填料對排水瀝青混合料水穩定性的影響研究

雷鵬群　張新天　吳鵬志

(北京建筑大學，北京　100044)

1　問題的提出

隨著社會經濟的發展，交通運輸在國民經濟發展中的作用越來越顯著，同時對道路的安全環保要求也越來越受到重視。排水瀝青路面就是這樣一種安全環保的環境友好型路面，其大空隙的特點實現了路面抗滑、降噪、行車安全等優勢，然而其多孔特征也使得路面材料充分地暴露在光、熱、水等自然環境中，從而更容易出現松散剝落水損壞等病害。

排水路面的水損害問題曾一度阻礙其發展和推廣，迫使各國采用一系列措施來提高其水穩定性，其中摻加消石灰與使用高粘瀝青是其中比較有效的方法。由于高粘瀝青材料成本較高而推廣受到限制，因此利用消石灰替換部分填料的技術方案具有較好的經濟價值，研究消石灰改善排水瀝青混合料PAC抗水損害能力的特征及影響規律，具有重要的實用意義。

2　排水瀝青混合料水損害過程及消石灰改善機理分析

排水瀝青混合料PAC是典型的骨架空隙結構，其強度主要由混合料集料骨架之間的嵌擠摩阻作用以及膠結料與集料間的粘結作用組成。在水分的侵蝕影響下，加之混合料經受行車荷載與溫度脹縮的反復作用，水分逐漸浸入到瀝青與集料的粘結面。由于水分子是極性物質，與集料的親和性相較于瀝青膠結料更好，侵入水使集料與瀝青的粘結性降低，在荷載與溫度的作用下更容易松散剝落導致掉粒坑槽等水損害[1]。瀝青膠結料內含有的羧酸使瀝青呈弱酸性，而排水路面常使用的堅硬玄武巖集料也是弱酸性，因此兩者結合粘附性相較于普通瀝青路面采用的石灰巖等堿性集料略差。

瀝青混合料采用填料通常為礦料研磨之礦粉，pH值在9左右，呈弱堿性，而消石灰的主要成分氫氧化鈣，pH值在12左右，為強堿性。使用消石灰代替一部分礦粉后，消石灰中的堿性基團與瀝青中的酸性基團反應會形成化學反應生成堿土鹽，而堿土鹽有較強的化學吸附作用。與物理吸附不同，化學吸附是強鍵結合，吸附非常穩定且不可逆，解析困難[2]，因此消石灰的使用使瀝青與瀝青膠漿的粘附性得以維持，在水的作用下瀝青結合料不會輕易從集料上脫離。

3　消石灰改善PAC混合料水穩定性試驗方案

為了分析消石灰對PAC混合料的水穩定性的改善效果，以普通石灰巖礦粉、生石灰改善方案和高粘瀝青方案為對照方案，以及摻配不同比例的消石灰代替部分石灰巖礦粉為試驗方案進行排水瀝青混合料水穩定性檢驗。其中粗集料采用玄武巖，細集料采用石灰巖，瀝青膠結料分別采用埃索SBS改性瀝青和高粘改性瀝青，所用材料均符合相關規范要求。

瀝青混合料水穩定性檢驗方法通常是將瀝青混合料置于水蝕環境中，通過測定其水蝕前后力學性能的變化情況來評定其水穩定性，主要試驗方法有浸水馬歇爾試驗、浸水飛散試驗、浸水車轍試驗以及凍融劈裂強度比等[3]。PAC混合料采用表1級配，設計空隙率為20%，油石比4.9%。

表1　試驗選用級配

4　馬歇爾試驗與浸水馬歇爾試驗

馬歇爾試驗采用表1級配進行驗證，以不同填料改善方案與高粘瀝青對比組進行對比研究。試件使用擊實成型，馬歇爾及浸水馬歇爾試驗結果如表2所示。

表2　不同填料方案及瀝青方案的標準馬歇爾和浸水馬歇爾試驗結果

由上述試驗結果可知，2%生石灰改善方案、2%消石灰改善方案及高粘瀝青方案均可達到提高排水瀝青混合料馬歇爾穩定度與浸水穩定度的效果，其中高粘瀝青方案穩定度值最佳，但是其殘留穩定度略低于消石灰方案；2%消石灰方案對混合料馬歇爾穩定度、浸水穩定度均有不同程度提高的同時其殘留穩定度最為理想。

5　填料改善方案對排水瀝青混合料抗飛散性能試驗

飛散掉粒是排水瀝青路面最常見的病害之一，是指排水路面在荷載作用下集料從路面結構脫離飛出的現象。試驗研究中主要借助洛杉磯試驗機進行肯塔堡飛散試驗來驗證排水瀝青混合料抗飛散性能，浸水飛散試驗則能夠模擬排水路面在經過熱水浸泡膨脹和瀝青老化后集料與膠結料粘結力下降的變化情況[4]。試驗采用表1級配進行標準飛散與浸水飛散試驗，結果見表3。

表3　標準飛散與浸水飛散指標　%

試驗結果表明，全礦粉組標準飛散率較大，且經過60 ℃浸水養護后飛散率進一步加大；生石灰及消石灰改善方案均能不同程度的降低飛散損失，其中以2%消石灰替代部分礦粉的方案對排水瀝青混合料抗飛散及抗浸水飛散水穩定性最為顯著；高粘瀝青方案對排水瀝青混合料抗飛散及浸水飛散性能較好。

6　浸水車轍實驗

車轍試驗是瀝青混合料性能驗證中最重要的指標之一，可以模擬瀝青路面在車輪荷載反復作用下產生的壓密、推移等塑性變形。浸水車轍實驗則可以模擬瀝青路面經受荷載碾壓與水蝕雙重作用下瀝青混合料的高溫穩定性與抗水損壞性能。按照規程T 0703的 輪碾成型法室內制成尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件，試模底部有孔，保證水可以從試件下部滲入。試件首先在60 ℃恒溫水浴中浸泡6 h，之后在水浴環境下循環往復1 h，評價其浸水條件下的車轍穩定度。試驗采用表1中級配，選用埃索SBS瀝青、高粘瀝青、2%生石灰以及2%消石灰改善方案。試驗過程及結果如圖1,圖2所示。

由圖1，圖2結果可知，排水瀝青混合料經過60 ℃恒溫水浴浸泡后浸水穩定度均大幅度降低，說明在交通及水蝕情況下排水瀝青混合料穩定性不足；與SBS改性瀝青的全礦粉方案相比，生石灰、消石灰以及高粘瀝青改善方案均能不同程度的提高排水瀝青混合料的動穩定度及浸水穩定度，其中摻加2%消石灰的填料方案動穩定度與浸水穩定度分別能達到高粘瀝青的對比組的89.8%與94.4%。

7　不同原材料對比試驗

瀝青混合料是一種多組分混合而成的極其復雜的空間網格結構分散系，不同的粗細集料及瀝青等原材料的細微變化都可能會影響試驗結果[5]，因此進行室內試驗后采用某實體工程所用原料及級配(見表4)。進一步對摻加消石灰的排水瀝青混合料進行檢驗。對比試驗方案及結果如表5所示。

表4　某實際工程所用級配

表5　不同技術方案PAC性能比較

由以上工程實際原材料及配合比方案驗證試驗結果可知：摻加2%消石灰后析漏損失減少且穩定度提高，相比之下抗飛散性能良好；消石灰改善方案與高粘瀝青方案均可大幅度改善PAC的高溫穩定性，抗車轍性能良好；消石灰改善方案的馬歇爾穩定性及凍融殘留強度比TSR均良好，整體性能接近高粘瀝青方案。

8　結語

通過試驗分析常用的普通石灰巖礦粉、生石灰以及消石灰作為填料或者部分填料探究了不同填料方案下排水瀝青混合料的水穩定性變化，試驗研究結論如下：

1)排水瀝青混合料設計與施工中使用生石灰及消石灰替代部分礦粉可以不同程度的提高混合料水穩定性，其中消石灰的使用使得排水瀝青混合料水穩定性提升愈加明顯。2)不同的填料改善方案對排水瀝青混合料性能影響顯著，實際工程可以優選填料方案達到改善混合料水穩定性的作用。3)不同原料來源及配合比對PAC水穩定性表現出差異性，但填料類型對PAC的影響趨勢基本一致。4)在普通改性瀝青的基礎上使用消石灰替代部分礦粉可以有效的改善排水瀝青混合料的水穩定性，綜合性能接近高粘改性瀝青方案，可以滿足工程要求。

參考文獻:

[1]呂偉民，孫大權.瀝青混合料設計手冊[M].北京：人民交通出版社，2007:53-57.

[2]王法欣.瀝青混合料水穩定性及路面水損害研究[D].杭州：浙江工業大學,2009：30-40.

[3]李錕.瀝青混合料抗水損害試驗研究[D].大連：大連理工大學,2016:4-10.

[4]JTG E20—2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].

[5]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001:275-283.