓密；第三階段是由于高溫時(shí)荷載形成的剪切應(yīng)力超過材料的剪切強(qiáng)度而形成的剪切流動(dòng)。前兩個(gè)階段可以通過改進(jìn)施工工藝等措施加以控制，而且其數(shù)值一般不影響車輛的正常通行。一般認(rèn)為，影響瀝青路面車轍形成的關(guān)鍵是瀝青路面在車輛荷載作用下的剪切流動(dòng)。

本文采用單軸貫入剪切試驗(yàn)[8]來評(píng)價(jià)溫拌OG?FC—13 和熱拌OGFC—13 瀝青混合料的抗剪切性能。單軸貫入剪切試驗(yàn)是在試件的頂面用一定尺寸的鋼制壓頭以一定速率的力對(duì)試件進(jìn)行加壓，來模擬實(shí)際路面受力情況的試驗(yàn)，如圖4所示。

圖4 瀝青路面結(jié)構(gòu)受力簡化圖

采用靜壓成型尺寸為100mm×100mm的試件在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的條件為：（1）加載速率：1mm/min；（2）壓頭尺寸：28.5mm；（3）試驗(yàn)溫度：60℃，在控溫箱中試驗(yàn)，保溫至少6h。

單軸貫入剪切試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

表10 單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

從表10可以看出，溫拌OGFC—13瀝青混合料與熱拌OGFC—13的內(nèi)摩擦角相差較小，這是由于兩種混合料采用相同級(jí)配，而內(nèi)摩擦角的大小主要又是由級(jí)配造成的。從抗剪強(qiáng)度和黏聚力方面來比較，溫拌OGFC—13的抗剪強(qiáng)度和黏聚力均比熱拌OGFC—13 的高，原因是：①熱拌OGFC—13 瀝青混合料較溫拌OGFC—13 瀝青混合料加熱的溫度高，瀝青老化程度高，其黏結(jié)力降低幅度大[9]；②溫拌OGFC—13瀝青混合料加入溫拌劑后，一定程度上增加了瀝青的黏度。

4 結(jié)論

（1）分別對(duì)溫拌OGFC—13 與熱拌OGFC—13進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫約束溫度應(yīng)力凍斷試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和滲水系數(shù)試驗(yàn)，結(jié)果表明：溫拌OGFC—13 與熱拌OGFC—13 相比，高溫穩(wěn)定性能、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性能和透水性能略有下降但相差不大，均滿足規(guī)范要求。

（2）對(duì)溫拌OGFC—13 與熱拌OGFC—13 進(jìn)行棱柱體梁式疲勞試驗(yàn)和單軸貫入剪切試驗(yàn)，結(jié)果表明：溫拌OGFC—13的抗疲勞性能及抗剪切性能優(yōu)于熱拌OGFC—13。

（3）溫拌排水瀝青混合料是安全、節(jié)能、環(huán)保的新型的瀝青混合料形式，具有重要的研究和推廣價(jià)值。

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