排水瀝青混合料PAC-13材料組成設計研究

陳劍 陳杰 王彬

摘要：為了研究排水瀝青混合料PAC-13材料組成設計，文章進行了2.36mm篩孔通過率對排水瀝青混合料體積指標的影響規律研究以及油石比對排水瀝青混合料的空隙率、連通空隙率、瀝青析漏損失、混合料飛散損失的影響規律研究，提出排水瀝青混合料PAC-13礦料級配設計方法及最佳油石比確定方法，并對設計的排水瀝青混合料PAC-13進行了路用性能驗證。研究結果表明，2.36mm篩孔通過率與排水瀝青混合料的空隙率具有高度相關性，油石比對排水瀝青混合料性能指標影響顯著，采用本文設計方法得到的排水瀝青混合料具有良好的路用性能。瀝青膠結料性能對排水瀝青混合料的抗飛散損失、高溫穩定性及水穩定性有顯著影響，瀝青膠結料軟化點、動力黏度及黏韌性指標越高，排水瀝青混合料性能越好。

關鍵詞：道路工程;排水瀝青混合料;材料組成設計;礦料級配;路用性能

0 引言

排水瀝青路面是由80%左右的粗集料和少量的細集料、填料及瀝青膠結料組成的骨架-空隙結構，空隙率是常規密級配瀝青路面空隙率的3～4倍。由于排水路面特有的大孔隙和骨架嵌鎖結構，使排水路面具有良好的降噪、高溫抗車轍及抗滑性能，雨天可降低行車水漂和水霧等情況的出現，顯著提高路面行車安全性，是世界公認的高安全性、高舒適性和高環保性的功能路面，在日本、美國、歐洲得到廣泛的推廣應用。近年來，排水瀝青路面鋪裝在國內也引起行業的廣泛關注，業內對排水瀝青路面的性能進行了較全面的研究。張昶[1]等人通過對比埃索70#瀝青、PE改性瀝青及PE高粘瀝青對排水瀝青混合料飛散損失、水穩定性能影響，結果表明空隙率越大，瀝青膠結料對排水瀝青混合料性能影響越顯著。馬翔[2-3]等人通過對比4種改性瀝青對排水瀝青混合料性能的影響，發現瀝青膠結料在60℃動力黏度、復數剪切黏度及黏韌性等方面與混合料的耐久性、強度性能、高溫穩定性能有良好的相關性，并提出以60℃動力黏度、復數剪切黏度及黏韌性作為排水路面用瀝青膠結料選擇的關鍵指標。陳華鑫[4]等人對世界上主要國家采用排水瀝青路面的設計方法進行了介紹，認為日本在排水瀝青路面設計方法上更為完善，在最佳瀝青用量方面，大部分國家主要參考肯塔堡飛散和析漏損失來綜合確定。我國《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40-2004）對OGFC設計方法有簡單的介紹，也是主要參考日本排水瀝青路面設計方法。蔣瑋[5]等人通過CT掃描、圖像處理及重構技術對多孔瀝青

混合料細觀空隙特征進行了研究，發現空隙等效直徑、空隙數量與混合料性能有良好的相關性。相對于密級配瀝青混合料，排水瀝青混合料性能受材料組成設計影響更為顯著，如何選擇性能優良的瀝青膠結料及礦料級配將直接影響著排水路面的路用性能。本文研究了礦料級配、油石比及瀝青性能對排水瀝青混合料性能的影響，均衡透水功能性及高抗飛散性能進行排水瀝青混合料PAC-13材料組成設計，并對比驗證了兩種高粘瀝青混合料的路用性能。

1 原材料

試驗中的母體瀝青分別選用新加坡殼牌70#瀝青、國創SBS改性瀝青，技術指標如表1所示。試驗采用優質的輝綠巖粗集料及石灰巖細集料，填料采用石灰巖礦粉。為了減少試驗誤差，集料全部采用單粒徑進行配料，各檔集料表觀密度如表2所示。

試驗采用某公司生產的高粘劑對兩種母體瀝青進行改性，加工的高粘瀝青A采用70#道路石油瀝青，高黏度改性劑內摻量為12%，加工工藝[6-7]為剪切溫度170℃+快剪50min+發育120min。加工的高粘瀝青B采用SBS改性瀝青，高粘劑內摻量為8%，加工工藝為剪切溫度180℃+快剪50min+發育120min。采用兩種母體瀝青制備的高粘瀝青關鍵技術指標如表3所示。

從表3可以看出，在軟化點、60℃動力黏度及黏韌性關鍵技術指標上，高粘瀝青B性能明顯優于高粘瀝青A，本文采用高粘瀝青B進行排水瀝青混合料性能試驗。

2 設計方法

2.1 礦料級配優化設計

本次礦料級配設計參考《排水瀝青路面設計與施工技術細則》中礦料級配范圍，通過改變2.36mm篩孔通過率，初選粗、中、細3種礦料級配。2.36mm篩孔通過率分別為規范級配范圍中值P2.36、P2.36+3%、P2.36-3%。礦料級配如表4所示。

采用式（1）和式（2）分別計算三種礦料級配的初試瀝青用量，并進行馬歇爾試驗。三種礦料級配下體積指標如表5所示。

從圖1可以看出，隨著2.36mm篩孔通過率增加，混合料的空隙率逐漸減小。在一定范圍內，2.36mm篩孔通過率與空隙率具有良好的線性關系，相關系數達到0.975。為了提高其透水性能，以20%目標空隙率進行控制，采用擬合的關系式計算，目標空隙率為20%時，2.36mm篩孔通過率為11%。則優化后的礦料級配如表6所示。

2.2 最佳油石比的確定

以優化后的礦料級配進行5組油石比的析漏試驗、肯塔堡飛散試驗、馬歇爾試驗，分別測試不同油石比下的瀝青析漏損失、混合料飛散損失、馬歇爾試件的體積指標及透水系數。試驗結果如表7和表8所示。

根據表7繪制析漏損失及飛散損失與油石比關系曲線，如圖2和圖3所示。根據表8繪制空隙率、連通空隙率與油石比關系曲線，如圖4所示。

由圖2可以看出，隨著油石比的增加，瀝青析漏損失逐漸增大，在油石比達到4.52%時出現“拐點”，當油石比>4.52%時析漏損失急劇增大，這表明當油石比>4.52%時，瀝青混合料中的自由瀝青急劇增加，已經出現明顯的流淌，將不利于施工質量的控制。由圖3可以看出隨著油石比的增加，飛散損失逐漸減小，在油石比達到4.04%時出現“拐點”，當油石比>4.04%時飛散損失處在較低的水平，這表明油石比>4.04%時，混合料中的結構瀝青與細料形成的瀝青膠漿具有良好的粘結性能，能夠較好地抵抗荷載沖擊作用。因此，以析漏損失“拐點”為油石比上限OACmax，以飛散損失“拐點”為油石比下限OACmin，則以析漏試驗及飛散試驗確定的油石比范圍為4.04%～4.52%。

由圖4可以看出，隨著油石比的增加，空隙率和連通空隙率均逐漸減小，在4.04%～4.52%油石比范圍內，空隙率在20.7%～21.%之間，連通空隙率在14.3%～15.3%之間，能夠保障混合料具有良好的透水性能。考慮到排水路面最主要的病害類型為飛散掉粒，因此在保證混合料透水功能的前提下盡可能提高結合料含量以提升其抗飛散性能，則取最佳油石比為：OAC=OACmin+0.75（OACmax-OACmin）=4.4%。根據表8及圖4可以得到4.4%油石比下混合料空隙率為20.7%的結果，與設計的目標空隙率比較接近，也說明了采用擬合的公式進行排水瀝青混合料的礦料級配設計具有可行性。

3 性能驗證

分別采用高粘瀝青A和高粘瀝青B進行肯塔堡飛散試驗、60℃車轍試驗、浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗。試驗結果如表9所示。

由表9可以看出：

（1）高粘瀝青B排水瀝青混合料的高溫性能及水穩定性均能達到較高的水平，這表明采用本設計方法得到的排水瀝青混合料具有良好的路用性能，可滿足排水瀝青路面的使用性能要求。

（2）高粘瀝青A排水瀝青混合料具有較高的動穩定度，但仍然明顯低于高粘瀝青B混合料。這主要是因為排水瀝青混合料的礦料中粗集料偏多，能形成良好的骨架嵌擠結構，且高粘瀝青具有較好的粘結性能和高溫穩定性，因此動穩定度能達到較高的水平。而混合料的高溫穩定性主要受礦料級配及瀝青膠結料性能影響，在礦料級配相同的情況下，高粘瀝青B形成的瀝青膠漿表現出更優異的粘結性能，因此具有更好的高溫穩定性。

（3）高粘瀝青A混合料水穩定性明顯低于高粘瀝青B混合料。這主要是因為排水瀝青混合料具有較大的空隙結構，水分較容易進入混合料內部，經過凍融循環后對混合料內部的瀝青膠漿粘結性能造成較大的影響，瀝青膠結料的性能會顯著影響排水瀝青混合料的水穩定性。

（4）根據表3和表9可以看出，瀝青膠結料的動力黏度、軟化點及黏韌性越高，排水瀝青混合料的抗飛散性能、高溫穩定性及水穩定性越好。以軟化點、60℃動力黏度及黏韌性作為瀝青膠結料選擇的關鍵控制指標可有效改善排水瀝青混合料的路用性能。

4 結語

（1）礦料級配對排水瀝青混合料體積指標有顯著影響。2.36mm篩孔通過率與空隙率具有良好的相關性，對優化設計的礦料級配進行驗證后，得出最佳油石比下的空隙率為20.7%的結果，與設計的目標空隙率較一致，說明采用此方法進行排水瀝青混合料的礦料級配設計具有可行性。

（2）采用瀝青析漏損失及飛散損失“拐點”的方法確定排水瀝青混合料的油石比范圍，綜合考慮透水功能性及高抗飛散性后確定排水瀝青混合料最佳油石比為4.4%，并驗證了此油石比下高粘瀝青B混合料具有良好的路用性能。

（3）根據高粘瀝青A和高粘瀝青B的性能及混合料路用性能的對比，表明瀝青膠結料對排水瀝青混合料性能有顯著影響。在進行排水瀝青混合料設計時，應以軟化點、60℃動力黏度及黏韌性作為主要技術指標進行控制，有利于改善排水瀝青混合料路用性能。

參考文獻：

[1]張 昶，梅迎軍，吳金航，等.PA排水性瀝青混合料水穩定性研究[J].公路，2014，59（4）：201-204.

[2]鄭求才，袁迎捷，鄭競友，等.不同高粘瀝青對排水路面性能的影響研究[J].中外公路，2008（3）：144-147.

[3]馬 翔，倪富健，陳榮生.瀝青指標對排水性瀝青混合料性能的影響[J].東南大學學報（自然科學版），2008（2）：265-268.

[4]陳華鑫，邢明亮，陳拴發.排水瀝青混合料設計方法綜述[J].公路，2008（10）：152-156.

[5]蔣 瑋，沙愛民，肖晶晶，等.多孔瀝青混合料的細觀空隙特征與影響規律[J].同濟大學學報（自然科學版），2015，43（1）：67-74.

[6]陳 劍，陳 杰，周智密.加工工藝對高粘瀝青性能的影響研究[J].西部交通科技，2019（6）：33-37.

[7]陳 瑤，譚憶秋，陳克群.TPS改性劑對高粘瀝青性能的影響[J].哈爾濱工業大學學報，2012，44（6）：82-85.

[8]JTGF40-2018，公路瀝青路面施工技術規范[S].