防滑降噪沥青混合料配合比设计及性能研究

王素兰 ，石凯 ，韩亮 ，臧博青 ，王博

（1.保定市公路管理局，河北 保定 071000；2.保定市交通运输局，河北 保定 071000；3.长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

0 引言

近年来我国公路交通事业发展迅速，给人们带来了极大的方便，但交通噪声、道路路面抗滑性能不足等问题日益突显，严重影响到人们的工作和生活[1]。因此，向社会提供环保性好、舒适性强、品质高的公路交通，逐渐成为研究的重要课题。防滑降噪沥青路面具有抗滑性能好、降噪性能优良以及空隙率大等特点[2]，在保证行车安全的同时降低了噪声污染，已成为国内外研究的热点。对防滑降噪沥青混合料进行研究，进而提高路面使用寿命，具有非常重要的工程应用前景和经济效益。我国对降噪沥青路面的研究起步较晚，并没有形成比较完整的防滑降噪沥青路面设计规范，郑洋等[3]分析了沥青胶结料对排水沥青混合料性能的影响，提出了比较合理的排水沥青混合料的设计方法。丛卓红等[4]通过析漏损失控制指标，确定了最佳沥青用量，提出析漏损失控制标准小于0.45%，并系统分析了排水性沥青混合料路用性能的影响因素。胡曙光等[5]通过控制水头差对排水路面沥青混合料的渗透系数测试，并对矿料组成进行了详细研究，实验表明混合料的空隙率对渗透系数影响较大。

本文以河北省S335公路防滑降噪沥青路面试验段实体工程为依托，通过跟踪观测和大量的室内外试验，从原料选择、混合料配合比设计、路面耐久性能等方面对防滑降噪沥青路面进行系统的研究，确定初拟目标级配，通过飞散、析漏试验确定沥青混合料的最佳油石比，并对防滑降噪沥青混合料的抗滑性、水稳性、透水性、高温稳定性以及力学性能进行研究，为防滑降噪沥青路面的工程应用提供参考依据。

1 试验材料

1.1 沥青胶结料

本文采用3种动力粘度相差较大的沥青进行试验[6-7]，分别为壳牌高粘改性沥青、东海牌高粘改性沥青、70#重交沥青，沥青的性能指标如表1所示。

表1 沥青材料的性能指标

1.2 集料

细集料在防滑降噪沥青混合料中所占比例较小，采用颗粒级配的机制砂[8]。粗集料的颗粒形状、坚硬程度对集料嵌挤作用影响较大，试验粗集料的技术指标如表2所示。

表2 粗集料的技术指标

1.3 乳化沥青

阳离子乳化沥青与集料拌合破乳时间较短，反应速度较快[9]。为了提高沥青面层之间的粘结力，试验路段选用阳离子改性乳化沥青作粘层油，含量控制在65%，乳化沥青的技术指标符合JTGF 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求，见表3。

表3 乳化沥青的技术性能指标

2 防滑降噪沥青混合料配合比设计

防滑降噪沥青路面具有透水、降噪、防滑等特殊的功能，在防滑降噪沥青混合料配比设计中，根据外部因素确定目标空隙率，通过目标空隙率确定的矿质混合料的级配，并利用析漏试验和飞散试验确认集料间的粘结力，进而确定最佳沥青用量。

2.1 目标空隙率及关键筛孔的确定

试验段为二级省道公路，地处河北省保定市，夏季高温多雨，重载车辆较多，将目标空隙率定为21%，试验石料采用辉绿岩，为设计达到目标空隙率的矿料级配，对级配组成与空隙率的关系进行研究。级配试验方案如表4所示。

表4 级配试验方案

以 P13.2、P9.5、P2.36、P0.075为自变量，空隙率为因变量，采取前进法筛选变量技术回归空隙率与影响因子的关系，筛选变量逐步回归过程。由回归过程可知，P2.36与混合料空隙率的线性相关系数较高。采用体积法和真空密封法测量试件的毛体积密度，并计算试件的空隙率，辉绿岩、石灰岩3种级配的P2.36与体积法、真空法空隙率的关系如表5所示。表明空隙率与P2.36具有良好的线性关系，真空法空隙率与P2.36线性相关性明显好于体积法空隙率，且真空法空隙率更接近试件真实空隙率。P2.36相同时石灰岩的空隙率明显小于辉绿岩，这主要由于辉绿岩强度远远高于石灰岩，石灰岩更易被击碎，空隙被填塞。

表5 各级配的P2.36与真空法、体积法空隙率关系

2.2 目标级配的确定

当体积法空隙率为20%时，根据体积法空隙率与P2.36拟合的线性关系求得2.36 mm筛孔通过率为12.5%。目标级配如表6所示。

表6 初拟目标级配

2.3 性能测试方法

对于空隙率较大的防滑降噪沥青混合料，传统的马歇尔试验并不适用，本文结合我国具体情况，根据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》相关要求，采用如下性能测试方法确定最佳沥青用量[10-11]。首先根据集料表面积和沥青厚度确定初试沥青用量，随后将初始沥青用量作为中值，取±0.5%、±1%的变化量，对初步拟定的目标级配进行飞散、析漏、马歇尔试验。根据飞散试验结果来确定混合料不发生松散时的最小沥青用量，根据析漏试验结果确定混合料不发生流淌时的最大沥青用量，最好根据马歇尔试验结果确定最佳沥青用量。

2.4 最佳沥青用量的确定

试验路段目标级配初试油石比为5.2%，沥青胶结料为东海牌高粘沥青，选择5组油石比进行飞散、析漏试验，析漏损失控制指标要求小于0.5%。试验结果如图1所示。由图1可知，析漏损失曲线拐点对应的油石比为5.2%，飞散损失曲线拐点对应油石比为5.1%。

图1 沥青用量试验结果

马歇尔试验是确定密级配沥青混合料最佳油石比的试验方法，在级配组成上透水性沥青混合料与普通密级配沥青混合料差别较大。因此，马歇尔试验结果仅作为确定最佳用油量的参考，马歇尔试验的结果见表7。

表7 马歇尔试验结果

综合考虑马歇尔毛体积密度、饱和度、稳定度及空隙率与油石比的关系，满足要求的沥青混合料油石比范围为4.7%～5.7%。同时满足马歇尔稳定度、析漏、飞散损失要求的沥青混合料油石比范围为4.9%～5.5%。基于试验目标级配，最佳油石比为5.2%时，对应的沥青用量为5.0%，对比分析油石比与空隙率的关系可知，混合料的最佳沥青用量为5.2%时，空隙率为21%，满足试验要求。

3 防滑降噪沥青混合料性能研究

3.1 抗滑性能分析

优良的抗滑性能是保证沥青路面功能耐久性的重要前提[12]。通过人工铺砂法测得的构造深度以及摆式摩擦系数测定仪测得的摆值进行抗滑性能分析，抗滑性能试验结果如表8所示。

表8 抗滑性能试验结果

由表8可以看出，同一种级配，不同沥青拌合的混合料摆值相差不大，说明沥青种类对混合料的抗滑性能影响较小。空隙率越大，摆值越大，除5%级配空隙率外，其他级配的构造深度均大于1.53 mm，摆值均高于50.49 BNP，与普通密级配路面相比防滑降噪沥青路面，具有更高的抗滑性能。

3.2 高温性能分析

采用的车辙试验对混合料的高温性能进行评价。使用3种沥青与目标级配空隙率21%制作车辙试件，试件尺寸450 mm×450 mm×55 mm，60℃下以轮压为1.0 MPa的橡胶轮在同一轮迹带上往复碾压，形成车辙槽，通过动稳定度和车辙槽深度对混合料的抗车辙能力进行评价，试验结果见表9。

表9 目标级配车辙试验结果

由表9可以看出，随着60℃动力粘度增大，沥青混合料的动稳定度显著增加。目标级配下，高粘沥青混合料的动稳定度优于JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》要求（≥3000次/mm），普通沥青混合料的动稳定度不满足规范要求，试验表明高粘沥青可以有效提高混合料的高温稳定性。

沥青结合料采用东海牌高粘沥青，空隙率分别为24%、21%、18%，成型车辙板试件，试件尺寸450 mm×450 mm×55 mm，进行车辙试验，不同空隙率混合料的总变形量与动稳定度关系如图2所示。

图2 不同空隙率混合料的总变形量与动稳定度关系

由图2可知，空隙率对混合料的高温稳定性影响较大，混合料的动稳定度随空隙率的增大逐渐减小；空隙率小于21%时，动稳定度虽有所增加，但增加幅度较小；空隙率大于21%时，动稳定度降低的速率变大。表明东海高粘沥青做结合料时，以21%的空隙率作为目标空隙率可以有效提高混合料的高温稳定性。

3.3 水稳性能分析

水稳性为大空隙沥青混合料的重要控制指标，采用3种沥青以目标级配孔隙率为21%制作3组试件，对试件的水稳性进行研究。

3.3.1 沥青对飞散损失的影响（见图3）

图3 不同种类沥青混合料的飞散损失

由图3可以看出，普通沥青混合料的抗水损害性能较差，而高粘沥青混合料的飞散损失减小了近50%；3种沥青的标准飞散损失明显小于浸水飞散损失，这主要由于试件受到水损坏后，水稳性明显下降；壳牌高粘沥青混合料的浸水飞散损失小于10%，其抗水损害能力最强。

飞散损失与60℃动力粘度的关系如图4所示。

图4 飞散损失与60℃动力粘度的关系

由图4可以看出，动力粘度对混合料的抗水损害能力影响较大，选择高粘沥青可以有效提高混合料的水稳性能。3.3.2 空隙率对飞散损失的影响（见图5）

图5 不同空隙率混合料的肯塔堡飞散试验结果

由图5可以看出，浸水条件下沥青混合料的飞散损失均符合JTG F40—2004规范要求，表明东海高粘沥青作为沥青结合料具有显著的优越性；浸水和标准条件下，随空隙率的增加沥青混合料的飞散损失不断增大，空隙率由21%增加到24%时，浸水飞散损失的增长率远远高于标准飞散，即大空隙路面易出现松散剥落现象。以东海牌高粘沥青作为结合料，空隙率为21%时能满足沥青路面的功能性和耐久性要求。

3.4 透水性能分析

渗透系数是反映混合料透水能力的综合系数，防滑降噪沥青路面的排水功能是通过路面结构内部的空隙将雨水的排出到路面边缘以外，本文采用3种不同空隙率级配试验方案，对沥青混合料空隙率与渗透系数的关系进行研究，进而分析防滑降噪沥青混合料的透水性能。试验结果见表10。

表10 渗透系数测试结果

由表10可知，连通空隙率越大，渗透系数越大，渗透系数随连通空隙率的增长呈线性增长，沥青混合料的连通空隙率范围一般在11%～16%），当连通空隙率为12.47%时，渗透系数为0.218 cm/s。可将连通空隙率作为防滑降噪沥青混合料的渗透系数的控制指标，因此，为保证沥青混合料的透水性能，配比设计时渗透系数指标应大于0.218 cm/s。

3.5 力学性能分析

以防滑降噪沥青路面试验段为依托，分析后轴轴载为90、110、130、150及170 kN时计算基层层底拉应力和沥青层层底拉应变，分析路面疲劳寿命的降低趋势。在基层和面层层间完全连续和半连续2种状态下，各结构层的不同轴载作用下受力状况如图6所示。

图6 各结构层不同轴载作用下的受力状况

当面层和基层处于完全连续的状态下时，一般基层层底拉应力的容许拉应力控制值为0.24 MPa左右；轮载值由90 kN增加至170 kN时，基层层底拉应力平均每级增加0.0208 MPa。轮载为160 kN时，基层层底拉应力高于材料的容许值，基层底部易发生开裂并向上延伸。面层和基层处于半连续状态时，基层层底拉应力平均每级增加0.0141 MPa，轮载为140 kN时，接近材料的容许拉应力。面-基层的不良粘结状态以及较大轮载均会导致基层层底拉应力增大，因此严格控制面-基层层间粘结情况，降低路面所受到的轴载，可减小和避免路面的破坏，有效提高沥青路面的路用性能和使用寿命。

4 结论

为减少防滑降噪沥青路面的工程财政开支，延长路面使用寿命，通过跟踪观测和大量的室内外试验，对防滑降噪沥青路面进行系统的研究，找出影响混合料空隙率的关键筛孔，确定初拟目标级配，通过飞散、析漏试验确定沥青混合料的最佳油石比，并对防滑降噪沥青混合料的抗滑性、水稳性、透水性、高温稳定性以及力学性能进行研究，主要得出以下结论：

（1）P2.36与混合料空隙率的线性相关系数较高，真空法空隙率更接近试件真实空隙率，目标空隙率选择为21%时能满足沥青路面的功能性和耐久性要求，目标级配下，高粘沥青混合料的动稳定度优于JTG F40—2004规范要求。

（2）同一种级配条件下，不同沥青拌合的混合料摆值相差不大，说明沥青种类对混合料的抗滑性能影响较小；动力粘度对混合料的抗水损害能力影响较大，合理的选择高粘沥青可以有效提高混合料的水稳性能；渗透系数随连通空隙率的增长呈线性增长，为保证沥青混合料的透水性能，配合比设计时渗透系数指标应大于0.218 cm/s。

（3）动力粘度对混合料的抗水损害能力影响较大，在目标空隙率为21%的条件下，混合料的飞散损失小于12%，马歇尔稳定度达到12 kN，动稳定度接近5000次/mm，路用性能优于JTG F40—2004规范要求。

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