大空隙瀝青混合料水溫損傷特性研究

王 皓

(中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司 石家莊市 050000)

排水路面具有易排水、抗滑、噪音低等優(yōu)點，但由于其空隙結(jié)構(gòu)較大、細集料較少，除了車輛荷載的反復作用，水和溫度等外界環(huán)境條件也會對瀝青混合料產(chǎn)生影響[1-3]，使大空隙瀝青混合料很容易產(chǎn)生松散、剝落等水損害現(xiàn)象，破壞路面結(jié)構(gòu)完整性，降低其使用壽命[4-5]。因此，評價水、溫環(huán)境對大空隙瀝青混合料性能的影響尤為重要。

黃學文等[6]研究顯示，同樣的大空隙OGFC試件，其浸水飛散損失明顯大于常規(guī)試件的飛散損失，說明水對大空隙瀝青混合料的穩(wěn)定性有很大的影響。凍融循環(huán)是一種典型的水溫耦合作用，且瀝青混合料的強度及水穩(wěn)定性受凍融循環(huán)作用影響顯著[7]。耿韓等[8]認為，凍融劈裂試驗時的真空飽水對大空隙瀝青混合料作用不明顯，推薦以60℃浸水飛散損失作為水穩(wěn)定性評價指標。

水和溫度是導致瀝青混合料老化的重要因素，但大部分研究考慮的水溫耦合過于單一，難以全面掌握其水損壞機理。因此，對比SBS改性瀝青，以高粘瀝青和玄武巖為原材料，首先通過水煮法評價瀝青與集料的粘附性，然后通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗及浸水飛散試驗進行大空隙瀝青混合料PAC-13的水穩(wěn)定性評價，研究熱水浴和凍融循環(huán)兩種水溫耦合作用對大空隙瀝青混合料的影響。

1 原材料指標與級配

本試驗所用瀝青和集料的參數(shù)指標如表1和表2所示，均符合規(guī)范要求。

表1 瀝青技術指標

表2 集料技術指標

本研究按照20%的目標空隙率設計PAC-13大空隙瀝青混合料，其級配如表3所示，研究所采用的最佳油石比為4.8%。

表3 PAC-13級配

2 試驗方案

為了深入研究水溫耦合作用對大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，對熱水浴和凍融循環(huán)分別設置不同的試驗條件：在60℃水浴中分別浸泡1d、3d、5d以模擬熱水浴的影響；在-18℃至60℃環(huán)境中分別凍融5次、10次、15次以模擬凍融循環(huán)的影響，其中在-18℃下浸水3h后再在60℃下浸水3h為一個凍融循環(huán)。

采用浸水馬歇爾試驗評價熱水浴對大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，采用凍融劈裂試驗評價凍融循環(huán)對大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，采用飛散試驗分別評價兩種水溫耦合作用對大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。

3 粘附性試驗

將經(jīng)過熱水浴及凍融循環(huán)處理的各樣本采用水煮法評定各瀝青與玄武巖的粘附性等級，評定結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青-集料水煮法粘附性等級

從表4中結(jié)果可知，隨水浴時間延長或凍融次數(shù)的增加，各瀝青與玄武巖的粘附性均逐漸下降，且高粘瀝青較SBS改性瀝青與玄武巖有更優(yōu)的粘附性。

4 水穩(wěn)定性試驗

4.1 浸水馬歇爾試驗

研究過程中將規(guī)范中浸水馬歇爾試驗的浸水48h同等替換為浸水1d、3d、5d，計算其殘留穩(wěn)定度，結(jié)果如表5所示。

表5 熱水浴下殘留穩(wěn)定度測試結(jié)果

由表5中試驗結(jié)果可知，熱水浴條件下，大空隙瀝青混合料的強度會逐漸衰減，這是因為瀝青混合料試件浸水過程中水分會進到瀝青與集料的界面，減弱其間的界面強度，從而降低混合料的強度。對于熱水浴作用下的大空隙瀝青混合料而言，其大空隙特征使得水更容易進入試件內(nèi)部，而高溫條件也會加速水分子的運動使其強度衰減更顯著。兩類大空隙瀝青混合料中，高粘瀝青組成的大空隙瀝青混合料表現(xiàn)出更好的抵抗高溫水破壞的能力。

4.2 凍融劈裂試驗

大空隙瀝青混合料在氣溫較低的寒冷地區(qū)應用時，不可避免面臨低溫凍融環(huán)境的考驗，因此，本研究進一步通過凍融劈裂試驗評價其水穩(wěn)定性。本研究的兩種大空隙瀝青混合料在不同條件下的凍融劈裂強度試驗結(jié)果如表6所示。

表6 凍融循環(huán)下劈裂強度比測試結(jié)果

從表6中的結(jié)果可知：凍融循環(huán)會顯著降低大空隙瀝青混合料的劈裂強度，隨著凍融次數(shù)越多強度下降越明顯，這是因為，在反復的凍融過程中，結(jié)冰而產(chǎn)生的凍脹力會對瀝青與集料界面產(chǎn)生損傷，從而降低混合料的強度。相比較而言，凍融循環(huán)對SBS改性瀝青組成的大空隙瀝青混合料影響更為顯著，由此可見，高粘瀝青組成的大空隙瀝青混合料具有更好的抗凍融性能，隨著凍融次數(shù)的增加，優(yōu)勢更明顯。

4.3 飛散試驗

飛散試驗以30r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)300r后混合料的質(zhì)量損失來評價其水穩(wěn)定性，損失質(zhì)量越小，對應的混合料的水穩(wěn)定性越好，飛散后的試件如圖1所示。

從圖1中可以看出，兩種類型的大空隙瀝青混合料在飛散后存在明顯的集料顆粒剝落的現(xiàn)象，隨著條件作用次數(shù)的增加，掉粒現(xiàn)象更顯著。其定量關系如表7、表8所示。

表7 熱水浴后飛散損失測試結(jié)果

從表7和表8的定量對比關系可以看出，隨著水浴時間的延長或凍融次數(shù)的增加，飛散損失均逐漸增加，而且兩種瀝青混合料的飛散損失區(qū)別十分明顯，即高粘瀝青組成試件的飛散損失遠小于SBS改性瀝青組成的試件，進一步說明高粘瀝青具有更好的抗水熱性能及抗凍融性能，但兩種水溫耦合作用對大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響程度并無明顯的區(qū)別。

圖1 浸水飛散試驗后試件外觀

表8 凍融循環(huán)后飛散損失測試結(jié)果

4.4 分析與討論

三種試驗方法中，浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗并不能很好地區(qū)分兩種不同類型瀝青成型的大空隙瀝青混合料的水穩(wěn)定差異，而飛散試驗結(jié)果表明高粘瀝青成型的大空隙瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性，這與已有研究結(jié)論[5]保持一致。因此，為了全面評價水溫環(huán)境對大空隙瀝青混合料耐久性的影響，需要分別對60℃水浴浸泡后的試件和凍融循環(huán)后的試件進行飛散試驗。此外，比較表6、表7、表8中的變異系數(shù)，三種評價方法中飛散試驗的變異性相對較小，試驗結(jié)果更加可靠。

5 結(jié)論

本研究對水-溫作用下的SBS改性瀝青和高粘瀝青組成的大空隙瀝青混合料進行了性能試驗，評價外部環(huán)境對其損傷特性的影響，主要得到如下結(jié)論：

(1)熱水浴和凍融循環(huán)作用均會降低大空隙瀝青混合料的水穩(wěn)定性，而且隨著水浴時間的延長或凍融次數(shù)的增加，水穩(wěn)定性都逐漸下降；兩種水溫耦合作用對大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響程度并無明顯的區(qū)別。

(2)相比SBS改性瀝青，高粘瀝青具有更好的抗水熱性能及抗凍融性能，相應的大空隙瀝青混合料的水穩(wěn)定性也更高，在排水結(jié)構(gòu)表層中使用高粘瀝青能夠明顯提高瀝青路面的抗松散能力，減少及預防水損害的發(fā)生。

(3)對大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性進行評價時，浸水飛散試驗可以較大程度地去除粗集料間嵌擠作用的影響，更準確地區(qū)分瀝青種類對其水穩(wěn)定性的影響。