摻高黏劑透水瀝青混合料配合比設計及性能研究

王志峰 白曉茹

（新疆興亞工程建設有限公司，昌吉 831100）

透水瀝青混合料(porous asphalt concrete,PAC)是一種具有連通空隙的開級配瀝青混合料, 因其良好的透水抗滑性能而在國內外得以廣泛引用[1-3]。

發達國家對于透水瀝青混合料的研究開展時間較早,早在1950 年就已經開始在道路上投入使用。 在開發初期,透水瀝青混合料主要運用在高速公路和住宅區道路。由于透水瀝青混合料具有道路防滑以及降低噪音污染等功能,因此比較適用于運行車速較快、車流量大的路面上,甚至在飛機場道路建設中也有應用[4-8]。 但透水瀝青混合料的高空隙率致使它抵抗外界侵蝕能力較差,如易發生瀝青膜老化現象[9],且抗壓、抗剪切能力差,所以在地形復雜、地勢較陡或車流量較大地區較少使用。 在現階段,我國的經濟增長處于一個高速水平,越來越多的私家車、運輸車輛加重了服役路面的荷載,導致其出現一系列早期病害。 因此,以提高透水瀝青混合料路用性能為目標,研究添加高黏劑后透水瀝青混合料的配合比設計。研究成果對于提高透水瀝青路面路用性能具有重要意義。

1 原材料

原材料包括集料、 苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(styrene-butadiene-styrene block copolyner,SBS)改性瀝青、高黏劑(High Viscosity Agent,HVA)。 原材料的性能指標合格與否關系到瀝青混合料質量。 根據規定的試驗方法,對試驗原材料進行技術性能檢測。

此次試驗采用的HVA 是專門設計用來解決瀝青路面在高溫下易變形、 在交通負擔大路段易發生結構破壞的問題。 在工程實際運用中有優異的表現。 試驗中HVA改性劑添加量按瀝青用量計算,具體為m(HVA)∶m(SBS 改性瀝青)=8∶92。 其質量符合技術要求,見表1。

表1 HVA 性能指標

2 透水瀝青混合料配合比設計

瀝青混合料配合比設計主要是采用馬歇爾擊實試驗法、旋轉壓實試驗法和赫威姆(Hveem)法。 只要步驟得當,都可以設計出符合要求的瀝青混合料[10]。 因為盡管方法有差異,但混合料的配合比始終是圍繞級配、油石比的確定。 所設計的透水瀝青混合料技術要求見表2。

表2 透水瀝青混合料技術要求

2.1 礦料級配組成設計

試驗采用的集料分為兩種,1#、2#、3# 料使用玄武巖和4# 料使用石灰巖。試驗中采用的集料各項性能指標均符合《公路工程集料試驗規程》(JTG E42-2005)中規定的要求,集料表面無污物,不含風化產生的細小顆粒,形狀規整,扁平狀集料含量少。在大多數試驗的前提下,透水瀝青混合料的級配設計, 關鍵在于將2.36 mm 篩孔通過率控制在14.5%左右。 各檔集料的篩分結果見表3,分別依照級配范圍的上值、中值、下值來確定2.36 mm 篩孔的通過率(見表4),級配曲線見圖1。

表3 集料的篩分結果

表4 PAC-13 瀝青混合料級配設計

圖1 PAC-13 設計級配曲線圖

2.2 最佳油石比確定

礦料級配確定后, 根據以往試驗經驗及初始瀝青用量的計算公式,將初始瀝青用量定為5%。 在確定最佳瀝青用量時,一般在初始瀝青用量基礎上,以0.5%的增減幅度,選取5 組油石比4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%。 按照所選取的5 組油石比拌和透水瀝青混合料, 制成馬歇爾試件，進行析漏試驗與飛散試驗。根據試驗結果分析最佳油石比。

2.2.1 析漏試驗

析漏試驗是大空隙混合料檢驗中一個關鍵手段,由該試驗可得知在瀝青混合料中有沒有自由的瀝青或者瀝青瑪蹄脂, 上述兩者的存在會使得混合料在運輸過程之中發生離析的現象,從而讓瀝青混合料質量大打折扣。 具體操作步驟如下：準備1 只潔凈燒杯,容量為800mL,燒杯需保證干燥,稱取其質量。將1kg 瀝青混合料倒入燒杯,共同放置在天平上,稱取總質量。將玻璃板迅速蓋住燒杯口,放入(185±2)℃烘箱中,保溫約1h 后取出,過程中應避免大幅搖晃或劇烈震蕩, 令燒杯口朝下迅速放置在玻璃板上,靜置幾秒后稱取燒杯質量, 包含黏附在燒杯上剩余瀝青混合料的質量,精確到0.1g。 最后將數據代入規范說明的公式中便可得到析漏值[11]。

2.2.2 飛散試驗

在路面交通壓力情況下, 因為瀝青和集料之間的黏結力不足從而導致集料剝落和飛散, 這樣就形成了路面凹槽現象[12]。 所以為了盡量保證路面質量,在建設之前進行飛散試驗比較關鍵。 主要功能是評價路面因為瀝青數量不足或者黏結力不夠而出現材料脫落或者飛散的嚴重程度。 飛散試驗的目的是確定排水式大孔隙瀝青混合料瀝青用量的最小值[13]。 選用洛杉磯磨耗試驗機,先將試驗材料放置在19.5～20.5℃的水浴環境之中約20h,達到時間后將它取出并測質量。 將材料放入試驗機器之中,因試驗要求不添加鋼球,蓋上蓋子,按照規范,在進行飛散試驗時,試件需單獨測試,不可將兩個試件同時加入。 因為試件在儀器中相互碰撞磨損會在很大程度上影響試驗結果。 發動機器,將轉速設置為30r/min,旋轉次數為300次。 試驗結束后,挑選殘余試件中體積最大的一塊,若體積相近便逐個稱重比較,稱取質量,相同配合比的瀝青混合料試件不少于3 個。 一次試件測試完成后,及時清掃儀器內碎屑。

2.2.3 確定最佳瀝青用量

在析漏試驗所得到的圖中取變化速率明顯的點作為“拐點”[14]。 根據上述“拐點”可確定一個初始瀝青用量的范圍,一般會對用量進行適當的調整,調整幅度是根據經驗或馬歇爾理論取兩個數值之間一個普遍認為比較合理的數值作為瀝青用量。 在這個條件下,上述兩個試驗的損失率必須在規定范圍內。

飛散損失和析漏損失與不同油石比的曲線關系見圖2。根據析漏損失曲線,油石比為4%～5%處曲線較為平緩,5%～6%處曲線變陡,因此5%處曲率變化明顯,故認為油石比為5%處是“拐點”。 根據飛散損失曲線,油石比為4%～4.5%處曲線較為陡峭,4.5%～6%處曲線變緩, 因此4.5%處曲率變化明顯,故認為油石比為4.5%處是“拐點”。綜合兩圖曲線得出,瀝青用量的區間為4.5%～5%,選取最佳油石比為4.6%[15]。

圖2 飛散損失和析漏損失與不同油石比的關系

2.3 馬歇爾試驗及結果

上述試驗確定了透水瀝青混合料礦料級配為：m(1號 料)∶m(2 號料)∶m(3 號料)∶m(4 號料)∶m(礦 粉)=31∶49∶7.5∶10.5∶2,最佳油石比取4.6%。 按照規范將試件成型,測定相關性能,均滿足規范,試驗結果見表5。

表5 PAC-13 瀝青混合料馬歇爾試驗結果

3 路用性能

采用m(HVA):m(SBS 改性瀝青)=8:92 量的高黏劑,油石比4.6%進行路用性能相關試驗, 試驗結果均符合規范要求,結果見表6～表10。

表6 瀝青混合料車轍試驗結果

表7 瀝青混合料低溫彎曲試驗結果

表8 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果

表9 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

表10 透水瀝青混合料疲勞試驗結果

由表6～表10 試驗結果可以得出, 在加入高黏劑后, 透水瀝青混合料各項路用性能指標均有不同幅度的上升。

(1)高溫穩定性。 加入HVA 高黏劑后,動穩定度上升明顯,增幅達到8%,表明在高溫天氣,HVA 高黏劑會有效減少車轍的產生,使道路在使用期限保障平整順滑。

(2)低溫抗裂性。 低溫彎曲試驗所破壞的小梁,在添加了HVA 高黏劑后,破壞試件所施加的最大荷載以及破壞時的跨中撓度都明顯高于未添加HVA 高黏劑的透水瀝青混合料。 因此抗彎拉強度提升了20%以上,且破壞應變也大大提升。

(3)水穩定性。添加HVA 高黏劑的透水瀝青混合料性能增幅趨勢并未明顯體現, 可認為在過高溫或過低溫的水損害情況下,高黏劑性能效果有所下降。

(4)疲勞試驗。650×10-6ε 和850×10-6ε 下,添加HVA 高黏劑的透水瀝青混合料的疲勞強度和累計耗散能都有大幅度提升,表明高黏劑在與瀝青結合后,使得其黏性增加,裹覆在集料表面,增加了混合料的黏結性,使得耐久性增加。

4 結語

在級配設計時將2.36 mm 篩孔通過率控制在14.5%左 右,確 定 混 合 料 礦 料 組 成 為m(1 號 料)∶m(2 號 料)∶m(3 號料)∶m(4 號料)∶m(礦粉)=31∶49∶7.5∶10.5∶2。 通過飛散試驗,以飛散損失≤15%為標準； 通過析漏試驗, 以析漏損失≤0.3%為標準, 再參照五種油石比下飛散和析漏試驗得出的曲線,得出透水瀝青混合料最佳油石比為4.6%。經馬歇爾試驗結果驗證,該油石比符合要求。 并進行路用性能試驗,結果發現在加入了高黏劑HVA 后,透水瀝青混合料的各項路用性能均得到提升。