空隙率對多孔超薄瀝青磨耗層性能和滲水功能的影響

胡 勇，鹿 蓉，黃衛(wèi)國，楊 斌，魯賀賀

(1.江西省公路工程檢測中心，江西 南昌 330100；2.長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

瀝青路面隨著服役時間的增長，路表會逐漸出現(xiàn)車轍、松散、裂縫、剝離等病害，嚴(yán)重影響道路的行車安全性和舒適性[1-3]。超薄磨耗層作為預(yù)防性養(yǎng)護措施之一，能夠直接加鋪在原路面上，可以有效解決路面存在的輕微車轍、疲勞裂縫或溫度裂縫等問題，改善瀝青路面的表面功能[4-8]。

最初法國率先將薄層瀝青混合料應(yīng)用于路面表層，1987年法國提出了應(yīng)用于高等級瀝青路面超薄罩面層，厚度為1.5～2 cm的，特點是通過使用改性瀝青和增大黏結(jié)層厚度等措施提高路面性能及延長服役壽命[9]。美國在法國的基礎(chǔ)上研究出了NovaChip混合料，能夠緩解面層輕微車轍、非結(jié)構(gòu)性裂縫以及恢復(fù)道路表面功能，這項技術(shù)在其他歐洲國家也有廣泛應(yīng)用[10-11]。英國選用空隙率為20%的超薄瀝青混合料鋪筑面層，其最大粒徑為14 mm，瀝青用量約5%。因施工質(zhì)量、外界氣候等的影響，所建成的路面質(zhì)量并不理想[12]。

2003年，我國在廣韶高速公路鋪筑了2 km的超薄磨耗層試驗路，主要用來修復(fù)路面的車轍損害[13]；李小松等[14]采用正交試驗方法分析混合料設(shè)計中的CA比(粗集料的粗料率)、FAc比(細集料的粗料率)、油石比及7.1 mm篩孔通過率對瀝青路面抗滑性能的影響，得出CA比對抗滑性能影響最大，油石比次之；施向東等[15]總結(jié)了級配類型對薄層罩面抗滑性能的影響，發(fā)現(xiàn)開級配抗滑性能最好，半開級配次之，密集配最差。

多孔超薄瀝青磨耗層由粒徑較小、空隙率較大的瀝青混合料鋪筑而成，空隙率一般為18～25%，厚度為約為20 mm[16]。這種透水性鋪裝層能夠使雨水沿面層入滲，并通過路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部橫向排出，起到減少路表水膜，提高瀝青路面抗滑能力和降低交通噪聲的作用[17-18]。目前，國內(nèi)外大部分的研究主要集中于超薄磨耗層的材料方面或者級配設(shè)計方面(如密集配、半開級配和間斷級配)對路用性能的影響，以開級配多孔超薄瀝青磨耗層為研究主體的空隙率對路用性能影響的研究較少。而多孔超薄瀝青磨耗層的空隙率越大，排水效果越好，但過大的空隙率容易產(chǎn)生剝落、松散等病害，降低路面的使用壽命[19]。因此，合理的空隙率設(shè)計對多孔瀝青路面的強度和耐久性具有重要影響。為此，本研究選取4種公稱最大粒徑為8 mm多孔超薄瀝青磨耗層(PUAWL-8)，其空隙率分別為18%，20%，22%和24%，然后進行車轍試驗、低溫彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗和滲水試驗，研究空隙率對多孔超薄瀝青磨耗層的路用性能的影響，為多孔超薄瀝青磨耗層的空隙率與級配設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)與參考。

1 材料與試驗方法

1.1 原材料

選用高黏改性瀝青作為膠結(jié)料，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1。粗集料采用閃長巖，細集料采用石灰?guī)r機制砂，礦粉選用石灰?guī)r礦粉，并添加3‰的木質(zhì)素纖維，集料的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表1 高黏改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Technical indicators of high-viscosity modified asphalt

表2 集料的技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Technical indicators of aggregates

1.2 試驗方案

本研究選用2 cm厚的18%，20%，22%和24% 4種空隙率的PUAWL-8試件進行性能和滲水功能研究，為模擬實際路面結(jié)構(gòu)，成型上面層為2 cmPUAWL-8、下面層為3 cm AC-13的復(fù)合板作為試件，并采用車轍試驗來評價高溫性能，低溫小梁彎曲試驗評價低溫性能，浸水馬歇爾試驗評價水穩(wěn)定性能，采用變水頭試驗測定不同空隙率的PUAWL-8的滲水功能。

2 PUAWL-8材料組成設(shè)計方法

2.1 礦料級配設(shè)計

由于多孔超薄磨耗層的厚度較薄，一般為2 cm左右，根據(jù)規(guī)范[20]規(guī)定，瀝青混合料厚度不宜小于公稱最大粒徑的2.0～2.5倍。對于PUAWL-8而言，4.75～9.5 mm粒徑范圍較大，因此，本研究增加了7.1 mm篩孔來控制級配，并通過調(diào)整2.36 mm，4.75 mm篩孔通過率來得到空隙率分別為18%，20%，22%和24%共4組不同的礦料級配。混合料礦料級配設(shè)計曲線如圖1所示。

圖1 混合料級配設(shè)計曲線Fig.1 Gradation curves of mixture

2.2 最佳瀝青用量的確定

首先采用經(jīng)驗公式來試算初始瀝青用量，公式如下：

Pb=h×A,

(1)

(2)

式中，Pb為初始瀝青用量；h為瀝青膜厚度，一般為14 μm；A為集料的總表面積；a，b，c，d，e，f，g分別為4.75，2.36，1.18，0.6，0.3，0.15和0.075 mm篩孔通過百分率。

然后采用謝倫堡析漏損失曲線的拐點和肯塔堡飛散損失曲線的拐點分別確定瀝青用量的最大值和最小值，然后按照馬歇爾試驗確定最佳瀝青油石比[21]，各級配的最佳瀝青用量見表3。其中，混合料的空隙率(VV)采用體積法計算，并按照《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 190—2012)[24]中測量連通空隙率的方法，測量各級配多孔超薄磨耗層的連通空隙率(VV′)。

表3 各級配瀝青用量Tab.3 Asphalt dosage of each gradation

3 空隙率對路用性能的影響

3.1 空隙率對高溫性能的影響

車轍試驗是評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的常用試驗，能夠較好地反映路面的實際受力狀態(tài)。試驗采用尺寸為(300 mm×300 mm×50 mm)的復(fù)合車轍試件，其中PUAWL-8厚度為20 mm，AC-13厚度為30 mm，輪壓為0.7 MPa，碾壓速率為42次/min的條件下。以動穩(wěn)定度評價PUAWL-8的高溫性能。

試驗結(jié)果見表4和圖2。由表4可知，當(dāng)空隙率為18%時，45 min和60 min變形量最小，動穩(wěn)定度值最大；隨著空隙率增大，45 min和60 min變形量增大，動穩(wěn)定度逐漸變小，當(dāng)空隙率為24%時，動穩(wěn)定度大約為空隙率為18%時的一半。由圖2可知，空隙率與動穩(wěn)定度呈良好的線性關(guān)系，并呈負相關(guān)。這可能是因為多孔超薄瀝青磨耗層為骨架-空隙型結(jié)構(gòu)，粗集料之間良好的嵌擠力和高黏改性瀝青與集料之間良好的黏結(jié)力保證了混合料的整體強度和穩(wěn)定性，因此高溫穩(wěn)定性較好；但當(dāng)空隙率過大時，粗集料過多，但細集料過少，細集料不能填充粗集料之間形成的較大空隙，混合料之間的接觸面積減小，流動性變大，因此產(chǎn)生的車轍深度更加明顯。

表4 不同空隙率下的車轍試驗結(jié)果Tab.4 Rutting test result with different air voids

圖2 空隙率與動穩(wěn)定度之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between air voids and dynamic stability

規(guī)范[20]規(guī)定，多孔超薄瀝青磨耗層用于重及以上交通荷載等級時動穩(wěn)定度需大于3 000次/mm，用于中等、輕交通荷載等級時動穩(wěn)定度需大于1 500次/mm。由試驗結(jié)果可知，當(dāng)空隙率為18%～20%時，動穩(wěn)定度均大于3 000次/mm，此時滿足重及以上交通荷載等級要求；當(dāng)空隙率為20%～24%時，動穩(wěn)定度均大于1 500次/mm且小于3 000次/mm，此時滿足中等、輕交通荷載等級的要求。

3.2 空隙率對低溫性能的影響

本研究采用低溫小梁彎曲試驗中破壞時的最大彎拉應(yīng)變來評價多孔超薄瀝青磨耗層低溫性能，最大彎拉應(yīng)變是低溫柔韌性指標(biāo)，反映混合料的變形能力。試驗采用長250 mm、寬30 mm、高50 mm的小梁試件，其中PUAWL-8厚度為20 mm，AC-13厚度為30 mm，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。低溫小梁彎曲試驗結(jié)果見圖3。

圖3 空隙率與最大彎拉應(yīng)變之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between air voids and maximum bending tensile strain

由圖3可知，最大彎拉應(yīng)變隨著空隙率的增大呈先減小后增大的趨勢，當(dāng)空隙率為18%～20%時，最大彎拉應(yīng)變逐漸減小，當(dāng)空隙率為20%時，最大彎拉應(yīng)變減小到4 469 με；當(dāng)空隙率大于20%時，最大彎拉應(yīng)變逐漸增大；當(dāng)空隙率為24%時，最大彎拉應(yīng)變?yōu)? 560 με，此時多孔超薄瀝青磨耗層的最大彎拉應(yīng)變最大，變形能力最好。這可能是因為空隙率為18%～20%時，細集料多而粗集料少，較多的細集料會因干涉粗集料之間的嵌擠作用而不能形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)，此時多孔超薄瀝青磨耗層結(jié)構(gòu)相對比較密實，強度較大而變形能力減小；當(dāng)空隙率大于20%時，粗集料多并能相互嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)，細集料較少，此時多孔超薄瀝青磨耗層強度減小，變形能力增大。

根據(jù)規(guī)范[22]對不同氣候分區(qū)的最大彎拉應(yīng)變的要求可知，對于氣溫最低的冬嚴(yán)寒區(qū)(即溫度<-37 ℃)，最大彎拉應(yīng)變應(yīng)不小于3 000 με，試驗結(jié)果表明，4個不同空隙率的多孔超薄瀝青磨耗層均能滿足規(guī)范對冬嚴(yán)寒區(qū)的低溫性能要求。

3.3 空隙率對水穩(wěn)定性的影響

多孔超薄瀝青磨耗層具有較大的空隙率，水分更容易入滲至集料與瀝青的接觸面上，造成瀝青路面的松散和剝落，因此測定多孔超薄瀝青磨耗層的水穩(wěn)定性極其重要。本研究采用浸水馬歇爾試驗來評價多孔超薄瀝青磨耗層的水穩(wěn)定性能[4,23-24]。試驗采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，尺寸為φ101.6 mm×63.5 mm，在恒溫水槽中保溫48 h后，以殘留穩(wěn)定度來評價PUAWL-8的水穩(wěn)定性。不同空隙率下多孔超薄瀝青磨耗層的浸水馬歇爾試驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 空隙率與穩(wěn)定度的關(guān)系Fig.4 Relationship between air voids and stability

圖5 空隙率與浸水殘留穩(wěn)定度的關(guān)系Fig.5 Relationship between air voids and immersion residual stability

由圖4可知，浸水與未浸水的馬歇爾穩(wěn)定度與空隙率均呈良好的線性關(guān)系，且隨著空隙率的增大，穩(wěn)定度逐漸減小。由圖5可知，空隙率為18%～20%時，殘留穩(wěn)定度基本相似；當(dāng)空隙率為22%時，殘留穩(wěn)定度升至最大，為94%；隨后殘留穩(wěn)定度減小，當(dāng)空隙率為24%時，殘留穩(wěn)定度值降低至84%。這可能是因為當(dāng)空隙率為24%時，由于空隙率過大，粗集料多能夠嵌擠形成骨架結(jié)構(gòu)，細集料過少不能填充空隙，該結(jié)構(gòu)的內(nèi)摩擦角較大但內(nèi)黏聚力較低；且由于集料的比表面積減小，集料與瀝青的接觸面積減少，試件在經(jīng)過48 h浸水后，瀝青與集料間的黏附力大大降低，導(dǎo)致殘留穩(wěn)定度降低。這說明過大的空隙率對PUAWL-8的強度和受水損害時抗剝落能力有不利影響。

根據(jù)規(guī)范[22]對不同年降雨量下瀝青混合料水穩(wěn)定性的要求，對于年降雨量小于500 mm的地區(qū)，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度需不小于80%；對于年降雨量大于500 mm的地區(qū)，浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度需不小于85%。根據(jù)試驗結(jié)果可知，當(dāng)空隙率為18%～22%時，滿足年降雨量大于500 mm的地區(qū)；當(dāng)空隙率為24%時，滿足年降雨量小于500 mm的地區(qū)。

4 空隙率對滲水功能的影響

本研究采用滲水系數(shù)來評價PUAWL-8的滲水功能。滲水系數(shù)的測量方法遵循達西定律，一般分為常水頭法和變水頭法。其中，常水頭法主要用于透水性較強的材料；而變水頭法主要用于透水性較差的材料。本研究按照我國規(guī)范[21]中瀝青混合料變水頭試驗方法進行滲水系數(shù)的測定，儀器選用豎向滲水試驗儀，試件選用空隙率為18%，20%，22%和24%，尺寸為(300 mm×300 mm×50 mm)的PUAWL-8車轍板，其中PUAWL-8厚度為20 mm，AC-13厚度為30 mm。不同空隙率對應(yīng)的滲水試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 空隙率與滲水系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Relationship between air voids and permeability coefficient

由試驗結(jié)果可知，空隙率為18%～24%時，多孔超薄瀝青磨耗層均能滲水。經(jīng)擬合可知，空隙率與滲水系數(shù)之間有良好的二次相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.999 3，且空隙率越大滲水效果越好。當(dāng)空隙率為18%時，滲水系數(shù)最小，為1 379 mL/min；當(dāng)空隙率為24%時，滲水系數(shù)最大，為2 175 mL/min。前期，滲水系數(shù)隨著空隙率的增加幅度較大，但空隙率達到22%以上時，滲水系數(shù)增加幅度較小，比較平緩，這是因為當(dāng)試件空隙率大于一定值后，但受到豎向滲水儀中的水與試件接觸的面積限制，此時該空隙率對滲透性能不起主要作用，超過該空隙率后滲水系數(shù)的增加趨勢平緩。

5 結(jié)論

本研究主要分析了18%，20%，22%和24%這4種不同空隙率的PUAWL-8高溫性能、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和滲水性能之間的關(guān)系，主要結(jié)論包括以下幾方面：

(1)高溫性能方面，PUAWL-8的空隙率與車轍試驗的動穩(wěn)定度呈良好的線性關(guān)系，動穩(wěn)定度隨著空隙率的增大而減小。對于重及以上交通荷載等級路段可選用空隙率的范圍為18%～20%，對于中等、輕交通荷載等級，可選擇的空隙率范圍為20%～24%。低溫性能方面，隨著PUAWL-8空隙率的增大，最大彎拉應(yīng)變先減小后增大，且4種空隙率的多孔超薄瀝青磨耗層的最大彎拉應(yīng)變均符合極端最低氣溫條件下所要求的破壞應(yīng)變。

(2)水穩(wěn)定性方面，增大PUAWL-8的空隙率對多孔超薄瀝青磨耗層的強度和抗水損壞不利。年降雨量大于500 mm的地區(qū)，可選擇的空隙率范圍為18%～22%時；年降雨量小于500 mm的地區(qū)，可選擇的空隙率為24%。

(3)經(jīng)多孔超薄瀝青磨耗層的滲水試驗可知，18%～24%的空隙率均能滲水，且空隙率與滲水系數(shù)呈良好的二次相關(guān)關(guān)系，滲水性能隨著空隙率的增大而增大。

(4)綜合考慮空隙率對PUAWL-8的高溫性能、低溫性能、水穩(wěn)定性和排水性能的影響可知，推薦PUAWL-8的最佳空隙率范圍為20%～22%。

(5)PUAWL-8的路面性能均滿足極端環(huán)境(如高溫、低溫)條件要求和耐久性(水穩(wěn)定性要求)，因此PUAWL-8可以作為一種路面表面功能性筑路材料。