不同高黏瀝青對降噪排水鋪裝材料性能影響試驗(yàn)研究*

朱志遠(yuǎn) 周橙琪 周 欣 張 輝

(1.江蘇揚(yáng)子大橋股份有限公司 靖江 214521； 2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司 南京 211806；3.江蘇省交通工程建設(shè)局 南京 210004)

高速公路的路面要為車輛提供較高的行車安全性，路面結(jié)構(gòu)應(yīng)具有優(yōu)異的防滑性能，特別是在雨天。雨天路面容易出現(xiàn)濺水和噴霧現(xiàn)象，給車輛帶來很大的安全隱患。降噪排水鋪裝具有良好的排水、降噪功能，可顯著減少雨天行車的水飄、水霧，提高路面抗滑性能，同時可以有效減輕高速行車過程中產(chǎn)生的噪聲從而顯著提高路面服務(wù)水平[1-3]。目前路面工程界對大空隙率的瀝青混合料面層，美國稱之為開級配磨耗層(open graded friction course，OGFC)，其鋪設(shè)厚度多為1.5～3.5 cm，作為功能層使用；歐洲稱之為多孔隙瀝青混合料(porous asphalt，PAC)或排水層(drainage course)，日本則稱之為排水性鋪面，一般鋪設(shè)厚度為4～5 cm，作為結(jié)構(gòu)層使用[4-7]。降噪排水鋪裝是典型的開級配瀝青混合料，粗集料的用量占80%以上，在形成粗集料骨架的同時缺乏細(xì)集料填充，如果使用普通瀝青，則難以使粗集料的骨架產(chǎn)生足夠的限制約束作用，必然會造成瀝青混合料的感溫性差，抵抗車轍、變形的能力差，和易性差等弱點(diǎn)。因此，為了防止瀝青熱熔滴落堵塞孔隙，同時防止車輪荷載沖擊作用下表面骨料飛散，多使用改性后的高黏度瀝青。高黏改性瀝青一般是指在60 ℃時瀝青的黏度大于20 000 Pa·s的瀝青，日本于1996年11月頒布了《排水性鋪裝技術(shù)指針(案)》作為其設(shè)計施工的規(guī)范藍(lán)本，對高黏瀝青提出了詳細(xì)的控制指標(biāo)，并在全國范圍內(nèi)推廣排水性路面的使用，技術(shù)成熟。本文采用日本TPS(TAFPACK-Super)改性劑生產(chǎn)的高黏瀝青和國產(chǎn)高黏瀝青分別制備了2種PAC-13混合料，并對2種混合料的路用性能及復(fù)合鋪裝結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 材料及試驗(yàn)

1.1 高黏瀝青材料及配合比設(shè)計

1.1.1高黏瀝青材料特性

采用12%TPS改性劑對基質(zhì)瀝青進(jìn)行改性。其中，基質(zhì)瀝青采用SK70號道路石油瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1，改性后的高黏瀝青的試驗(yàn)結(jié)果見表2。國產(chǎn)高黏瀝青采用市面上采購的成品高黏瀝青，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表3。

表1 SK70瀝青技術(shù)要求與測試結(jié)果

表2 TPS高黏瀝青技術(shù)指標(biāo)與測試結(jié)果

表3 國產(chǎn)高黏瀝青技術(shù)指標(biāo)與測試結(jié)果

由表2、表3對比TPS高黏瀝青和國產(chǎn)高黏瀝青的技術(shù)指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)高黏瀝青的針入度和軟化點(diǎn)略高于TPS高黏瀝青，而60 ℃動力黏度則比TPS高黏瀝青高出31.2%。動力黏度大的瀝青在荷載作用下產(chǎn)生的剪切變形相對較小，殘留的永久塑性變形小，表明國產(chǎn)高黏瀝青在高溫下抗永久變形能力要優(yōu)于TPS高黏瀝青，后續(xù)還將通過混合料的試驗(yàn)研究進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。

1.1.2配合比設(shè)計

集料采用南京六合的玄武巖制石料，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，水泥采用建筑用水泥普通硅酸鹽水泥P·O 32.5，水泥的表觀密度為3.100 kg/m3。

1) 礦料級配設(shè)計。高黏瀝青PAC-13混合料的礦料質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為：1號料(10～15 mm)∶2號料(5～10 mm)∶4號料(0～3 mm)∶礦粉∶水泥=53%∶34%∶9%∶2%∶2%，具體礦料合成級配見表4。

表4 PAC-13混合料礦料合成級配

2) 最佳油石比。PAC-13瀝青混合料的馬歇爾試件空隙率滿足要求為前提，混合料的最佳瀝青用量結(jié)合謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)及混合料的施工和易性綜合確定，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。其中，空隙率要求為18%～25%，析漏損失<0.3%，飛散損失<20%。

圖1 TPS高黏瀝青PAC-13混合不同油石比下的空隙率、析漏百分率、飛散率

綜合上述混合料空隙率、謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)各設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求的情況下，TPS高黏瀝青PAC-13混合料最佳油石比采用4.3%。為進(jìn)一步對比TPS高黏瀝青PAC-13混合料和國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13混合料的路用性能，國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13混合料擬定油石比為4.3%，采用表4中確定的礦料合成級配，然后對其混合料相關(guān)性能指標(biāo)進(jìn)行檢測，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同高黏瀝青PAC-13混合料性能指標(biāo)檢測結(jié)果

從馬歇爾試驗(yàn)、析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)結(jié)果看，國產(chǎn)高黏瀝青采用目前的級配和瀝青用量滿足設(shè)計要求。

1.2 試驗(yàn)方法

參照規(guī)程[8-9]采用車轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)和浸水馬歇爾試驗(yàn)分別對TPS高黏瀝青PAC-13混合料和國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性和水穩(wěn)定性進(jìn)行研究。參照規(guī)程[10]采用滲水試驗(yàn)和擺式摩擦系數(shù)分別對2種高黏瀝青PAC-13混合料的滲水性能和抗滑性能進(jìn)行研究。

制備3 cm國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13降噪排水面層+6 cm AC-20復(fù)合結(jié)構(gòu)車轍板試件(長300 mm×寬300 mm×高90 mm)，并將試件經(jīng)過5次溫度范圍為-18～30 ℃反復(fù)飽水凍融循環(huán)后，在試件表面上一分為四畫格(長150 mm×寬150 mm)，并用鉆芯機(jī)鉆取4個深度為1.5 cm、直徑為10 cm的圓，再用黏結(jié)劑將拉拔頭黏貼到鉆芯位置，最后在20 ℃溫度下測試其拉拔強(qiáng)度，所得拉拔強(qiáng)度可以較好地表征混合料層間的黏聚力，成型過程見圖2。

圖2 3 cm PAC-13+6 cm AC-20復(fù)合結(jié)構(gòu)拉拔試驗(yàn)試件成型

2 結(jié)果分析

2.1 高溫穩(wěn)定性

TPS高黏瀝青PAC-13混合料和國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13混合料的高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 不同高黏瀝青PAC-13混合料高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見，國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13混合料的動穩(wěn)定度大于TPS高黏瀝青PAC-13混合料，前者混合料的高溫穩(wěn)定性優(yōu)于后者，這與其瀝青膠結(jié)料的性能研究結(jié)論相吻合。

2.2 低溫抗裂性能

2種高黏瀝青PAC-13混合料的低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可見，相比國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13混合料，TPS高黏瀝青PAC-13混合料的跨中撓度較大，勁度模量較小，破壞應(yīng)變較高，具有更好的低溫抗裂性能。

表7 2種高黏瀝青PAC-13混合料低溫小梁彎曲試驗(yàn)

2.3 水穩(wěn)定性

2種高黏瀝青PAC-13混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表8。

表8 2種高黏瀝青PAC-13混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

對比2種混合料的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生條件下的穩(wěn)定度，2種混合料的強(qiáng)度相接近。從2種混合料的浸水殘留穩(wěn)定度來看，兩者相接近，分析原因，主要是由于2種混合料采用的級配和油石比都一樣，空隙率也較為接近，因而水穩(wěn)定性差異不大。

2.4 滲水性能

大孔隙開級配瀝青混合料最重要的特性是透水性。采用常規(guī)滲透儀測試室內(nèi)成型的車轍板測試滲透系數(shù)，評價2種高黏瀝青PAC-13混合料的滲水性能見表9。

表9 2種高黏瀝青PAC-13混合料滲水性能試驗(yàn)結(jié)果 mL/ 15 s

由表9可見，國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13混合料的滲水性能略優(yōu)于TPS高黏瀝青PAC-13混合料。分析原因認(rèn)為，前者的空隙率是22.9%，后者的空隙率是22.5%，前者的空隙率略大于后者，而混合料內(nèi)部的連通空隙越大，滲水能力就越強(qiáng)[11]。

2.5 抗滑性能

采用擺式摩擦系數(shù)測定儀對2種高黏瀝青PAC-13混合料的抗滑性能進(jìn)行評價，試驗(yàn)結(jié)果見表10。

表10 2種高黏瀝青PAC-13混合料抗滑性能試驗(yàn)結(jié)果

從表10摩擦系數(shù)來看，2種高黏瀝青PAC-13混合料的抗滑性能差異不大。

2.6 復(fù)合件抗凍融性能

降噪排水鋪裝由于其大空隙結(jié)構(gòu)，冬季結(jié)冰對結(jié)構(gòu)是否有損傷，損傷的程度如何，一直備受關(guān)注，本文對國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13+AC-20復(fù)合試件的抗凍融性能的研究結(jié)果見表11。

表11 復(fù)合試件凍融前后混合料拉拔強(qiáng)度

由表11可見，復(fù)合試件經(jīng)過5次飽水凍融循環(huán)后，進(jìn)行復(fù)合件拉拔強(qiáng)度檢測，由于PAC-13混合料黏聚力不足，破壞界面均出現(xiàn)在PAC-13混合料中，拉拔強(qiáng)度從0.97 MPa降到了0.72 MPa，降低了26%，說明連續(xù)的飽水凍融循環(huán)對大空隙瀝青混合料的抗凍融性能影響很大。在降噪排水鋪裝設(shè)計過程中應(yīng)加強(qiáng)防排水設(shè)計，在使用過程中應(yīng)減少鋪裝層內(nèi)空隙的阻塞，減少表面水在鋪裝層內(nèi)的存留，減少飽水凍融對鋪裝層使用性能的影響。

3 結(jié)論

1) 通過對TPS高黏瀝青和國產(chǎn)高黏瀝青的性能研究發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)高黏瀝青在高溫下時抗永久變形能力優(yōu)于TPS高黏瀝青。

2) 通過對2種高黏瀝青PAC-13混合料路用性能的研究發(fā)現(xiàn)，2種混合料均具有良好的路用性能，相關(guān)指標(biāo)均滿足國內(nèi)規(guī)范要求。

3) 通過復(fù)合件拉拔試驗(yàn)評價降噪排水鋪裝結(jié)構(gòu)的抗飽水凍融性能，國產(chǎn)高黏瀝青PAC-13+AC-20的復(fù)合試件經(jīng)過5次飽水凍融循環(huán)后，拉拔強(qiáng)度下降26%，連續(xù)的飽水凍融循環(huán)對大空隙瀝青混合料的抗凍融性能影響很大，建議在降噪排水鋪裝設(shè)計過程中加強(qiáng)防排水設(shè)計。