多孔沥青混合料热老化性能及抗水损害性能研究

2022-08-15苏志翔

交通世界 2022年21期

苏志翔

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海 200082）

0 引言

近年来，随着海绵城市的发展，多孔沥青混合料得到广泛应用。相比传统沥青混合料，多孔沥青混合料空隙率大且空隙相互连通，利于雨天路面水分快速排除，可减少路表水雾以及路面积水，防止水漂发生，提升雨天行车安全性[1]。多孔沥青混合料构造深度较大，具有较好的抗滑性能。此外，其连通空隙特征可以吸收车轮与路面作用产生的噪声，从而起到降低噪声的效果[2]。但多孔沥青混合料的空隙特征使其强度相比密级配以及间断级配混合料更低[3]，也更易受到外界条件如水分、空气以及荷载的作用，从而导致其更早地发生剥落、松散等病害，并最终导致混合料耐久性变差、路面服役期限缩短。研究表明，多孔沥青混合料的空隙特征导致沥青与空气更易发生接触，从而加速沥青老化，而沥青的老化会对沥青及沥青混合料的路用性能尤其是耐久性产生不利影响。水分会导致沥青与集料界面发生破坏，从而发生剥落，多孔沥青混合料空隙率较大且空隙连通性好，水分更易进入混合料内部，尤其在动水压力存在的情况下，沥青与集料的剥落会加速发生[4]。在老化及水分的耦合作用下，多孔沥青混合料耐久性会变差。本文依托浙江嘉兴某工程项目，对多孔沥青混合料热老化和抗水损害性能进行研究，以期为工程应用提供参考。

1 材料与配合比

1.1 沥青

本研究采用3 种沥青，分别为埃索70#基质沥青、SBS 改性沥青以及高黏改性沥青。其中，高黏改性沥青由基质沥青加5%高黏改性剂在185℃条件下剪切搅拌2h制备而成，高黏改性剂为橡塑改性剂。3种沥青的技术指标分别见表1～表3。

表1 埃索70#基质沥青技术指标

表2 SBS改性沥青技术指标

表3 高黏改性沥青技术指标

1.2 集料

粗集料和细集料均采用石灰岩，性能指标见表4。

表4 集料性能指标

1.3 矿粉及纤维

矿粉选择石灰岩矿粉，性能指标见表5。

表5 矿粉性能指标

添加木质素纤维抑制沥青的流淌，纤维掺量为沥青混合料总质量的0.3%。

1.4 配合比

沥青混合料类型选择PAC-13，其级配范围及所选级配见表6。

表6 PAC-13沥青混合料级配

沥青选择高黏沥青，采用马歇尔配合比设计方法进行沥青混合料配合比设计，得到最佳油石比为5.1%，空隙率为20.2%。为进行单因素对比，其他两种沥青最佳油石比也采用5.1%。

2 试验方案及方法

2.1 试验方案

为研究沥青混合料热老化及抗水损害性能，首先对3种沥青混合料进行短期老化和长期老化。在此基础上，采用冻融劈裂试验、浸水马歇尔试验以及浸水前后单轴贯入试验，分别对短期老化和长期老化前后的沥青混合料试件进行评价分析，从而研究热老化及水分对沥青混合料性能的影响。此外，采用30 次、50 次和70 次成型高黏改性沥青混合料试件，成型不同空隙率的沥青混合料试件进行冻融劈裂试验，研究空隙率对混合料抗水损害性能的影响。

2.2 试验方法

2.2.1 常规试验方法

沥青混合料短期老化和长期老化采用我国《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）规定的热拌沥青混合料加速老化方法进行老化，但本次研究沥青混合料短期老化烘箱温度不采用规程规定的135℃，而采用163℃。冻融劈裂试验和浸水马歇尔试验分别采用规程中规定的方法进行。

2.2.2 沥青混合料单轴贯入试验

沥青混合料单轴贯入试验用来评价沥青混合料高温抗剪性能，该试验压头直径小于试件直径，因此除了竖向压应力，未受压区域会提供侧向约束，这与路面受力是相似的[5]。此外，试件内部剪应力分布与实际路面结构在轮胎荷载作用下产生的内部剪应力分布较为接近。该试验试件可采用室内成型或者钻芯取样，当前室内成型一般采用旋转压实成型方法。试件直径根据公称最大粒径确定，公称最大粒径大于16mm 时，试件直径采用150mm，否则采用100mm，因此本研究试件采用100mm直径。试件高度为100mm。试件在进行测试前应在60℃的烘箱中保温不少于5h，压头加载速率为1mm/min[6]。采用抗剪强度R作为评价指标，计算公式如下：

式（1）和（2）中：R为抗剪强度（MPa）；σp为贯入强度（MPa）；F为施加荷载极限值（N）；A为压头横截面面积（mm2）；f为剪应力系数，对于直径100mm试件，f=0.34。

浸水条件与浸水马歇尔试验相同。为评价水分对沥青混合料抗剪强度的影响，提出浸水抗剪强度残留比T作为评价指标，计算公式如下：

式（3）中：T为浸水抗剪强度残留比（%）；R0为未浸水抗剪强度（MPa）；Rw为未浸水抗剪强度（MPa）。

3 结果与分析

3.1 老化前后冻融劈裂试验结果

对3种沥青混合料进行老化前后冻融劈裂试验，试验结果见表7。

表7 3种沥青混合料老化前后冻融劈裂试验结果

由表7 可知，无论是否经过老化以及冻融循环，3种沥青混合料劈裂强度顺序均为：高黏改性沥青大于SBS 改性沥青大于埃索70#基质沥青。这说明，随着60℃动力黏度的增加，沥青混合料的劈裂强度也随着增加。3 种沥青混合料随着老化时间的延长，沥青混合料冻融前后的劈裂强度都随之增加，说明老化可以提升沥青混合料的劈裂强度。随着老化时间的延长，3 种沥青混合料TSR均随之降低，说明老化会降低沥青混合料抗水损害性能。对3 种沥青混合料相同老化阶段的TSR进行排序：高黏改性沥青大于SBS 改性沥青大于埃索70#基质沥青，说明对劈裂强度指标来说，高黏改性沥青抗水损害性能最好，基质沥青最差。

3.2 老化前后浸水马歇尔试验结果

对3 种沥青混合料进行老化前后浸水马歇尔试验，试验结果见表8。

表8 3种沥青混合料老化前后浸水马歇尔试验结果

由表8可知，无论是否经过老化以及浸水条件，3种沥青混合料稳定度大小顺序均为：高黏改性沥青大于SBS改性沥青大于埃索70#基质沥青。说明随着60℃动力黏度的增加，沥青混合料的稳定度也随之增加。3种沥青混合料随着老化时间的延长，沥青混合料浸水前后的稳定度都随之增加，说明老化可以提升沥青混合料的稳定度。随着老化时间的延长，3种沥青混合料浸水残留稳定度均随之降低，说明老化会降低沥青混合料抗水损害性能。对比3种沥青各老化阶段残留稳定度，可以发现SBS改性沥青和高黏改性沥青抗水损害性能优于基质沥青。

3.3 老化前后浸水单轴贯入试验结果

对3 种沥青混合料进行老化前后浸水单轴贯入试验，试验结果见表9。

表9 3种沥青混合料老化前后浸水单轴贯入试验结果

由表9 可知，无论是否经过老化以及浸水条件，3种沥青混合料抗剪强度大小顺序均为：高黏改性沥青大于SBS 改性沥青大于埃索70#基质沥青。表明随着60℃动力黏度的增加，沥青混合料的抗剪强度随之增加，说明沥青混合料高温稳定性随60℃动力黏度的增加而增强。3种沥青混合料随着老化时间的延长，沥青混合料的浸水前后的抗剪强度都随之增加，说明老化可以提升沥青混合料的高温稳定性。随着老化时间的延长，3种沥青混合料浸水抗剪强度残留比均随之降低，说明老化会降低沥青混合料抗水损害性能。对3种沥青混合料相同老化阶段的浸水抗剪强度残留比进行排序：高黏改性沥青大于SBS改性沥青大于埃索70#基质沥青，说明就抗剪强度来说，高黏改性沥青抗水损害性能最好，基质沥青最差。