排水路面高黏瀝青及其混合料性能試驗研究

劉東美葉慶凡于曉霞耿立濤

(1.山東高速路橋養護有限公司，山東濟南250032；2.山東建筑大學交通工程學院，山東濟南250101)

0 引言

城市雨洪災害和水污染是制約我國城市生態發展的主要問題[1-4]。為此，近年來我國開始推廣建設海綿城市項目?；谧罴压芾泶胧⒌陀绊戦_發和綠色基礎設施等理論[5-8]，通過“滲、滯、蓄、凈、用、排”等方式對雨水進行自然的積存、滲透和凈化，以實現城市在面對環境變化和應對雨水等方面的良好彈性[9]。

排水瀝青路面實現是海綿城市建設的一項關鍵技術。與傳統的密級配瀝青混凝土路面相比，排水瀝青路面除具備排水功能外，還具有抵抗車輛滑移、減輕行車水霧、降低道路噪音等眾多優點[10-12]。由于采用了骨架空隙結構(空隙率約為20%)以實現排水功能，排水瀝青混合料中粗集料多、細集料少，而粗集料含量＞70%，在以粗集料為骨架的同時缺乏細集料的填充，其強度主要依靠瀝青膠結料的粘結作用實現[13]。使用普通改性瀝青材料無法保證排水瀝青混合料的強度和耐久性，因此，使用高黏瀝青是排水瀝青混合料設計時的首選方案[14]。近年來，眾多科研機構開展了高黏瀝青的研發、評價及工程應用工作，高中軍等[15]采用新型高黏改性劑SINOTPS制備高黏瀝青，并在噪排水路面、應力吸收層和彩色降噪排水路面等應用中展開研究；任瑞波等[16]研發了一種SMA-5高黏瀝青混合料并測定了其各項性能；劉學亮等[17]研究了不同改性劑對瀝青的影響，并對瀝青性能進行了試驗分析；鄭求才等[18]在工程實踐中對比分析了2種不同高黏瀝青產品的特性及區別。

試驗采用自主研發的高黏瀝青作為膠結料，設計了OGFC-13型高黏排水瀝青混合料并考查了其各項性能。在選定礦料級配和目標空隙率的基礎上，通過計算集料單位表面積的瀝青有效用量確定初始瀝青用量，基于試件空隙率與瀝青用量的變化關系確定最佳瀝青用量，以析漏試驗和飛散試驗檢驗最佳瀝青用量的合理性，完成高黏排水瀝青混合料設計；通過車轍試驗、凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗和疲勞試驗評價高黏排水瀝青混合料的路用性能。

1 排水路面高黏瀝青制備

試驗采用自主研發的高黏瀝青改性劑ESBS制備高黏瀝青。改性劑成分為改性聚烯烴樹脂、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS)、沙林樹脂、脂肪族硅油、增黏劑及其他助劑。常溫下顏色為黑色，直徑為2～3 mm的圓餅狀固體顆粒，密度為0.8 g/cm3。改性劑主要用于提高瀝青黏度，從而提升瀝青的高溫穩定性、低溫抗裂性及耐疲勞性能等一系列路用性能。制備高黏瀝青所用基質瀝青為齊魯70＃道路石油瀝青。

制備高黏瀝青工藝為:將基質瀝青加熱至180℃，加入ESBS(質量分數為11%，外摻)低速攪拌10 min，再以3 000 r/min的速度剪切1 h，所得樣品置入烘箱中恒溫發育1.5 h。高黏瀝青、齊魯70＃瀝青及前期研發的穩定型橡膠改性瀝青(SRMA)[19]的技術性能對比見表1。

表1 高黏瀝青、基質瀝青及穩定型橡膠改性瀝青技術性能對比表

動力黏度是評價高黏瀝青性能的一項重要技術指標，對排水瀝青混合料的強度和耐久性起著關鍵作用，國內外對其均有相應的標準規范，如日本規范要求高黏瀝青的60℃動力黏度＞2×104Pa·s[13]。我國現行的規范中對排水路面用高黏瀝青的技術要求多參考了日本的標準。文章采用的試驗方法是T0620—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的瀝青動力黏度試驗(真空減壓毛細管法)。在規定的溫度下，真空度達到40±66.5 kPa的壓力時，測量一定體積的瀝青流經真空減壓毛細管所需要的時間。由表1可知，制備的高黏瀝青，其60℃動力黏度達到了9.6×104Pa·s，可保證排水瀝青混合料中集料的粘結，從而提高排水瀝青混合料的強度和抗沖擊飛散性能。此外，高黏瀝青的軟化點和延度指標均較理想，可保證排水瀝青混合料的高溫抗車轍能力和低溫抗開裂能力。

2 排水路面高黏瀝青混合料設計

試驗采用S10、S12和S16規格的玄武巖作為粗、細集料，以石灰巖礦粉作為填料，以高黏瀝青作為膠結料進行OGFC-13型排水瀝青混合料設計。高黏瀝青的黏度較大，混合料的制備溫度相對較高，拌和溫度約為190℃，成型溫度約為185℃。排水瀝青混合料的設計空隙率較大，無法采用傳統的馬歇爾方法設計。選擇細、中、粗3種OGFC混合料級配(代號分別為OGFC-13F、OGFC-13M和OGFC-13C)及相應的目標空隙率，根據集料表面積計算值和合理的瀝青膜厚度，最終選擇確定初始瀝青用量。據此調整瀝青用量成型馬歇爾試件，依據試件空隙率與瀝青用量的變化關系確定最佳瀝青用量，并以謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗結果檢驗最佳瀝青用量的合理性。3個設計級配和對應的目標空隙率見表2。

表2 排水瀝青混合料的設計級配及目標空隙率表

預估排水瀝青混合料中集料的總表面積為A，由式(1)表示為

式中:a、b、c、d、e、f和g分別為 4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15和0.075 mm篩孔的通過百分率，%。

根據期望的瀝青膜厚度計算初試瀝青用量，由式(2)[20]表示為

式中:Pb為初試瀝青用量，%；h為瀝青膜厚度，μm。

對于OGFC型瀝青混合料，合適的瀝青膜厚度通常為14 μm。利用表2的數據計算3個合成級配的初試瀝青用量，分別為4.5%(OGFC-13F)、4.2%(OGFC-13M)和 3.7%(OGFC-13C)。

圍繞3個設計級配中各自計算所得的初試瀝青用量，進行上下浮動調整，拌制不同瀝青用量的瀝青混合料，并成型馬歇爾試件，試件空隙率與瀝青用量的對應關系如圖1所示。由圖可知，對應于目標空隙率，3個設計級配的最佳瀝青含量為分別為4.6%(OGFC-13F)、4.1%(OGFC-13M)和 3.9%(OGFC-13C)。

再次調整瀝青用量拌制瀝青混合料，并成型馬歇爾試件，以謝倫堡瀝青析漏試驗確定瀝青用量上限；以肯塔堡瀝青混合料飛散試驗確定瀝青用量下限，由此檢驗所確定的最佳瀝青用量的合理性。測試結果如圖2所示。利用析漏試驗和飛散試驗的曲線拐點確定了3種級配高黏瀝青混合料的瀝青用量上、下限，分別為4.4%和4.9%(OGFC-13F)、3.8%和4.4%(OGFC-13M)、3.7%和 4.2%(OGFC-13C)，取值均涵蓋了經由目標空隙率確定的最佳瀝青含量值。進而測試了最佳用量下各級配OGFC-13型高黏排水瀝青混合料的空隙率，分別為17.8%(OGFC-13F)、20.2%(OGFC-13M)和 21.9%(OGFC-13C)。

圖1 排水瀝青混合料空隙率與瀝青含量的變化關系圖

圖2 排水瀝青混合料析漏損失、飛散損失與瀝青含量的變化關系圖

3 排水路面高黏瀝青混合料性能測試

在最佳瀝青用量下，拌制3種級配的高黏排水瀝青混合料。以車轍試驗、彎曲試驗、凍融劈裂試驗和疲勞試驗評價混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性和疲勞性能。鑒于橡膠改性瀝青膠結料在排水瀝青路面中應用廣泛[21-22]，以表1中的穩定型橡膠改性瀝青作為膠結料，成型了相同級配組成的排水瀝青混合料進行對比試驗。車轍試驗動穩定度、彎曲試驗破壞應變、凍融劈裂試驗劈裂強度比的測試結果見表3。高黏排水瀝青混合料的動穩定度＞6 000次/mm，約為穩定型橡膠改性瀝青混合料的2倍，破壞應變和凍融劈裂強度比也均高于后者，表明出良好的高溫、低溫和水穩定性。由表3可知，采用較小的設計空隙率和較高的瀝青用量有助于排水瀝青混合料獲得較大的動穩定度和破壞應變值，但對路面排水不利。進行排水瀝青混合料設計時，路用性能和排水功能的協調取舍是需要考慮的問題。

表3 動穩定度、破壞應變和劈裂強度比測試結果表

在20℃條件下進行四點彎曲疲勞試驗，用以測試高黏排水瀝青混合料的疲勞壽命。試驗采用應變控制模式，施加半正弦重復荷載，荷載頻率為10 Hz，采用600、800和1 000微應變的應變水平[10]。測試結果如圖3所示。排水瀝青混合料的疲勞壽命受應變水平、空隙率和瀝青膠結料的性質影響。疲勞壽命與應變水平呈半對數坐標下的直線關系，隨著應變水平的增加而降低，這與常規瀝青混合料具有相似的規律。設計空隙率增大，疲勞壽命降低；相同的空隙率水平下，采用高黏瀝青作為膠結料時，排水瀝青混合料的疲勞壽命明顯高于穩定型橡膠改性瀝青。

圖3 排水瀝青混合料疲勞壽命與應變水平的變化關系圖

4 結論

通過分析，得到以下結論:

(1)自主研發的高黏瀝青具有優良的技術性能，60℃動力黏度達到了9.6×104Pa·s，對提高排水瀝青混合料的強度有利，從而提高了混合料的抗沖擊飛散能力、抗高溫車轍能力和抗低溫開裂能力。

(2)排水瀝青混合料的疲勞壽命與微應變水平呈對數坐標下的直線關系，隨著應變水平的增加而降低。相同的空隙率水平下，采用高黏瀝青作為膠結料時，排水瀝青混合料的疲勞壽命明顯高于穩定型橡膠改性瀝青，高黏瀝青用于排水瀝青混合料各項路用性能優勢顯著，具有應用潛力。