空隙率對(duì)PAC瀝青混合料路用性能的影響研究

鄭明考

(廣東冠粵路橋有限公司 廣州市 511450)

0 引言

我國(guó)現(xiàn)存城市道路鋪裝多采用石板材鋪裝或密級(jí)配瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)型式,由于其特有的密封性,有著滲透性差、降噪能力不佳的缺陷,易引起城市熱島效應(yīng),同時(shí)引發(fā)環(huán)境噪聲污染問(wèn)題[1-4]。

PAC瀝青混合料作為道路鋪裝材料時(shí),道路徑流雨水可通過(guò)混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙流通并下滲至相關(guān)排水設(shè)施,徑流雨水的流通及下滲速度與其空隙分布特征直接相關(guān),空隙越大其排水性能越好。而隨著設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率的提升,PAC瀝青混合料的路用性能也會(huì)受到相應(yīng)影響。如何在保證路用性能的基礎(chǔ)上盡可能發(fā)揮PAC瀝青混合料的排水及抗滑能力是進(jìn)一步推廣應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)[5-6]。

現(xiàn)行《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》[7](CJJ/T 190—2012)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)透水路面規(guī)程)中對(duì)PAC-13瀝青混合料的空隙率范圍進(jìn)行了規(guī)定:設(shè)計(jì)的PAC-13瀝青混合料空隙率應(yīng)處于18%～25%的范圍內(nèi)。該范圍僅對(duì)PAC瀝青混合料的空隙率范圍提出了較為寬泛的要求,在指導(dǎo)應(yīng)用過(guò)程中,即便設(shè)計(jì)施工的PAC瀝青混合料滿足上述規(guī)程要求,其排水抗滑及路用性能仍有著較大差異空間。此外,我國(guó)多項(xiàng)規(guī)范中對(duì)PAC瀝青混合料的諸多技術(shù)指標(biāo)規(guī)定有著一定差異,指標(biāo)類(lèi)別及指標(biāo)值各不相同。參照不同的規(guī)范及施工標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)滿足PAC瀝青混合料性能要求目標(biāo)的難度也存在著較大差別。

基于此,文章結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法和試驗(yàn)法擬定3組目標(biāo)空隙率的級(jí)配曲線,對(duì)應(yīng)成型了18%、20%以及22%空隙率的PAC-13瀝青混合料試件,開(kāi)展PAC瀝青混合料路用性能表現(xiàn)對(duì)比分析試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比不同空隙率條件下對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)、析漏損失、動(dòng)穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度、構(gòu)造深度及動(dòng)態(tài)模量等指標(biāo)參數(shù),總結(jié)空隙率對(duì)PAC瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律。

1 原材料與級(jí)配設(shè)計(jì)

選用高黏改性瀝青作為PAC瀝青混合料粘結(jié)材料,性能指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 高黏改性瀝青性能指標(biāo)表

選用玄武巖碎石集料,對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),滿足規(guī)范要求,通過(guò)調(diào)整2.36mm關(guān)鍵篩孔通過(guò)率確定PAC瀝青混合料空隙率。結(jié)合試驗(yàn)法擬定了3組PAC瀝青混合料目標(biāo)空隙率的級(jí)配,其空隙率分別為18%、20%以及22%,詳見(jiàn)表2。

表2 級(jí)配分析表

采用瀝青膜厚度控制法計(jì)算得出對(duì)應(yīng)瀝青用量,同時(shí)以析漏及飛散試驗(yàn)驗(yàn)證配合比設(shè)計(jì)結(jié)果,并據(jù)此成型各組不同空隙率的PAC瀝青混合料試件組。

2 滲透性能變化規(guī)律分析

根據(jù)透水路面規(guī)程要求,通過(guò)水中重法進(jìn)行檢測(cè)的PAC-13瀝青混合料連通空隙率應(yīng)不低于14%。對(duì)上文設(shè)計(jì)制備的三種PAC-13瀝青混合料連通空隙率指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 連通空隙率檢測(cè)結(jié)果

分析表3中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):三組不同目標(biāo)空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的實(shí)測(cè)空隙率均可滿足透水路面規(guī)程的要求。并且隨空隙率數(shù)值的提升,連通空隙率也隨之線性增長(zhǎng)。這也側(cè)面反映出,當(dāng)不具備測(cè)量連通空隙率條件時(shí),可通過(guò)試件實(shí)測(cè)空隙率初步表征PAC瀝青混合料的透水能力。

滲透系數(shù)是直接表征PAC瀝青混合料滲透性能的主要指標(biāo)。通過(guò)路面滲水測(cè)試儀檢測(cè)碾壓成型的PAC瀝青混合料,試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 滲透系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[8](JTG D50—2017)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)設(shè)計(jì)規(guī)范)中對(duì)PAC-13瀝青混合料的滲透系數(shù)范圍進(jìn)行了規(guī)定:PAC-13瀝青混合料滲透系數(shù)應(yīng)不小于900mL/15s。而透水路面規(guī)程中對(duì)其要求則為不小于800mL/15s。

分析表4中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):三組不同目標(biāo)空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的滲透系數(shù)均可滿足透水路面規(guī)程及設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。即當(dāng)PAC-13瀝青混合料空隙率在18%以上時(shí)即可滿足其滲透性能要求。此外,PAC-13瀝青混合料的滲透系數(shù)整體變化趨勢(shì)與空隙率正相關(guān),但增長(zhǎng)幅度不大,從18%提升到20%再到22%的過(guò)程中,分別僅增長(zhǎng)了92 mL/15s和67 mL/15s。這表明在PAC瀝青混合料的設(shè)計(jì)過(guò)程中無(wú)需過(guò)多考慮其滲水性能方面的要求,而應(yīng)將研究重點(diǎn)偏向于其路用性能的提升方面。

3 析漏及飛散損失變化規(guī)律分析

抗析漏和飛散性能是PAC瀝青混合料需要重點(diǎn)關(guān)注的路用性能,現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[9](JTG F40—2004)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)施工規(guī)范)中對(duì)PAC-13瀝青混合料的析漏損失和飛散損失范圍進(jìn)行了規(guī)定:PAC-13瀝青混合料析漏損失和飛散損失應(yīng)不超過(guò)0.3%及20%。而透水路面規(guī)程中對(duì)飛散損失的要求則存在差異,規(guī)定為15%。對(duì)三組不同空隙率PAC-13瀝青混合料試件的析漏及飛散損失進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 析漏及飛散損失檢測(cè)結(jié)果

分析表5中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):三組不同目標(biāo)空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的析漏及飛散損失指標(biāo)均可滿足透水路面規(guī)程及施工規(guī)范的要求。其中飛散損失隨空隙率的提升而線性增長(zhǎng),析漏損失隨油石比的提升而線性增長(zhǎng),與空隙率無(wú)直接關(guān)系,這提醒了在PAC-13瀝青混合料設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制瀝青用量。

4 高溫穩(wěn)定性變化規(guī)律分析

瀝青混合料鋪裝路面在使用過(guò)程中,尤其是夏季高溫時(shí)節(jié)易在荷載作用下發(fā)生永久性變形,因此,高溫穩(wěn)定性是瀝青混合料路用性能的重要表征指標(biāo),可通過(guò)室內(nèi)車(chē)轍試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)?，F(xiàn)行施工規(guī)范中對(duì)PAC-13瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度范圍進(jìn)行了規(guī)定:在一般路段應(yīng)在1500次/mm以上,重載交通路段則應(yīng)在3000次/mm以上。而透水路面規(guī)程中對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的要求則存在差異,統(tǒng)一要求為3500次/mm以上。對(duì)三組不同空隙率PAC-13瀝青混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 動(dòng)穩(wěn)定度檢測(cè)結(jié)果

分析表6中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):三組不同目標(biāo)空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)均可遠(yuǎn)超滿足透水路面規(guī)程及施工規(guī)范的要求。對(duì)比

數(shù)值變化規(guī)律,當(dāng)空隙率為20%時(shí),PAC瀝青混合料試件高溫穩(wěn)定性指標(biāo)表現(xiàn)最佳,動(dòng)穩(wěn)定度處于最高值。

5 水穩(wěn)定性變化規(guī)律分析

5.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

浸水馬歇爾試驗(yàn)可表征評(píng)價(jià)PAC瀝青混合料的水穩(wěn)定性,現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求PAC-13瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度在80%以上。對(duì)三組不同空隙率PAC-13瀝青混合料試件的浸水殘留穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 浸水殘留穩(wěn)定度檢測(cè)結(jié)果

分析表7中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):三組不同目標(biāo)空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的浸水殘留穩(wěn)定度均可滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求,且隨空隙率的提升而線性下降。當(dāng)空隙率提升至22%時(shí),PAC瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度已下降至80.7%,接近規(guī)范下限值。而當(dāng)空隙率為18%時(shí),PAC-13瀝青混合料的浸水殘留穩(wěn)定度數(shù)值表現(xiàn)最佳。因此,在設(shè)計(jì)應(yīng)用PAC瀝青混合料鋪裝材料時(shí)不應(yīng)片面追求滲水能力,還應(yīng)兼顧瀝青混合料的水穩(wěn)定性,設(shè)計(jì)過(guò)高的空隙率將引起面層結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性下降,進(jìn)而引起路面病害。

5.2 凍融劈裂試驗(yàn)

現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求PAC-13瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比在70%以上,而透水路面規(guī)程中對(duì)凍融劈裂強(qiáng)度比的要求則是在85%以上。對(duì)三組不同空隙率PAC-13瀝青混合料試件的凍融劈裂強(qiáng)度比指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 凍融劈裂強(qiáng)度比檢測(cè)結(jié)果

分析表8中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):隨著PAC-13瀝青混合料空隙率的提升,凍融劈裂強(qiáng)度比與之呈非線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中當(dāng)空隙率由18%提升至20%時(shí),凍融劈裂強(qiáng)度比僅下降了0.3個(gè)百分點(diǎn),而當(dāng)空隙率繼續(xù)提升至22%時(shí),凍融劈裂強(qiáng)度比驟降至80.9%,仍都滿足現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求范圍,但此時(shí)已不再滿足透水路面規(guī)程要求范圍。這表明當(dāng)PAC瀝青混合料空隙率提升至22%后,抗水損害能力下降明顯。

6 抗滑性能變化規(guī)律分析

PAC瀝青混合料結(jié)構(gòu)有著大空隙及粗骨料占比較高的特點(diǎn),因而通常具備較好的抗滑性能,而這也是PAC瀝青混合料在推廣應(yīng)用過(guò)程中要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容?，F(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范要求PAC-13瀝青混合料的摩擦系數(shù)在58BPN以上,對(duì)構(gòu)造深度的要求是在0.55mm以上。通過(guò)檢測(cè)不同空隙率PAC-13瀝青混合料的構(gòu)造深度指標(biāo)及摩擦系數(shù)指標(biāo)用以展開(kāi)評(píng)價(jià)分析,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 構(gòu)造深度及摩擦系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

分析表9中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):對(duì)于構(gòu)造深度來(lái)說(shuō),三種空隙率對(duì)應(yīng)的PAC試件檢測(cè)值均遠(yuǎn)超規(guī)范下限要求,這說(shuō)明規(guī)范中對(duì)構(gòu)造深度的要求相對(duì)較為保守。構(gòu)造深度隨試件空隙率的提升呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,這與摩擦系數(shù)的變化規(guī)律相類(lèi)似,即PAC瀝青混合料的抗滑能力與空隙率正相關(guān),但空隙率影響幅度不明顯,在空隙率提升了4%后,構(gòu)造深度和摩擦系數(shù)僅分別增長(zhǎng)了0.25mm和5.7BPN。

7 動(dòng)態(tài)模量變化規(guī)律分析

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范,常采用動(dòng)態(tài)壓縮模量,用于PAC-13瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算中。常規(guī)做法是以20℃或15℃溫度對(duì)應(yīng)的材料回彈模量為依據(jù),但此做法通常無(wú)法直接反饋材料的頻率和溫度敏感性。鑒于此,文章探索開(kāi)展18%、20%以及22%的PAC-13瀝青混合料試件單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量檢測(cè)試驗(yàn),設(shè)定了50℃、35℃、20℃、5℃以及-10℃五組檢測(cè)溫度,加載頻率則設(shè)定為25Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5 Hz以及0.1Hz。依據(jù)時(shí)溫等效疊加原理,通過(guò)移位因子公式(見(jiàn)式1)將各加載頻率下的不同溫度動(dòng)態(tài)模量檢測(cè)結(jié)果等效為20℃動(dòng)態(tài)模量值。整理數(shù)據(jù)后利用Sigmoid數(shù)學(xué)模型(見(jiàn)式2)擬合函數(shù)得到主曲線圖,見(jiàn)圖1。

圖1 動(dòng)態(tài)模量主曲線圖

(1)

式中:C1、C2為材料自身相關(guān)常數(shù);T為試驗(yàn)溫度(℃);TR為參考溫度(℃)。

(2)

式中:|E*(fr)|為加載頻率下的動(dòng)態(tài)模量(MPa);δ、α為主曲線漸近線值(MPa);β、γ為形狀參數(shù)。

分析圖1可以發(fā)現(xiàn):隨加載頻率的提升,不同空隙率的PAC-13瀝青混合料試件組動(dòng)態(tài)模量均呈上升趨勢(shì),并且三條主曲線走勢(shì)相近?？v向?qū)Ρ韧阮l率下,不同空隙率的試件動(dòng)態(tài)模量大小關(guān)系則為:18%空隙率試件>20%空隙率試件>22%空隙率試件。該模型可為PAC-13瀝青混合料路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算及應(yīng)用提供一定參考。

8 結(jié)語(yǔ)

文章結(jié)合經(jīng)驗(yàn)法和試驗(yàn)法擬定3組目標(biāo)空隙率的級(jí)配曲線,對(duì)應(yīng)成型了18%、20%以及22%空隙率的PAC-13瀝青混合料試件,開(kāi)展PAC瀝青混合料路用性能表現(xiàn)對(duì)比分析試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)比不同空隙率條件下對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)、析漏損失、動(dòng)穩(wěn)定度、浸水殘留穩(wěn)定度、構(gòu)造深度及動(dòng)態(tài)模量等指標(biāo)參數(shù),總結(jié)空隙率對(duì)PAC瀝青混合料路用性能的影響規(guī)律:

(1)隨油石比的提升,PAC瀝青混合料析漏損失指標(biāo)值顯著增大,與空隙率無(wú)直接關(guān)系;隨空隙率指標(biāo)的提升,PAC瀝青混合料飛散損失指標(biāo)值顯著增大。

(2)當(dāng)空隙率為20%時(shí),PAC瀝青混合料試件高溫穩(wěn)定性指標(biāo)表現(xiàn)最佳,動(dòng)穩(wěn)定度處于最高值。

(3)水穩(wěn)定性隨空隙率的提升而減弱,當(dāng)空隙率增長(zhǎng)至22%時(shí),凍融劈裂強(qiáng)度比將不再處于規(guī)范要求范圍。

(4)PAC瀝青混合料的抗滑能力與空隙率正相關(guān),且空隙率影響幅度不明顯。

(5)不同空隙率條件下的動(dòng)態(tài)模量主曲線走勢(shì)相近,同等頻率下,22%空隙率試件組的動(dòng)態(tài)模量值最低。