不同沥青结合料对排水路面渗透及路用性能影响研究

唐小燕

福建南平路桥养护工程有限公司，福建 南平 353000

0 引言

OGFC 是一种典型的排水路面级配类型，相较于密级配沥青混合料（AC）最大的区别在于空隙率的不同，具有较少的细集料，因此能够达到较大的空隙率（20%左右），形成了一种排水结构，从而具有优良的排水性能，尤其在多雨地区，车辆行驶在OGFC 路面时，不会由于摩擦力的减小而产生打滑漂移等危险，提高道路行驶的安全性。此外，排水沥青混合料由于大量的孔洞存在，可以吸收车辆行驶过程中产生的噪音，从而达到降噪功能［1］。然而，由于缺乏足够的细集料填充沥青混合料内部结构，可能会降低路面结构的强度及耐久性。

为了提高OGFC 的强度及耐久性，大量学者进行了相关研究［2-4］,旨在寻找提高OGFC 性能的方式。OGFC 具有较少的细集料填充成分，造成沥青结合料与粗集料具有更大的接触面积，因此两者之间的粘结力对于OGFC 的整体性能起到了至关重要的作用。Ruiz 等人研究了不同标号的基质沥青对OGFC 耐久性的影响，推荐采用70#沥青用于交通量大及炎热地区［5］。杜宇兵研究了胶粉改性沥青及高粘改性沥青的性能，认为高粘改性沥青具有更好的综合性能［6］。采用改性剂来提高沥青结合料的性能，从而提高OGFC 的路用性能是目前最常采用的方式。然而，添加剂的加入势必会产生一定的不良影响，可能会降低OGFC 的某种性能，因此有必要对不同沥青结合料对OGFC 的综合性能进行研究。

本研究主要通过一系列室内试验评估不同沥青结合料对OGFC 路用性能及渗水性能的影响规律。首先通过高温车辙试验，低温梁弯曲试验以及浸水马歇尔和冻融劈裂试验研究了多种沥青混合料对排水沥青混合料路用性能的影响。其次通过路面渗水仪评价了不同沥青结合料对OGFC 渗水性能的影响，最后分析不同沥青结合料OGFC 的适用情况及优劣。

1 原材料

1.1 集料

试验采用矿质集料选用福建产玄武岩，依据《公路工程集料试验规程》（JTG E42-2005）和《公路沥青路面施工技术规范实施手册》（JTG F40-2004）对其常规性能指标进行测定，均满足规范要求。

1.2 沥青结合料

沥青结合料对排水路面的性能影响很大，本次试验所用沥青为70#基质沥青、壳牌SBS 改性沥青，具体技术指标如表1所示。

1.3 高粘改性沥青结合料

试验所用的高粘改性沥青为SBS 改性沥青中复配高粘改性剂制备，高粘改性剂呈淡黄色，密度为0.8g/cm3的圆饼颗粒，熔点为160℃～170℃。

高粘改性沥青的制备过程为：首先将SBS 改性沥青恒温至170℃，称取一定量的高粘改性剂（8%），缓慢加入SBS 改性沥青中，通过磁力搅拌器在恒温条件下先以1000r/min 进行初搅，再以3000r/min 进行二次搅拌以使高粘改性沥青与沥青混合均匀，从而制得试验用的高粘改性沥青（HVB）。

2 配合比设计

为制备排水沥青混合料，采用玄武岩集料与多种沥青结合料制备OGFC-13 沥青混合料，目标空隙率为20%。首先将集料保温在180℃下4h 至恒温，基质沥青、SBS 改性沥青及高粘改性沥青分别以150℃和170℃加热至流动态。由于高粘改性沥青粘度较大，因此成型温度控制在180℃左右。OGFC-13 级配如表2 所示，HVB、SBS、70#最佳沥青用量分别为4.6%、4.5%和4.5%。

表1 沥青结合料技术性能

表2 OGFC-13 级配 %

3 路用性能及渗透性能研究

3.1 高温稳定性

高温车辙试验目的是为了在室内模拟实际路面上由于车辆荷载作用对沥青路面造成的永久变形。根据规范要求首先制备300mm×300mm×50mm的标准车辙板试件，将试件于60℃条件下保温6h 至恒温，然后经过21 次/min 车轮往复碾压1h，以位移传感器记录中部的竖向位移。本次试验条件选用60℃下0.7MPa 的荷载力，以动稳定度作为OGFC-13 高温抗变形能力的评价指标。对三种沥青结合料按最佳油石比制备标准车辙板试件后进行试验，试验结果如表3 所示。

由表3 中的实验结果可以发现，相比于70#基质沥青，SBS与HVB 制备的OGFC-13 沥青混合料具有更高的高温抗车辙性能，相较于70#依次提高了1.07 和1.31 倍。排水沥青混合料缺乏足够的细集料填充，具有较大的空隙率，会导致承载能力的部分丧失，因此一般选择具有更好粘结力的改性沥青作为结合料使用，通过更优异的粘结性及流变性来提高沥青混合料的高温抗变形性能，试验结果也证明了这一点，采用HVB 和SBS 有利于提高排水路面的高温稳定性。

表3 不同沥青结合料下OGFC-13 的高温性能

3.2 低温稳定性

低温稳定性的测试方法采用-10℃小梁弯曲试验，目的是为了模拟沥青路面在低温条件下抵抗开裂的能力。首先制备标准300mm×300mm×50mm的车辙板试件，通过切割机获得尺寸为250mm×30mm×35mm的试件，待试件干燥后置于试验温度下至试件-10℃恒温，将试件按照规范置于台座，通过万能试验机以50mm/min进行加载，记录荷载及位移，以最大弯拉应变作为低温稳定性的评价指标，试验结果如表4 所示。

表4 不同沥青结合料下OGFC-13 的低温性能

低温试验结果类似于高温试验结果的特征，呈现出依次递增的数据结果，表明相比较于70#基质沥青，SBS 和HVB 呈现出更好的低温性能，依次提高了0.43 倍和0.79 倍，HVB 能够在更大的弯拉应变下破坏，表明具有更好的低温抗开裂性能。

3.3 水稳定性

OGFC-13 的水稳定性能通过浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验（TSR）进行测定。其中浸水马歇尔试验是将制备好的马歇尔试件分为两组，一组置于60℃环境水浴中保温48h，另一组为30min，以两组稳定度的比值作为浸水残留稳定度，用作抗水损坏性能的评价方法。TSR 是目前应用较多的水稳定性试验方法，以及简单的操作手段与较好的相关性而被广泛使用。试验将制备好的标准马歇尔试件分为两组，每组≮4 个，一组常温保存，一组进行真空饱水后置入冷藏箱中（-18℃）保温16h，之后取出置入60℃恒温水浴中保温24h，之后再将两组试件均置入25℃水域中保温，测得两次稳定度的比值冻融劈裂强度比作为评价指标。三组实验结果分别如表5，表6 所示。

由表5 可知，三种沥青结合料制备的OGFC-13 残留稳定度相差不大，SBS 和HVB 优于70#基质沥青，仅仅提高4.1%和3.3%，SBS 略优于HVB，但基本相同。表6 为TSR 试验结果，可以观察到与残留稳定度结果稍有不同，SBS 与HVB 的冻融劈裂强度比均优于70#基质沥青，分别提高10.1%和12.4%，但HVB 的冻融劈裂强度比稍高于SBS，但依然相差不大，综合残留稳定度和TSR 的试验结果可知，SBS 和HVB 的水稳定性能均高于70#基质沥青，表明了改性沥青有利于提高OGFC-13 的抗水损坏性能，且SBS 和HVB 的抗水损坏能力基本相同。

表5 不同沥青结合料下OGFC-13 的残留稳定度

表6 不同沥青结合料下OGFC-13 的TSR 结果

3.4 路面渗透性

排水路面的渗透性质可以采用路面渗水仪进行测定，通过记录规定时间内量筒内水位的变化来判别不同沥青混合料的渗透性。试验前制备不同沥青结合料的标准车辙板试件，清理测定位置的尘土，把路面渗水仪放置在测定位置，在渗水仪底座周围涂抹密封胶，防止水分从侧面溢出，影响测试结果，将量筒内加入足量水并按照规范排出空气后，记录水位下降高度随时间变化，计算路面渗水系数。试验结果如表7 所示。

表7 不同沥青结合料OGFC-13 的渗透性

由表3 结果可知HVB 在渗透性能上具有较为明显的优势，可能是由于HVB 和SBS 制备的沥青混合料空隙率及连通空隙率相对较大，有利于OGFC-13 表面水竖向的渗透，因此具有相对较大的渗水系数。

4 结论

本文研究了不同沥青结合料对排水路面的路用性能及渗透性能影响。基于马歇尔试验确定了不同沥青结合料下OGFC-13的最佳油石比，并在此条件下制备试验用试件，测定不同排水沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及路面渗透性能，得出结论主要如下：

（1）高温稳定性结果表明HVB 和SBS 具有更高的高温抗变形能力。主要是由于改性沥青中由于改性剂的适量加入，提高了沥青结合料的弹性水平以及粘度，使得改性沥青能够在较高的温度下依然具有较高的强度，用于抵抗荷载作用产生的变形，且HVB 的效果最为明显。

（2）低温稳定性结果表现出与高温稳定性相同的结果，表明改性剂的加入不仅提高了基质沥青的的高温流变性，同时提高了结合料低温敏感性，保证改性沥青结合料在较低的温度下能够保有较好的松弛能力，防止沥青过脆而产生的低温开裂。

（3）水稳定性结果表明改性剂的加入并没有大幅度的提升沥青结合料的抗水损坏性能，相较于70#基质沥青，SBS 和HVB 残留稳定度及TSR 结果仅仅存在小幅度的提高。两种试验方法中SBS 和HVB 的结果存在不同，但相差很小，表明HVB和SBS 水稳定性能基本相同。

（4）渗透试验结果表明三种沥青结合料制备的沥青混合料存在一定不同，排水性能顺序为：HVB ＞SBS ＞70#，这可能是由于空隙率及连通空隙率的不同造成的。

（5）综合三种不同的排水路面路用性能及渗透性能实验结果可知，HVB 具有更好的综合性能，SBS 次之，70#基质沥青相对较差。