适应冻融环境的排水降噪沥青混合料优化设计
2022-08-02刘宇
刘宇
（1.中铁投资集团有限公司，北京 100070；2.中铁京西（北京）高速公路发展有限公司，北京 102308）
排水降噪沥青路面的空隙率达到18%以上，具有大空隙特征，近年来在高速公路和城市快速路中应用广泛[1]。排水降噪沥青路面一般用于南方多雨地区，可提高雨天行车安全性；或者作为交通噪声污染路段的路面表面层，可提高公路沿线居民的居住舒适度[2,3]。对于冬季冻融地区，由于排水降噪沥青路面的空隙率较大，冰雪被车辆碾压挤入内部空隙中，在冻胀作用下对路面结构造成一定损伤[4]。高黏度添加剂作为关键原材料，对排水降噪沥青混合料的抗飞散性能影响显著[5]。混合料级配、纤维、外界环境条件等因素亦对排水降噪沥青混合料耐久性产生较大影响[6～8]。因此，通过材料优化提高排水降噪沥青混合料耐久性，更加适应北方寒冷地区。
一、试验设计
（一）原材料
1.沥青
采用SBS改性沥青与高黏度添加剂复合改性方案制备高黏度改性沥青，作为排水降噪沥青混合料的胶结料。高黏度改性沥青主要技术指标如表1所示。
表1 高黏度改性沥青主要技术指标
2.粗集料
粗集料采用玄武岩，主要技术指标如表2所示。
表2 粗集料主要技术指标
3.细集料
细集料采用石灰岩，主要技术指标如表3所示。
表3 细集料主要技术指标
4.矿粉
矿粉采用石灰岩磨细矿粉，主要技术指标如表4所示。
表4 矿粉主要技术指标
（二）冻融循环试验方法
采用上述原材料制备排水降噪沥青混合料，成型标准马歇尔试件。考虑到极端高低温、浸水等客观环境条件，采用冻融循环试验模拟北方地区冬、夏季的气候及温度循环，试验条件为低温-18℃和高温水浴60℃交替循环。具体的试验方法如下：
1.按照规范要求成型标准马歇尔试件，每组试件不少于4个；
2.试件饱水处理：饱水浸泡0.5h，然后真空饱水15min，恢复常压浸水0.5h，完成试件饱水；
3.试件冻融处理：在-18℃下冰冻16h，然后将试件放入60℃水浴箱融化8h，此为一次循环；
4.重复步骤3冻融循环过程，直到达到试验所需循环次数为止；
5.按照规范要求开展肯塔堡飞散试验，得到肯塔堡飞散损失；
6.考虑到重复性试验误差，飞散损失绝对值合理波动可能对数据分析产生一定影响，以未冻融试件的飞散损失作为基准值，分别计算不同冻融循环次数后的飞散损失增长率，作为抗冻融性能评价指标。
二、试验结果与分析
（一）公称最大粒径对抗冻融性能的影响
分别测试PAC-10、PAC-13、PAC-16排水降噪沥青混合料测试飞散损失。测试结果显示，随着冻融循环次数增加，排水降噪沥青混合料的飞散损失呈现增长趋势，飞散损失增长率逐渐增大。在冻融循环6次～8次时，飞散损失增长趋势更加明显，其余时候飞散损失增长相对平缓。对比不同公称最大粒径的飞散损失增长率可知，小粒径排水降噪沥青混合料抗冻融性能优于大粒径排水降噪沥青混合料。原因可能是小粒径排水降噪沥青混合料油石比较大，集料表面裹附的沥青膜较厚，集料颗粒之间的黏结强度较高。此外，小粒径排水降噪沥青混合料集料粒径较为均匀，在试验过程中受撞击时不易发生应力集中现象，同样有利于提高抗冻融性能。
（二）纤维对抗冻融性能的影响
分别测试未掺加纤维和外掺0.1%聚酯纤维的PAC-13排水降噪沥青混合料测试飞散损失。
随着冻融循环次数增加，无论是否掺加纤维，排水降噪沥青混合料的飞散损失均呈增长趋势，飞散损失增长率逐渐增大。相比之下，掺加纤维的排水降噪沥青混合料抗冻融性能更好，在相同冻融循环次数下其飞散损失增长率小于未掺加纤维的排水降噪沥青混合料。纤维在集料骨架之间纵横交错，起到吸附、稳定、加筋等作用，增大了集料颗粒之间的粘结力，提高了承受外界荷载作用的能力，有利于提升排水降噪沥青混合料抗冻融性能。
（三）冻融条件对抗冻融性能的影响
分别测试饱水冻融和无水冻融条件下PAC-13排水降噪沥青混合料飞散损失。无水冻融是指马歇尔试件冰冻处理后置于60℃烘箱融化而非60℃水浴箱融化，其他试验条件不变。
随着冻融循环次数增加，无水冻融条件下排水降噪沥青混合料的飞散损失增长率更小。无水冻融条件下混合料在冰冻时仅是材料温度降低，由于没有水分结冰膨胀，集料颗粒不会受到或是轻微受到冰晶的膨胀力作用，对集料骨架结构损伤较小，飞散损失增长率较低。在无水冻融条件下，水分与沥青分子的置换作用也较弱，对集料颗粒之间粘结力的削弱也较少。上述因素均有利于提高排水降噪沥青混合料的抗冻融性能。
三、结语
本文分析了公称最大粒径、纤维、冻融条件等因素对排水降噪沥青混合料飞散损失增长率的影响，发现较小粒径、掺加纤维、无水冻融等措施均有利于提高排水降噪沥青混合料的抗冻融性能。因此，在我国北方冻融环境中，可采用小粒径混合料级配，掺加一定量的纤维，及时除雪清冰保证路面干燥，提高排水降噪沥青混合料的抗冻融性能。
