大粒径透水性沥青混合料关键性能研究

常荣华

1.佛山市公路桥梁工程监测站有限公司，广东 佛山 528000

2.佛山市交通科技有限公司，广东 佛山 528000

基于我国道路施工工艺水平较低、机械化施工普及程度低、高质量的改性沥青基本依靠进口、原材料费用高昂等先决条件，半刚性基层沥青路面在我国高等级沥青路面中得到了广泛的应用。实践证明，“强基薄面”路面结构理论在特定的历史时期发挥了举足轻重的作用，也展现出了优异的路用性能。虽然半刚性基层在诸多路用性能方面表现优异，但在多年的实践中也表现出了很多缺陷。半刚性基层材料孔隙率较小，基本不透水，导致雨水容易积存在沥青面层底部，无法排出路面结构层，在车辆往复荷载作用下，沥青层底部极容易脱落，从而导致路面结构层间黏结不良、破损等早期病害的发生。另外，多年应用实践表明，半刚性基层反射裂缝现象明显，由于半刚性材料对环境温湿度变化较为敏感，在外界环境温度、湿度发生变化时，半刚性材料极容易产生裂缝，在车辆荷载的作用下，裂缝会由基层逐步向上部结构发展，从而逐渐形成贯穿裂缝，极大地降低了路面结构的承载能力。并且，半刚性基层普遍的反射裂缝现象给路面养护维修带来了极大的挑战，大多采用铣刨重铺的方式，但由于问题未得到根本性解决，新铺面层通车后不久就会产生类似的早期病害。

基于此，国内外很多学者提出了柔性基层的概念，关于大粒径透水性沥青混合料的研究正是基于此背景开展的。目前，国内很多省份已经铺筑了部分大粒径透水性沥青混合料试验路，结果表明，大粒径透水性沥青混合料作为柔性基层具有诸多优异的性能表现。大粒径透水性沥青混合料通过粗骨料形成骨架嵌挤，可以为混合料提供良好的抵抗变形的能力。大粒径透水性沥青混合料采用开级配的组成方式，内部孔隙率较大，水分进入路面结构之后可借助其大孔隙迅速排出，从而在一定程度上避免了沥青路面早期病害的发生。此外，由于大粒径透水性沥青混合料矿粉用量较低，降低了沥青用量，作为柔性基层，其具有良好的经济效益。但目前大面积铺筑大粒径透水性沥青路面的尝试主要还集中在北方地区，广东的应用案例相对较少，广东地区重载交通频繁、高温持续时间长且降水量大的交通环境，使大粒径透水性沥青混合料在广东地区的推广难度相对较大。基于此，文章结合广东地区湿热的环境特点，重点对大粒径透水性沥青混合料的抗水损坏性能和高温抗车辙性能进行了研究。

1 混合料级配组成

文章研究的主要材料采用SBS改性沥青和石灰岩碎石，矿料级配参考山东省关于大粒径透水性沥青混合料地方标准中推荐的级配范围，油石比采用经验值3.2%。首先分别按级配上限、级配中值、级配下限三种矿料级配制备LSPM-25大型马歇尔试件进行马歇尔稳定度试验。三种大粒径透水性沥青混合料组成如表1所示，马歇尔稳定度、析漏损失和飞散损失结果如表2所示。

表1 三种大粒径透水性沥青混合料矿料组成

表2 马歇尔稳定度、析漏损失和飞散损失结果

马歇尔试件飞散损失可以用于判定骨架孔隙型沥青混合料的最小沥青用量，析漏损失可以用于判定骨架孔隙型沥青混合料的最大沥青用量。根据大粒径透水性沥青混合料在其他省份的应用经验，一般建议析漏损失不超过0.2%，飞散损失不超过20%。根据试验结果可知，马歇尔稳定度、析漏损失和飞散损失三个指标对矿料级配都非常敏感，对比三种级配混合料的试验结果，综合确定级配2作为此次研究大粒径透水性沥青混合料的最佳矿料级配。

2 高温稳定性能

目前国内外关于评价沥青混合料高温抗变形能力常用的试验方法有轮载试验、重复加载蠕变试验、汉堡车辙试验和足尺试验等。文章研究主要采用轮载试验和重复加载蠕变试验两种试验方法对LSPM-25、ATB-25、AC-25三种沥青混合料的高温稳定性能进行横向对比。轮载试验参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2011）（以下简称《规程》）中的试验方法，但由于此研究中三种沥青混合料最大公称粒径较大，故均为成型的30cm×30cm×8cm车辙试件，其他试验条件均按《规程》中的要求执行，LSPM-25、ATB-25和AC-25轮载试验结果如表3所示。

表3 三种沥青混合料轮载试验结果 单位：次/mm

由试验可知，LSPM-25与ATB-25动稳定度相近，均远高于悬浮密实结构的AC-25。沥青混合料高温稳定性能主要由矿料骨架之间的嵌挤力和摩阻力贡献，由于LSPM-25和ATB-25均为骨架嵌挤型沥青混合料，其高温稳定性能要明显高于悬浮密实结构的AC-25。重复加载蠕变试验评价沥青混合料抗永久变形的主要指标有总应变、塑性应变和流动数，此研究主要通过重复加载蠕变试验总应变来评价大粒径透水性沥青混合料的抗永久变形性能。此研究试验环境温度为50℃，试件处于无侧限状态，采用0.7MPa的标准轴载进行重复加载，当试件总应变达到50000με或荷载累计作用次数达到10000次时试验终止。LSPM-25、ATB-25、AC-25三种沥青混合料重复加载蠕变试验试件总变形量分别如图1～图3所示，试验结果汇总如表4所示。

图1 LSPM-25蠕变曲线

图2 ATB-25蠕变曲线

图3 AC-25蠕变曲线

表4 三种混合料重复加载蠕变试验结果 单位：μ ε

由试验结果可知，三种沥青混合料不同试件重复加载蠕变试验总应变差异性较大，其原因为不同试件矿料分配不均，导致不同试件矿料配比会存在细微差异，从而影响最终试验结果。但总体而言，三种沥青混合料重复加载蠕变试验总应变还是呈现一定的规律，在相同的试验条件下，三种沥青混合料总应变由大到小的顺序为AC-25＞LSPM-25＞ATB-25。总应变越小，说明沥青混合料抵抗永久变形的能力越强，大粒径透水性沥青混合料与沥青稳定碎石的高温抗变形能力基本相当，要明显优于悬浮密实结构的AC-25，得出的试验结果与轮辙试验一致。研究结果表明，LSPM-25具有良好的高温抗变形能力。

3 抗水损害性能

由于此次研究的三种沥青混合料最大公称粒径较大，直接成型标准马歇尔试件进行试验效果不理想，难以采用《规程》中的试验方法来评价三种沥青混合料的抗水损坏性能，故此次研究采用浸水汉堡车辙试验来评价三种沥青混合料的抗水损坏性能。

一般浸水汉堡车辙试验可用于评价沥青混合料的整体路用性能。试验基本过程是将沥青混合料车辙试件置于一定温度的恒温水浴中，并采用0.7MPa压力的钢制试验轮在试件表面往返碾压20000次，通过试件表面的最大车辙深度与车轮往返作用次数之间的关系来评价沥青混合料的抗水损坏性能和高温稳定性能。

浸水汉堡车辙试验主要通过试件变形曲线的拐点来评价其水温的性能，而车辙深度可用于评价沥青混合料的整体性能。美国已有相关研究表明，当浸水汉堡车辙试验变形曲线拐点低于1000次时，沥青混合料的抗水损坏性能较差。另外，美国国家沥青中心关于采用浸水汉堡车辙试验评价沥青混合料关键性能的研究显示，当加载10000次时试件表面轮辙深度不大于4mm，且加载20000次时试件表面轮辙深度不大于10mm，说明沥青混合料具备良好的抗水损坏能力。

文章研究为验证大粒径透水性沥青混合料LSPM-25的抗水损坏性能，对LSPM-25、ATB-25、AC-25三种沥青混合料的浸水汉堡车辙试验指标进行了横向对比，试验水浴温度为50℃，三种沥青混合料浸水汉堡车辙试验结果如表5所示。

表5 浸水汉堡车辙试验结果 单位：mm

由试验结果可知，AC-25和ATB-25出现剥落拐点的时间相对较迟，说明密级配沥青混合料抗水损坏性能在一定程度上要优于骨架空隙结构的大粒径透水性沥青混合料，但由于AC-25为悬浮密实结构，在抗车辙性能表现上依然不及LSPM-25。虽然LSPM-25在抗水损坏性能上的表现不及AC-25和ATB-25两种沥青混合料，但其浸水汉堡车辙试验10000次车辙深度为3.65mm，20000次车辙深度为8.84mm，根据美国国家沥青中心的研究结果，说明LSPM-25仍具有良好的水稳定性和良好的综合性能。

4 结束语

文章首先参考其他省份大粒径透水性沥青混合料LSPM-25应用经验，采用3.2%的油石比经验值，通过马歇尔试验确定了LSPM-25的最佳矿料级配组成。为研究大粒径透水性沥青混合料在广东湿热地区的适用性，文章重点对LSPM-25的高温抗车辙能力和抗水损坏能力进行了研究，并与AC-25和ATB-25两种密级配沥青混合料进行了横向对比。研究结果表明，轮载试验和重复加载蠕变试验得出的结论一致，大粒径透水性沥青混合料高温性能与ATB-25相当，要明显优于悬浮密实结构的AC-25，说明虽然LSPM-25孔隙率较大，但其粗集料骨架结构为LSPM-25提供了良好的高温抗变形能力。浸水汉堡车辙试验结果表明，AC-25和ATB-25出现剥落拐点的时间相对较迟，说明密级配沥青混合料抗水损坏性能在一定程度上要优于骨架空隙结构的大粒径透水性沥青混合料，但根据美国国家沥青中心的研究结果，LSPM-25仍具有良好的水稳定性和良好的综合性能，能够满足高速公路柔性基层的使用要求。