排水瀝青混合料水損害機理及水穩定性能評價研究

徐金玉

(蘇交科集團股份有限公司 南京市 211112)

排水瀝青路面具有結構空隙大、抗滑性好、排水迅速、行車安全性好等特點，但材料的抗水損及耐久性較差[1]。相比普通瀝青混合料而言，排水瀝青混合料更容易受到水的侵蝕，為確保排水瀝青路面的道路功能，對混合料的粘附性、抗剝落性都有較高要求。分析了排水瀝青路面水損害的機理，并對高粘改性排水瀝青混合料的水穩定性進行了分析。

1 排水瀝青混合料的水損害機理

相比普通瀝青混合料，排水瀝青混合料具有較為特殊的結構與水作用方式，因此分析排水瀝青混合料的水損害機理十分必要。

(1)瀝青-集料間的粘結力喪失。根據極性理論，瀝青屬于表面活性物質在非極性物質中的溶液，因此集料與瀝青混合后，會形成黏附效應，表現為瀝青與集料的膠結。而水是極性分子，相比瀝青而言更容易黏附在集料表面，若此時瀝青的極性較低、粘度不足，瀝青與集料間將被水膜隔開，導致瀝青與集料的剝離[2]。

(2)自由水的沖刷與乳化。沖擊水對半開口孔的沖刷，是排水瀝青路面出現水損害的主要原因之一。處于半開口孔內或瀝青與集料界面間的毛細水或自由水，會在車輛荷載與真空吸力的作用下，反復沖刷結構孔洞或瀝青-集料界面，導致排水路面的孔隙結構受到破壞，瀝青與集料剝落脫離。在反復侵蝕下，瀝青路面的松散貫穿整個結構，結構強度迅速喪失。因此瀝青-集料粘結力的喪失、毛細水的乳化、自由水的沖刷，是導致排水瀝青混合料極易出現水損害的主要因素。

2 原材料

2.1 瀝青

本次試驗以PAC-16瀝青混合料為研究對象。試驗基質瀝青選擇70#瀝青，通過SBS對基質瀝青改性后，添加HVA制成HVA高粘瀝青，其中SBS摻量為5%、HVA改性劑摻量為8%。表1所示為瀝青的性能指標。

2.2 粗集料

試驗粗集料選用玄武巖。具體參數如表2所示。需要說明的是，根據本次試驗結果，所選用的玄武巖粗集料與70#基質瀝青、HVA高粘改性瀝青的黏附等級分別為4級和5級。

2.3 細集料

考慮到天然砂粒型接近球形，與瀝青粘附性較低，因此選用機制砂作為細集料。本次試驗細集料選用石灰巖碎石，保證集料表面干燥、無雜質。表3為細集料的性能參數。各項指標均能滿足規范要求。

2.4 礦粉

本次試驗的礦粉采用石灰巖磨細礦粉，具體性能如表4所示。

2.5 纖維穩定劑

木質素纖維、聚丙烯腈纖維、聚酯纖維為目前常用于瀝青路面的纖維添加劑，通過飛散、浸水飛散試驗對比了摻纖維混合料的性能，表5所示為試驗所確定各試件的纖維種類、數量表。

3 配合比設計

3.1 目標級配的確定

根據相關研究，本試驗采用瀝青膜厚度為1.2×10-3cm時，對混合料的油石比進行估算，油石比情況見表6。

制作瀝青混合料試件，每組數量不少于4個，檢測混合料的穩定度和體積指標，以2.36mm篩孔作為控制篩孔，分析2.36mm通過率與空隙率的關系，如圖1所示。由圖可知當空隙率為20%時，對應的2.36mm通過率為12.5%。據此確定的目標級配如圖2所示。

圖1 2.36mm篩孔通過率與空隙率的關系

圖2 目標級配曲線

3.2 最佳瀝青用量的確定

根據圖2的目標級配情況，以估算瀝青用量分別為±0.5%、±1.0%制作試件，開展肯塔堡飛散試驗、謝倫堡析漏試驗。以飛散試驗曲線的拐點作為OAC1，以析漏試驗曲線的反彎點作為OAC2，進而確定最佳瀝青用量OAC。圖3、圖4分別為對應的試驗曲線。由圖可知，最小油石比與最大油石比分別為4.1%、4.3%，根據相關研究，排水瀝青混合料宜在范圍內選擇較大瀝青用量，因此采用4.3%作為最佳油石比成型試件。

圖3 析漏試驗結果與油石比

圖4 飛散損失與油石比關系

3.3 其他性能驗證

以4.3%油石比制作PAC-16瀝青混合料試件，驗證其強度、滲水性、抗車轍能力等指標，結果如表7所示，試驗結果表明：PAC-16排水瀝青混合料的各指標性能均能夠滿足規范及設計要求，可用于進一步開展排水瀝青混合料水穩定性能評價。

4 PAC-16排水瀝青混合料水穩定性能評價

4.1 填料的摻配情況

各PAC-16排水混合料試件的填料摻配情況具體如下：

(1)PAC1試件只摻加礦粉，摻量為5.3%。

(2)PAC2、PAC3試件均摻加生石灰和礦粉，摻量分別為：1.0%和4.3%、2.0%和3.3%。

(3)PAC4、PAC5試件均摻加熟石灰和礦粉，摻量分別為：1.0%和4.3%、2.0%和3.3%。

(4)PAC6、PAC7試件均摻加水泥和礦粉，摻量分別為：1.0%和4.3%、2.0%和3.3%。

根據上述填料配比情況及表5的各PAC-16試件的纖維摻配類型與摻量情況制作排水瀝青混合料試件，通過浸水飛散試驗、凍融劈裂試驗分析其水穩定性能。

4.2 浸水飛散試驗

以目標配合比級配、4.3%油石比成型試件，以不同類型纖維、不同摻量作對比，開展浸水飛散試驗，評價不同纖維類別對排水瀝青混合料水穩定性能的影響。試驗結果如圖5所示。

圖5 纖維種類及摻量對浸水飛散結果的影響

由圖5可知，相對于添加聚酯纖維和聚丙烯腈纖維的試件而言，添加木質素纖維的成型試件浸水飛散損失較高。原因可能在于木質纖維作為一種天然材料，具有較強的吸水能力，因此不適用于作排水混合料的摻料[3]。相比而言聚合物纖維吸水性很小，更為適合。由圖5可知，當采用聚合物纖維、摻量選擇0.3%時，試件的飛散損失較多，且損失速率增大。摻量0.1%及0.2%的混合料浸水飛散損失相差較小，從經濟性考慮，可以選擇0.1%聚合物纖維。圖6所示為聚丙烯腈纖維摻入排水瀝青混合料后的分散情況。聚酯纖維與丙烯腈纖維的長度相當，約9mm左右，但是聚丙烯腈纖維分散性、相容性更好，飛散損失也小于聚酯纖維，因此增強劑應優先選擇摻量為0.1%的聚丙烯腈纖維。

圖6 排水瀝青混合料中聚丙烯腈纖維的分散狀況

4.3 凍融劈裂試驗

本次凍融劈裂試驗采用聚丙烯腈纖維摻量0.1%、油石比4.3%、目標配合比成型PAC-16試件，評價其水穩定性能，并對不同摻量的生石灰、熟石灰和水泥等抗剝落劑對PAC-16排水瀝青混合料在水穩定性能方面的影響進行分析[4]。圖7所示為試驗結果。

圖7 不同抗剝落劑類型及摻量對凍融劈裂強度比的影響

由圖7可知，以礦粉為填料的對照組混合料試樣，第一次凍融劈裂強度能夠滿足規范要求的80%，但是第二次則為76%，不滿足規范要求且下降明顯。而采用1%生石灰、1%熟石灰、1%水泥作為填料的混合料試件，第一次凍融劈裂強度都高于礦粉作填料的混合料，但是三者間的強度比差異不大。且二次劈裂強度同樣下降明顯，不滿足規范80%的要求。因此添加1%劑量石灰或水泥對于二次凍融劈裂強度的提升作用不明顯。采用摻量分別為2%的生石灰、熟石灰和水泥作為填料的各混合料試件，相比添加摻量分別為1%的各試件而言，第一次劈裂強度比提升效果明顯，二次劈裂強度也有所提升，雖然效果不大但是能夠滿足指標要求。總體而言，礦粉、石灰或水泥等抗剝落劑的添加，對于PAC-16混合料水穩定性的提升效果不明顯，相對而言，抗剝落劑采用2%熟石灰，可以有效改善排水瀝青混合料的水穩定性能。

5 結論

從排水瀝青混合料的結構特征、水作用方式、兩種破壞過程等角度，分析了排水瀝青混合料的水損害機理。以PAC-16排水瀝青混合料為例，確定了最佳瀝青用量、級配等參數，通過試驗驗證了試件的各項性能。基于浸水飛散試驗和凍融劈裂試驗，進一步分析了纖維和抗剝落劑的種類、所需摻加的數量等對排水瀝青混合料水穩定性產生的影響。結果表明，選用0.1%摻量的聚酯纖維作為增強劑，選用2%熟石灰作為抗剝落劑，能夠提升排水瀝青混合料的水穩定性。