市政道路排水瀝青混合料路用性能評價

■羅 鑫

（深圳市綜合交通設計研究院有限公司湖南分院，長沙 410006）

1 引言

相關(guān)研究表明，早期的市政道路建設中約有一半以上為不透水路面，道路的硬化處理施工使得地表水無法滲透到土壤中。 隨著“海綿城市”理念的興起，要求城市開發(fā)要提高雨水利用率，形成水資源循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)。 而排水瀝青路面是海綿城市建設過程中的重要環(huán)節(jié)， 應實現(xiàn)路面雨水的快速過濾、滲透，增強城市綠色生態(tài)發(fā)展能力[1-3]。

楊星皓[4]針對國內(nèi)排水瀝青路面的應用發(fā)展進行分析，認為混合料的空隙率是影響滲水效果的關(guān)鍵因素；李明亮[5]研究了混合料抗車轍能力與空隙率的關(guān)系，認為路面的車轍病害不影響路表排水效果；高桂海[6]采用了不同纖維材料進行排水瀝青路面的性能增強試驗研究，認為玄武巖纖維對其性能的提升效果作為顯著；劉暉[7]結(jié)合室內(nèi)排水瀝青路面試驗分析，認為混合料空隙率直接影響到路表噪聲吸納效果；許斌[8]結(jié)合剎車制動試驗分析了排水瀝青路面的抗滑性能，認為排水瀝青路面的抗滑性能優(yōu)于普通瀝青路面；馬翔[9]結(jié)合實際排水瀝青路面調(diào)研分析，認為采用內(nèi)低外高的橫坡施工技術(shù)方案可降低混合料空隙堵塞概率。 陳鋒[10]通過有限元數(shù)值模擬分析，推薦了不同施工組合方案下混合料空隙率的適宜范圍；王東凱[11]結(jié)合排水瀝青路面的長期性能進行研究，認為空隙率的變化是影響路面排水效果和力學性能的關(guān)鍵因素。 上述研究表明：空隙率是排水瀝青路面的關(guān)鍵設計參數(shù)，直接影響到排水瀝青路面的各項路用性能，建立排水瀝青路面空隙率和相關(guān)路用性能的數(shù)學模型，有利于確定排水瀝青路面適宜空隙率的設計范圍。

本研究采用兩種不同高黏劑分別制備OGFC排水瀝青混合料，并分別對其空隙率、滲水系數(shù)、高溫性能、低溫性能及動態(tài)模量進行研究，探究不同各路用性能隨空隙率的變化規(guī)律，旨在進一步科學指導排水瀝青路面的施工應用。

2 原材料與配合比設計

2.1 集料

研究選用的粗細集料均為玄武巖，其技術(shù)指標如表1 所示。

表1 粗細集料技術(shù)指標

2.2 高黏改性瀝青

排水瀝青路面具有混合料空隙率大，內(nèi)部結(jié)構(gòu)易失穩(wěn)的特點， 要求瀝青膠結(jié)料具備較強的黏聚性，能夠有效裹附集料表面，促進骨架結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定。 研究常采用高黏劑材料與基質(zhì)瀝青融合制備高黏改性瀝青，可有效解決集料與瀝青膠漿界面剝落等問題。 本文選用TPS 和HVA 兩類高黏劑材料制備高黏改性瀝青，瀝青改性前后的主要技術(shù)指標如表2 所示。

表2 瀝青技術(shù)指標

通過兩類高黏改性瀝青性能試驗對比分析可知（表2），高黏劑材料可以顯著提升材料的黏度等級，而相較于TPS 改性劑，HVA 對瀝青的改性效果更為顯著。

2.3 纖維

排水瀝青路面具有大空隙特征，外摻木質(zhì)素纖維可以起到吸油穩(wěn)定作用，其技術(shù)指標如下：纖維長度為9 mm、 灰分含量為16.5%、pH 值為7.65、含水率為2.36%、吸油率為5.7%。

2.4 填料

本文選用石灰?guī)r礦粉作為混合料的填料，其表觀密度為2.76 g/cm3，含水量為0.23%。

2.5 配合比設計

研究選用OFGC-13 級配作為混合料成型的配合比設計級配，為了進一步探究混合料的空隙率與相關(guān)路用性能間的關(guān)聯(lián)作用，以13.2 mm 粒徑為關(guān)鍵篩孔，調(diào)整了0～13.2 mm 內(nèi)集料的組成比例，共設計了5 組OGFC-13 目標級配，其級配曲線如圖1 所示。

圖1 混合料OGFC-13 級配曲線

研究采用析漏損失和飛散損失來計算最佳油石比， 以級配一為代表的TPS 改性瀝青混合料為例，其析漏損失和飛散損失隨油石比的變化曲線如圖2 所示。

圖2 TPS 改性瀝青混合料（級配一）析漏損失、飛散損失-油石比曲線

通過析漏損失、飛散損失隨油石比變化曲線的分析可知，級配一下TPS 高黏改性瀝青混合料的最佳油石比為5.1%。 同理，對其余不同級配下混合料的油石比進行確定，并測定馬歇爾試件的空隙率和有效空隙率，結(jié)果如表3 所示。

表3 TPS 改性瀝青混合料馬歇爾技術(shù)指標

由于5 種不同級配對于13.2 mm 關(guān)鍵篩孔的通過率要求不同，使得級配五的大粒徑粗集料含量較多，集料整體的比表面積減少，在混合料拌合成型過程中所需的瀝青用量減少。 為進一步對比分析HVA 高黏改性瀝青混合料的性能差異，需控制HVA高黏改性瀝青混合料的空隙率與TPS 改性瀝青混合料一致， 采用與TPS 改性瀝青混合料相同的5 種級配設計和最佳油石比進行混合料的拌合制備。

3 排水瀝青混合料路用性能研究

3.1 滲水系數(shù)

滲水系數(shù)是評價排水路面滲水效果的關(guān)鍵指標， 傳統(tǒng)密實型和SMA 型級配瀝青混合料滲水系數(shù)均小于600 mL/min，研究采用標準馬歇爾試件在特定滲水裝置中進行試驗，測試單位時間內(nèi)通過混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)空隙的體積， 從而計算得到滲水系數(shù)。 將不同空隙率下兩類高黏改性瀝青混合料的滲水系數(shù)值進行匯總，如圖3 所示。

圖3 混合料滲水系數(shù)

由圖3 和圖4 可知，兩類不同瀝青混合料的滲水系數(shù)隨空隙率的增大而逐漸增大，當混合料的空隙率大于20%以上時，滲水系數(shù)的增長速率更為明顯；其主要原因是混合料空隙率增大的同時，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有效空隙率增大， 當空隙率達到一定程度時，會使得水在壓力下水流朝垂直方向流動，進一步拓展了內(nèi)部空隙連通率，提升了混合料的滲水系數(shù)。 而兩類混合料在不同空隙率下對應的滲水系數(shù)較為接近，說明混合料的滲水系數(shù)主要與空隙率大小有關(guān)，受混合料中高黏劑類型的影響較小。 將混合料的滲水系數(shù)和空隙率進行曲線擬合，能夠形成較好的一元二次擬合方程。

圖4 混合料滲水系數(shù)-空隙率擬合曲線

3.2 高溫穩(wěn)定性

排水瀝青路面的空隙率較普通瀝青路面更大，亦會對高溫緩環(huán)境下車轍變形產(chǎn)生影響。 通過對兩種不同高黏劑改性瀝青混合料的高溫性能進行研究， 分析不同空隙率下混合料的動穩(wěn)定度變化規(guī)律，試驗結(jié)果如圖5 所示，將車轍加載60 min 時混合料試件的車轍深度進行匯總，如圖6 所示。

圖5 不同空隙率下混合料動穩(wěn)定度變化情況

圖6 不同空隙率下混合料車轍深度變化情況

由圖5、6 可知， 隨著混合料空隙率的增加，動穩(wěn)定度呈先上升后下降的趨勢，車轍深度呈先下降后上升的趨勢。HVA 高黏改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度整體高于TPS 高黏改性瀝青混合料，在5 種不同空隙率下，HVA 高黏改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度較TPS 高黏改性瀝青分別增長了17.74%、10.42%、9.97%、4.03%和11.07%。當混合料的空隙率在20%左右時， 兩種瀝青混合料的動穩(wěn)定度值均達到最大，其主要原因是：排水瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強度主要靠集料的骨架支撐、嵌擠作用，當混合料的空隙率較小時，混合料中的細集料較多，粗集料的接觸面積削弱，骨架嵌擠作用不夠明顯；當空隙率大于一定程度時，混合料中的油石比有所降低，會削弱材料整體的黏聚性，也會導致混合料的嵌擠能力減低，結(jié)構(gòu)完整性不足。 20.3%空隙率下，TPS 和HVA改性瀝青混合料60 min 的車轍深度分別為2.16 mm 和2.07 mm，也驗證了HVA 高黏劑對混合料高溫性能的增強效果更為顯著。

3.3 低溫抗裂性

瀝青混合料是感溫性材料，隨著路表溫度的變化，混合料的強度和抗裂性能也會隨之改變，考慮到冬季雨雪天氣下路表溫度常低于0℃， 研究采用低溫抗裂試驗來評價混合料的低溫抗開裂性能，對兩種高黏劑改性瀝青混合料在不同空隙率下的抗彎拉強度、破壞應變等指標進行匯總，結(jié)果如圖7～9所示。

圖7 混合料抗彎拉強度變化情況

圖8 混合料破壞應變情況

圖9 混合料勁度模量變化情況

由圖7～9 可知， 隨著混合料空隙率的變大，混合料的抗彎拉強度和破壞應變逐漸降低，勁度模量逐漸增大， 且HVA 高黏改性瀝青混合料的各項指標均略高于TPS 高黏改性瀝青混合料，在20%左右空隙率下，前者的破壞應變較后者提升了約2%。這是由于HVA 是一種高分子聚合物高黏改性劑材料，與瀝青和集料進行拌合后能夠顯著提升材料的黏聚性和裹附性，增強集料間的嵌擠作用，盡管混合料的空隙率增大會削弱材料整體的強度，但高黏劑中的有效彈性組分能夠增強材料的延展性，能夠緩解低溫環(huán)境下外部荷載的開裂破壞影響。

3.4 動態(tài)模量

上述研究表明： 混合料空隙率的增大會增強材料的滲水性能，削弱低溫抗裂性能，高溫性能呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。因此，研究選用目標20%空隙率的兩類高黏排水瀝青混合料進行動態(tài)模量試驗，溫度參數(shù)為5℃、20℃、35℃，加載頻率分別為1 Hz、5 Hz、10 Hz、15 Hz， 相關(guān)試驗結(jié)果如圖10～11所示。

圖10 TPS 高黏改性瀝青混合料動態(tài)模量情況

由圖10 和圖11 可知，隨著試驗加載頻率的增加，混合料的動態(tài)模量逐漸降低，在低頻率下HVA高黏改性瀝青混合料的動態(tài)模量要顯著高于TPS高黏改性瀝青混合料， 而加載頻率為15 Hz 時，兩種瀝青混合料的動態(tài)模量較為接近。 此外，隨著環(huán)境溫度的提高，混合料的動態(tài)模量也會逐漸降低，當試驗溫度達到35℃時， 兩種瀝青混合料的動態(tài)模量相差不大。 相較于高黏劑種類對混合料動態(tài)模量的影響， 加載頻率和試驗溫度對其的影響更為顯著。

圖11 HVA 高黏改性瀝青混合料動態(tài)模量情況

4 結(jié)語

本研究采用TPS 和HVA 高黏劑分別制備排水瀝青混合料并進行試驗研究，得到以下結(jié)論：（1）混合料空隙率的增加會提升排水瀝青路面的滲水系數(shù)，相較于高黏劑材料類型，空隙率的大小對瀝青路面的滲水效果起到直接關(guān)鍵影響作用。 （2）排水瀝青路面的高溫穩(wěn)定性隨空隙率的增加呈先上升后下降的趨勢，20%左右空隙率下混合料的高溫穩(wěn)定性最優(yōu)， 且HVA 高黏改性瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于TPS 高黏改性瀝青混合料。 （3）隨著混合料空隙率的增加， 材料的低溫抗裂性能逐漸降低，但HVA 高黏改性瀝青混合料的低溫抗裂性能整體優(yōu)于TPS 高黏改性瀝青混合料。 （4）HVA 高黏改性瀝青混合料的動態(tài)模量略高于TPS 高黏改性瀝青混合料，相較于高黏劑類型，加載頻率和試驗溫度對混合料的動態(tài)模量影響更為顯著。