透水路面高黏改性沥青的高低温性能评价

2018-09-10冯芳

城市道桥与防洪 2018年7期

冯芳

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东深圳 518029）

0 引言

透水沥青路面具有透水性好、降噪性强、抗滑性高等优点，近年来被广泛应用于市政道路工程。透水沥青路面的应用和推广为海绵城市的建设提供了有力支撑，并为环境友好型道路的建设提供了依据。

透水沥青路面是由大孔隙、开级配沥青混合料铺筑而成的，在结构内部形成排水通道的低噪声新型路面。低噪声透水沥青路面结构层组合和所用材料的基本特点是上面层采用大空隙沥青混合料，黏结料为高黏度沥青；下承面层采用不透水的密级配沥青混凝土，且在顶面洒布兼有防水功能的改性乳化沥青黏层。透水沥青路面设计中最关键的技术指标是沥青胶结料的材料性能，一般采用高黏改性沥青作为透水沥青路面的胶结料。

1 透水沥青路面的发展情况

目前，透水沥青路面在国内外均有应用，大致的发展情况介绍如下。

一般国内采用厚度约4 cm的大空隙沥青路面。低噪声透水沥青路面是一种具有大于15%（一般为18%～25%）空隙率的沥青路面[1]，由于其结构的关系，在不同的国家有不同的名称。在德国被称之为大空隙或排水性路面（Porous Asphalt）；在英国被称为大空隙沥青碎石（Pervious Macadam）；美国和日本称其为开级配沥青排水层（Open-Graded Asphalt Friction Course，简称OGFC）；加拿大则称其为（Open-Graded Asphalt，简称OGA）；我国按照美国和日本的方法，称之为OGFC[2]。由于开级配透水沥青路面具有降低噪声、增加抗滑、避免眩光、减小水漂等环保性能[3-4，6]，因此，常称之为低噪声透水沥青路面。低噪声透水沥青路面因具有雨天行车安全、可降低噪声以及能够增加抗滑能力等特点，故在国内外迅速发展起来。从20世纪50年代中期开始，低噪声透水沥青路面便已开始使用，现在主要用于美国、日本、丹麦、荷兰、比利时、法国、澳大利亚和意大利等国家。

透水沥青路面的设计采用间断级配，集料之间的接触是点接触，混合料强度的保证主要依赖沥青的黏结作用。因此，沥青胶结料的性能指标是确保透水沥青混合料质量的关键。本文针对透水沥青路面中高黏改性沥青的高低温性能进行试验研究和评价分析，旨在明确透水沥青路面设计中对高黏沥青的基本要求和技术标准。

2 高温性能评价

2.1 试验方案

美国公路战略研究计划（SHRP）提出用车辙因子（G*/sinδ）评价沥青材料的高温性能，并将其作为高性能沥青路面设计规范（SUPERPAVE）[5]中沥青胶结料PG分级的主要参考指标。高性能沥青路面设计规范（SUPERPAVE）中的沥青标准规定：在路面最高设计温度下，原样沥青的车辙因子（G*/sinδ）需大于或等于1.0 kPa；薄膜加热老化（RTFOT）后残留沥青的车辙因子（G*/sinδ）需大于或等于2.2 kPa。

采用动态剪切流变仪（DSR）测试沥青胶结料的复数剪切劲度模量（G*）和相位角（δ）。进而用车辙因子（G*∕sinδ）评价沥青胶结料的抗车辙能力，也即高温性能。试验测试温度为平均路面设计温度，结果分析中分别采用原样沥青及薄膜加热老化（RTFOT）后残留沥青的车辙因子（G*∕sinδ），依次评价不同沥青胶结料在老化前后的高温性能。

本研究共测试了18种沥青胶结料的高温性能，其中17种是改性沥青，1种是基质沥青，具体名称及编号见表1。

2.2 结果分析

不同测试温度条件下，18种沥青老化前后的车辙因子（G*/sinδ）如图1、图2所示。

图1 原样沥青的车辙因子

由图1、图2可知，高温条件下，改性沥青的车辙因子（G*/sinδ）普遍高于基质沥青的车辙因子（G*/sinδ）。由此可见，在沥青路面的使用温度范围内，改性沥青的高温稳定性普遍优于基质沥青，改性沥青的抗车辙能力也普遍高于基质沥青。

图2 RTFOT残留沥青的车辙因子

3 低温性能评价

3.1 试验方案

对于沥青的低温性能常采用的方法是5℃延度、低温柔度等指标，但这些指标在有效区分沥青性能等方面存在缺陷。本文通过借鉴沥青混合料低温弯曲试验的经验和成果，对改性沥青材料的低温弯曲抗拉试验进行研究，以进一步评价改性沥青的低温性能。

依据国内外已有的经验[7~10]，本课题在进行该项研究时，试验采用的温度为-20℃温度点，试验采用的加载装置是型号为WDW-5的万能试验机，试件是尺寸为长120 mm×宽20mm×高20 mm的沥青样条。试验通过获得的最大应力及对应的挠度数值，计算相应的弯曲抗拉模量和韧度。

3.2 结果分析

改性沥青低温性能指标的测试结果如表2以及图3所示。

由试验结果可知，改性后的沥青材料的模量和韧度大多是下降的，只有极个别的是增加的，例如7#沥青的模量和10#沥青的韧度，这种反常极有可能是由实验室的误差引起的。一般情况下老化前的指标更能代表材料的使用性能，因此建议采用老化前的指标作为评价指标。不同改性沥青的模量大小排序为：4#＞7#＞5#＞3#＞6#＞2#＞9#＞1#＞8#＞10#，韧度大小排序为：8#＞7#＞6#＞3#＞2#＞5#＞1#＞4#＞9#＞10#。由此可以看出，不同改性沥青在模量较高的情况下，其韧度不一定较高，因此此项试验建议采用两指标共同控制。

如图4和图5所示，通过对改性沥青的低温弯曲抗拉试验，可以看到市场上改性沥青该项性能的平均生产力水平。其中有70%沥青材料的模量值介于450~650MPa之间，对于模量值在450MPa以下和650 MPa以上的仅占30%。对于韧度的分布值，其中50%的改性沥青材料在100~200 kPa之间，还有30%的达到了200 kPa以上，仅有20%的改性沥青的韧度值100 kPa以下。因此对于该项试验的技术标准值，以一定的市场保证率为依据，提出模量不大于450 MPa，韧度不小于100 kPa的技术标准要求。而且，根据左东奥沥青（4#）综合量指标可以看出是处于中等生产力水平的。

表2 改性沥青低温弯曲试验结果

图3 改性沥青的模量和韧度大小比较

图4 模量分布水平

4 感温性能评价

4.1 试验方案

图5 韧度分布水平

沥青的针入度反映了沥青的平均黏度，与沥青路面的使用性能密切相关。它不仅表现在高温稳定性上，对于沥青的低温抗裂性也同样重要。在寒冷地区，为了预防开裂，宜选用针入度较大的软质沥青[11]。研究表明，当沥青的针入度小于45（0.01 mm）、延度小于20 cm时，路面开裂便比较多。一般来说，沥青的针入度在加热拌合过程中会降低很多，铺筑到路面上以后2年内也会降低较多，而以后的变化很小[11]。因此，沥青的针入度，尤其是老化后的针入度与沥青路面的抗裂性能关系非常密切。

目前，国际上对沥青15℃针入度日益重视。美国SHRP通过对沥青混合料低温开裂的评价研究表明，无论是原样沥青、短期老化还是经长期老化后的沥青，其15℃针入度与反映沥青混合料低温开裂性能的约束试件温度应力试验（TSRST）的破断温度之间有良好的相关关系，15℃针入度越大，抗裂性能越好。

4.2 结果分析

根据深圳不同季节沥青路面温度场分布情况，本文研究测试了5℃、15℃、25℃和30℃四个温度下沥青老化前后的针入度。本节以25℃和15℃两个温度下老化前后针入度为主要分析对象，考察目前市面上常用改性沥青的针入度水平。

如图6所示可知，（1）除海川高黏度改性沥青和路安特高黏度改性沥青外，75%的改性沥青老化前25℃针入度均能达到佐东奥高黏度改性沥青技术指标要求。其中佐东奥高黏度改性沥青老化前25℃针入度为56.8（0.01 mm），处于所测试沥青的中上水平。（2）除路翔高黏度改性沥青外，其余改性沥青经高温短期热老化后，同一温度下的针入度均有所下降，但下降幅度均在35%以内，满足国家相关规范技术要求。50%改性沥青降幅保持在10%~20%范围内，25%的改性沥青降幅在10%以下。