成型溫度對排水瀝青混合料性能的影響研究

張 花

(山西省交通規劃勘察設計院有限公司 太原市 030032)

我國對于PAC路面的研究起步較晚，由于氣候、交通、材料和技術條件的差異，國外排水瀝青路面設計經驗難以滿足我國高等級公路的抗車轍和水損等耐久性需求[1]。經國內外研究發現，PA(即對應于PAC的混合料，簡稱PA)存在著結合料析漏、松散和脫層等問題，繼而影響路面的耐久性。目前國內外PA多采用聚合物改性瀝青如高粘瀝青作為粘結材料，加強瀝青對集料的粘結和裹覆能力[2]。由于采用聚合物改性瀝青，PA的拌和溫度達180℃左右，成型溫度較拌和溫度稍低。但過低的成型溫度會導致瀝青粘度較大，混合料壓實度不夠、空隙率增大等問題，影響路用性能；過高的成型溫度會導致瀝青老化及混合料滑移等問題，均對PA路用性能產生不利影響。選擇適宜的成型溫度范圍是保證PA路用性能的必要條件。《透水瀝青路面技術規程》[3]中并未規定成型溫度，而選擇適宜的成型溫度范圍是保證PA體積參數和路用性能的必要條件，故通過室內試驗研究成型溫度對PA性能的影響規律。

1 原材料和試驗方法

1.1 瀝青

PA為大孔隙結構，集料間為點―點接觸，對瀝青的粘結性能要求較高，故需采用高粘瀝青，高粘瀝青技術性能試驗結果如表1所示。

表1 高粘瀝青試驗指標

1.2 集料

排水瀝青混合料對集料的性能有較高要求，因此常采用玄武巖。玄武巖的物理力學性能見表2，各項性能指標均滿足《規范》[3]的要求。

表2 玄武巖的技術指標

1.3 級配

本文的目標級配選擇規范中PA-13級配的中值，如表3所示。按標準馬歇爾試驗方法進行最佳油石比的確定，最佳油石比為5.6%。

表3 PA-13級配

2 不同成型溫度對PA體積參數的影響研究

按《透水瀝青路面技術規程》成型透水瀝青混合料，其中級配取規范級配范圍的中值。探究成型溫度對PA的性能影響規律，包括PA的體積參數和路用性能，確定合理的成型溫度是保證研究意義的關鍵因素。魯正蘭[1]取間隔溫度為15℃或10℃，設置了從90～190℃的成型溫度進行路用性能研究；李秀君[5]按間隔溫度10℃對添加溫拌劑和未添加溫拌劑的瀝青混合料體積參數進行研究。《規程》[3]規定，PA的HMA(熱拌瀝青混合料)生產溫度控制中，加熱溫度一般為160～170℃，混合料出料溫度為170～185℃，出料溫度低于165℃或高于195℃的瀝青混合料按廢棄處理。

結合國內外試驗和規范對普通瀝青混合料和排水瀝青混合料的成型溫度的擬定方法，考慮到出料后至成型流程間存在的溫度損失，將本研究最低成型溫度定為150℃，最高成型溫度定為180℃，按照15℃為溫度間隔，即共計三組成型溫度：150℃、165℃和180℃。

按照制定三組溫度成型的PA標準馬歇爾試件，進行PA穩定度試驗，試驗結果見圖1和表4。數據說明成型溫度對PA的流值及穩定度影響明顯，當成型溫度為150℃時，PA受壓達到破壞點的垂直變形量過小，流值過低。總體規律為流值及穩定度均隨著PA成型溫度的降低而減少，且流值的減少幅度呈逐漸放緩趨勢。

表4 流值及穩定度

將三組溫度成型的PA標準馬歇爾試件脫模后測量試件的質量、直徑和高度，通過計算得到不同成型溫度下的平均空隙率[6]。其中，利用游標卡尺進行第一個成型試件脫模前測量的高度來判斷PA質量取值是否合理，標準馬歇爾試件的高度為63.5±1.3mm，以盡量將后續成型試件的高度控制在這一范圍內為目標，預估和調整混合料的稱取質量，例如第一個試件在直徑滿足要求的情況下，高度超限，則可以適當減少稱取的混合料質量，因此每個成型溫度的①號試件為試打試件，主要用于調整后續高度和直徑。標準馬歇爾試件應滿足直徑101.6mm±0.2mm，對于不達要求的試件需作廢處理。高度及空隙率試驗結果見表5，其中每組①號為試成型試件，關系圖見圖2。

表5 高度及空隙率

脫模后的PA試件直徑均為101.6mm，滿足規范要求。PA成型溫度165℃和180℃時，高度和空隙率均滿足規范要求；成型溫度為150℃時，由于試件①的高度超標，故調整了混合料稱取質量，平均高度滿足規范要求，但計算空隙率偏大，不滿足《規程》[3]中容許偏差±1%要求。

在PA試件①成型后測量未脫模的高度值雖然可以對后續試件稱取質量進行調整，但對空隙率的影響不大，當PA在150℃成型時就能很好地驗證這一點。總體規律為空隙率隨著PA成型溫度的降低而升高，在相同質量下較高的成型溫度擁有較低的空隙率以及試件高度。

成型溫度是造成在相同級配和油石比條件下PA試件空隙率不同的因素之一，當成型溫度低于一定水平時，高粘瀝青的流動性會降低。在用稱勺挖取混合料的時候就能感受到150℃下混合料的粘結阻力明顯增強，在雙面擊實后PA試件的高度也較高，這與推測規律一致。此外，從圖4成型溫度與空隙率曲線中，空隙率線在150℃的切線斜率大于180℃的切線斜率可以推測，隨著成型溫度的進一步降低，PA空隙率增大的現象會更加嚴重。因此若要滿足目標空隙率的范圍、保證施工質量，就必須對成型溫度進行嚴格把控。

3 不同成型溫度對PA路用性能的影響研究

體積參數反映了PA內部結構的合理性，而其高溫穩定性、水穩定性和抗飛散性則是保障PAC路面良好耐久性的關鍵指標，有必要對其進行研究。表6為不同成型溫度對PA各項路用性能的影響研究結果。

表6 PA路用性能

由表6可以看出，成型溫度180℃和165℃的PA試件殘留穩定度均滿足規范要求，成型溫度150℃的殘留穩定度低于規范要求且差距較大，僅為72.1%。殘留穩定度數值反映了隨著成型溫度的降低，殘留穩定度迅速下降，150℃時的殘留穩定度不能滿足規范大于75%的要求。高溫性能方面，成型溫度180℃的60℃動穩定度滿足《排水路面技術細則》的要求，而165℃和150℃的動穩定度不滿足要求。以成型溫度180℃為參考對象，動穩定度隨著成型溫度的降低而迅速降低，且150℃和165℃的車轍變形量差異較大。需要注意的是，成型溫度165℃的PA動穩定度相比180℃僅為1/3左右，這一現象在三組重復性試驗中都存在，動穩定度的銳減使165～180℃這一成型溫度區間內的變化規律不夠明朗。最后飛散性能方面，成型溫度180℃、165℃和150℃的PA試件飛散損失均滿足≤15%的規范要求。說明成型溫度雖然對PA的飛散性能有影響，較低成型溫度的PA飛散損失較大，但依然沒有十分明顯的抗飛散性能下降情況發生。可見相比于成型溫度，油石比是影響飛散性能更為關鍵的因素之一。

4 結語

根據國內外研究經驗和規范要求確定了PA試驗的成型溫度范圍，研究不同成型溫度對PA體積參數和路用性能的影響。得出的主要結論如下：

(1)成型溫度為165℃和180℃時，PA的流值及穩定度均滿足要求，且變異性不大；成型溫度為150℃時，PA的穩定度滿足要求，流值不滿足要求。

(2)在合理的成型溫度范圍內，PA穩定度基本隨著溫度的升高而線性增加，流值隨著溫度的升高而增加，增幅逐漸放緩。由于PA的粗集料偏多，流值普遍處于規范要求范圍的較低水平，即試件的抗變形能力一般，若有對PA的變形性能需求，可以適當增大油石比或增加細集料比例。

(3)在保證試件合理高度的前提下，成型溫度為165℃和180℃時，PA的空隙率滿足要求；成型溫度為150℃時，空隙率偏大，不滿足規范要求。

(4)在控制馬歇爾試件合理高度范圍的前提下，出料稱取質量的調整對PA馬歇爾試件空隙率的影響不大；當成型溫度低于一定水平時(本研究中的150℃)，高粘瀝青的流動性變差，雙面擊實難以達到目標空隙率。若采用旋轉壓實是否會改善較低成型溫度的空隙率，還需后續試驗驗證。

(5)成型溫度對PA的高溫性能和水穩定性能影響較大，而對飛散性能影響較小。其中180℃和165℃下試件的動穩定度和殘留穩定度滿足規范要求。相比于成型溫度，油石比是影響飛散性能更為關鍵的因素。