排水瀝青路面抗凍融循環性能研究

劉少華 潘寶峰 許 斌 王麗麗 李耘宇 曹東偉

(大連理工大學交通運輸學院1) 大連 116024) (中路高科(北京)公路技術有限公司2) 北京 100088)(交通運輸部公路科學研究院3) 北京 100088) (石家莊市交建高速公路建設管理有限公司4) 石家莊 050085)(武漢理工大學交通與物流工程學院5) 武漢 430063)

0 引 言

在我國北方地區，冬季寒冷且晝夜溫差大，瀝青路面長期處于凍融循環環境中，路面性能受到凍融循環作用的較大影響[1].凍融循環對瀝青混合料的作用主要體現在水分對瀝青膜的置換作用會影響瀝青與集料間的黏結力以及水分凝結成冰后體積增大對瀝青混合料產生的膨脹力.凍融循環作用導致瀝青面層性能衰減，出現松散、開裂甚至大面積坑槽，極大的影響了瀝青路面的使用壽命.

有關瀝青混合料的凍融循環試驗方法與性能研究，主要分為三個方面：①對于試驗規程中的單次凍融循環試驗改進，進行多次的凍融循環試驗，主要關于凍融溫度及凍融時間，如王抒音等[2-4]；②關于凍融循環后瀝青混合料路用性能以及力學性能衰減方面的研究，如虎見等[5-8]；③關于瀝青混合料凍融損傷以及破壞機理的研究，如趙立東等[9-11].大部分研究內容集中于密級配瀝青混合料，對于開級配類型的排水瀝青混合料，目前研究較少.排水瀝青混合料凍融循環的破壞形式宏觀上表現為飛散，微觀上分析為瀝青與集料界面粘結性能失效，以及膠漿自身的斷裂破壞[12].通過室內凍融循環試驗研究分析不同級配、不同空隙率的排水瀝青混合料凍融循環后的抗飛散能力，同時研究分析聚酯纖維對排水瀝青混合料抗凍融循環性能的影響及排水瀝青混合料抗無水凍融循環的性能，為排水瀝青路面在北方的推廣使用提供試驗及理論依據.

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

1.1.1瀝青及高黏度改性劑(HVA)

采用SBS改性瀝青，加入高黏度改性劑(HVA)制備高黏度改性瀝青，其中SBS改性瀝青∶高黏度改性劑(HVA)=92∶8(質量比)，性能指標檢測結果見表1～3.

表1 SBS改性瀝青技術指標檢測結果

表2 高粘度改性劑(HVA)技術指標檢測結果

表3 高粘度改性瀝青技術指標檢測結果

1.1.2填料

填料采用石灰巖礦粉，性能指標檢測結果見表4.

表4 礦粉技術指標檢測結果

1.1.3集料

細集料采用石灰巖，粗集料采用玄武巖，性能指標檢測結果見表5～6.

表5 細集料技術指標檢測結果

表6 粗集料技術指標檢測結果

1.1.4纖維

采用聚酯纖維，性能指標檢測結果見表7.

表7 聚酯纖維檢測結果

1.2 級配及油石比

本文涉及PAC-13、PAC-16兩種級配，其中PAC-13設計了4種不同的空隙率，空隙率分別為18%、20%、22%以及24%.PAC-13采用的油石比為4.6%，PAC-16采用的油石比為4.5%，各級配見表8.

表8 排水瀝青混合料級配

1.3 試驗方法

1.3.1試件準備

為了研究不同級配和不同空隙率對排水瀝青路面抗凍融循環性能的影響、聚酯纖維對排水瀝青路面抗凍融循環的性能影響以及排水瀝青路面無水抗凍融循環性能，本文設計了5種排水瀝青混合料，具體見表9.

表9 排水瀝青混合料試件類型

其中，PAC-13A、PAC-13B、PAC-13C、PAC-13D研究分析空隙率對排水瀝青路面抗凍融循環性能的影響，PAC-13C、PAC-16研究分析級配對排水瀝青路面抗凍融循環性能的影響，在PAC-13C中外摻聚酯纖維0.1%研究分析聚酯纖維對排水瀝青路面抗凍融循環性能的影響，PAC-13C研究分析排水瀝青路面無水抗凍性能.

1.3.2凍融循環試驗設計

參考JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(以下簡稱《規程》)中T0733-2011的瀝青混合料凍融劈裂試驗中的凍融試驗方法，結合國內外凍融試驗研究方法，對凍融循環試驗進行相應改進，確定以低溫-20 ℃和高溫水浴60 ℃交替凍融循環用來模擬冬季、夏季的氣候及溫度循環，然后進行肯塔堡飛散試驗，測試肯塔堡飛散損失.

具體的試驗方法如下.

步驟1成型符合要求的標準馬歇爾試件，4個試件為一組.

步驟2馬歇爾試件飽水浸泡0.5 h，然后真空飽水15 min，恢復常壓浸水0.5 h，完成試件飽水.

步驟3將飽水后的試件在-20 ℃下冰凍16 h，然后將試件放入60 ℃水浴箱融化8 h，此為一次循環.

步驟4重復步驟3，將試件反復冰凍及融化，直到達到試驗所需循環次數為止.

步驟5將完成凍融循環試驗后的馬歇爾試件參照JTG E20-2011《規程》T0733-2011中肯塔堡飛散試驗方法進行試驗，得到肯塔堡飛散損失值.

1.3.3無水凍融循環試驗設計

在無雨雪的天氣情況，對于排水瀝青路面，會在無水情況下發生冰凍現象.因此本文設計開發室內試驗，將馬歇爾試件在無水狀態下進行凍融循環，參考2.3.2中的凍融循環試驗，進行對比試驗，仍然確定以低溫-20 ℃和高溫60 ℃交替凍融循環用來模擬冬季、夏季的氣候及溫度循環，然后進行肯塔堡飛散試驗，測試肯塔堡飛散損失.

具體的試驗方法如下.

步驟1成型符合要求的標準馬歇爾試件，4個試件為一組.

步驟2將試件在-20 ℃下冰凍16 h，然后將試件放入60 ℃烘箱融化8 h，此為一次循環.

步驟3重復步驟2將試件反復冰凍及融化，直到達到試驗所需循環次數為止.

步驟4將完成凍融循環試驗后的馬歇爾試件參照《規程》T0733-2011中肯塔堡飛散試驗方法進行試驗，得到肯塔堡飛散損失值.

2 結果及討論

2.1 空隙率對排水瀝青路面抗凍融循環性能的影響研究

采用PAC-13排水瀝青混合料研究空隙率對排水瀝青混合料抗凍融循環性能的影響，設計了18%、20%、22%、24%四種不同的空隙率，經過10次凍融循環試驗研究分析不同空隙率排水瀝青混合料抗凍融循環性能，試驗結果見圖1.

圖1 不同空隙率排水瀝青混合料飛散損失

從圖1可知：同等次數凍融循環后，排水瀝青混合料空隙率越大，肯塔堡飛散損失越大，總體飛散損失PAC-13A(18%)

2.2 級配對排水瀝青路面抗凍融循環性能的影響研究

采用PAC-13、PAC-16兩種常用級配的排水瀝青混合料經過10次凍融循環試驗研究分析級配對排水瀝青混合料抗凍融循環性能的影響，試驗結果見圖2.

圖2 不同級配排水瀝青混合料飛散損失

由圖2可知:兩種級配的排水瀝青馬歇爾試件肯塔堡飛散損失隨著凍融循環次數的增加而增加，總體飛散損失PAC-13

2.3 聚酯纖維對排水瀝青路面抗凍融循環性能的影響研究

采用PAC-13排水瀝青混合料研究聚酯纖維對排水瀝青混合料抗凍融循環性能的影響，根據課題組以往研究，設計了添加0.1%聚酯纖維的PAC-13排水瀝青混合料，經過10次凍融循環試驗研究分析聚酯纖維對排水瀝青混合料抗凍融循環性能的影響，試驗結果見圖3.

圖3 不同聚酯纖維含量排水瀝青混合料飛散損失

由圖3可知:添加聚酯纖維的排水瀝青混合料凍融循環后的肯塔堡損失整體在未添加聚酯纖維的排水瀝青混合料之下，飛散損失變化也更趨于平緩，更接近線性變化，兩者之間的差值總體趨勢也在變大.聚酯纖維在瀝青膠漿中起到骨架作用，縱橫交錯分布，能夠起到吸附、穩定以及多向加筋的作用，增強粘結力，改善混合料的低溫以及高溫性能，能有效的抵抗應力，減少凍融損傷以及飛散破壞.因此，添加聚酯纖維可以有效改善排水瀝青混合料凍融循環后的抗飛散能力.

2.4 排水瀝青路面無水抗凍融性能研究

采用PAC-13排水瀝青混合料經過10次凍融循環試驗研究分析排水瀝青混合料抗無水凍融循環性能的影響，試驗結果見圖4.

圖4 排水瀝青混合料無水凍融循環飛散損失

由圖4可知:排水瀝青混合料無水凍融循環后的肯塔堡損失整體在飽水凍融循環后的排水瀝青混合料之下，且兩者的差值隨著凍融循環次數的增加逐漸拉大，無水凍融循環后的飛散損失變化更平緩，趨于線性變化.在沒有冰荷載以及水浸作用后，水分對瀝青膜的置換以及冰荷載對混合料的作用隨之消失，進而排水瀝青混合料凍融循環后的飛散損失更小.因此，在北方冬季，及時排除排水瀝青路面積水以及冰雪可以有效延緩排水瀝青路面出現凍融破壞.

3 結 論

1)在相同的空隙率下，對于不同級配的瀝青混合料，級配越細，最大粒徑越小，混合料凍融循環后抗飛散能力越好；對于同種級配的瀝青混合料，空隙率越小，混合料凍融循環后抗飛散能力越好；聚酯纖維可以有效改善排水瀝青混合料凍融循環后的抗飛散能力.

2)相對于飽水凍融循環，無水凍融循環條件下的飛散損失更小.在北方冬季，及時排除排水瀝青路面積水以及冰雪可以有效延緩排水瀝青路面出現凍融破壞.

3)在北方地區修建排水瀝青路面，可以通過控制排水瀝青路面級配最大粒徑、控制空隙率以及添加聚酯纖維提高排水瀝青路面抗凍融循環性能，推薦級配為PAC-13，空隙率為20%～22%.