空隙率对PAC沥青混合料路用性能的影响研究

郑明考

(广东冠粤路桥有限公司 广州市 511450)

0 引言

我国现存城市道路铺装多采用石板材铺装或密级配沥青混凝土的结构型式,由于其特有的密封性,有着渗透性差、降噪能力不佳的缺陷,易引起城市热岛效应,同时引发环境噪声污染问题[1-4]。

PAC沥青混合料作为道路铺装材料时,道路径流雨水可通过混合料结构内部空隙流通并下渗至相关排水设施,径流雨水的流通及下渗速度与其空隙分布特征直接相关,空隙越大其排水性能越好。而随着设计目标空隙率的提升,PAC沥青混合料的路用性能也会受到相应影响。如何在保证路用性能的基础上尽可能发挥PAC沥青混合料的排水及抗滑能力是进一步推广应用的关键点[5-6]。

现行《透水沥青路面技术规程》[7](CJJ/T 190—2012)(以下简称透水路面规程)中对PAC-13沥青混合料的空隙率范围进行了规定:设计的PAC-13沥青混合料空隙率应处于18%～25%的范围内。该范围仅对PAC沥青混合料的空隙率范围提出了较为宽泛的要求,在指导应用过程中,即便设计施工的PAC沥青混合料满足上述规程要求,其排水抗滑及路用性能仍有着较大差异空间。此外,我国多项规范中对PAC沥青混合料的诸多技术指标规定有着一定差异,指标类别及指标值各不相同。参照不同的规范及施工标准,实现满足PAC沥青混合料性能要求目标的难度也存在着较大差别。

基于此,文章结合经验法和试验法拟定3组目标空隙率的级配曲线,对应成型了18%、20%以及22%空隙率的PAC-13沥青混合料试件,开展PAC沥青混合料路用性能表现对比分析试验。通过对比不同空隙率条件下对应的渗透系数、析漏损失、动稳定度、浸水残留稳定度、构造深度及动态模量等指标参数,总结空隙率对PAC沥青混合料路用性能的影响规律。

1 原材料与级配设计

选用高黏改性沥青作为PAC沥青混合料粘结材料,性能指标检测结果见表1。

表1 高黏改性沥青性能指标表

选用玄武岩碎石集料,对其性能指标进行检测,满足规范要求,通过调整2.36mm关键筛孔通过率确定PAC沥青混合料空隙率。结合试验法拟定了3组PAC沥青混合料目标空隙率的级配,其空隙率分别为18%、20%以及22%,详见表2。

表2 级配分析表

采用沥青膜厚度控制法计算得出对应沥青用量,同时以析漏及飞散试验验证配合比设计结果,并据此成型各组不同空隙率的PAC沥青混合料试件组。

2 渗透性能变化规律分析

根据透水路面规程要求,通过水中重法进行检测的PAC-13沥青混合料连通空隙率应不低于14%。对上文设计制备的三种PAC-13沥青混合料连通空隙率指标进行检测,结果见表3。

表3 连通空隙率检测结果

分析表3中数据可以发现:三组不同目标空隙率的PAC-13沥青混合料试件的实测空隙率均可满足透水路面规程的要求。并且随空隙率数值的提升,连通空隙率也随之线性增长。这也侧面反映出,当不具备测量连通空隙率条件时,可通过试件实测空隙率初步表征PAC沥青混合料的透水能力。

渗透系数是直接表征PAC沥青混合料渗透性能的主要指标。通过路面渗水测试仪检测碾压成型的PAC沥青混合料,试验数据见表4。

表4 渗透系数检测结果

现行《公路沥青路面设计规范》[8](JTG D50—2017)(以下简称设计规范)中对PAC-13沥青混合料的渗透系数范围进行了规定:PAC-13沥青混合料渗透系数应不小于900mL/15s。而透水路面规程中对其要求则为不小于800mL/15s。

分析表4中数据可以发现:三组不同目标空隙率的PAC-13沥青混合料试件的渗透系数均可满足透水路面规程及设计规范的要求。即当PAC-13沥青混合料空隙率在18%以上时即可满足其渗透性能要求。此外,PAC-13沥青混合料的渗透系数整体变化趋势与空隙率正相关,但增长幅度不大,从18%提升到20%再到22%的过程中,分别仅增长了92 mL/15s和67 mL/15s。这表明在PAC沥青混合料的设计过程中无需过多考虑其渗水性能方面的要求,而应将研究重点偏向于其路用性能的提升方面。

3 析漏及飞散损失变化规律分析

抗析漏和飞散性能是PAC沥青混合料需要重点关注的路用性能,现行《公路沥青路面施工技术规范》[9](JTG F40—2004)(以下简称施工规范)中对PAC-13沥青混合料的析漏损失和飞散损失范围进行了规定:PAC-13沥青混合料析漏损失和飞散损失应不超过0.3%及20%。而透水路面规程中对飞散损失的要求则存在差异,规定为15%。对三组不同空隙率PAC-13沥青混合料试件的析漏及飞散损失进行检测,结果见表5。

表5 析漏及飞散损失检测结果

分析表5中数据可以发现:三组不同目标空隙率的PAC-13沥青混合料试件的析漏及飞散损失指标均可满足透水路面规程及施工规范的要求。其中飞散损失随空隙率的提升而线性增长,析漏损失随油石比的提升而线性增长,与空隙率无直接关系,这提醒了在PAC-13沥青混合料设计过程中应严格控制沥青用量。

4 高温稳定性变化规律分析

沥青混合料铺装路面在使用过程中,尤其是夏季高温时节易在荷载作用下发生永久性变形,因此,高温稳定性是沥青混合料路用性能的重要表征指标,可通过室内车辙试验进行检测和评价。现行施工规范中对PAC-13沥青混合料的动稳定度范围进行了规定:在一般路段应在1500次/mm以上,重载交通路段则应在3000次/mm以上。而透水路面规程中对动稳定度的要求则存在差异,统一要求为3500次/mm以上。对三组不同空隙率PAC-13沥青混合料试件的动稳定度指标进行检测,结果见表6。

表6 动稳定度检测结果

分析表6中数据可以发现:三组不同目标空隙率的PAC-13沥青混合料试件的动稳定度指标均可远超满足透水路面规程及施工规范的要求。对比

数值变化规律,当空隙率为20%时,PAC沥青混合料试件高温稳定性指标表现最佳,动稳定度处于最高值。

5 水稳定性变化规律分析

5.1 浸水马歇尔试验

浸水马歇尔试验可表征评价PAC沥青混合料的水稳定性,现行设计规范要求PAC-13沥青混合料的浸水残留稳定度在80%以上。对三组不同空隙率PAC-13沥青混合料试件的浸水残留稳定度指标进行检测,结果见表7。

表7 浸水残留稳定度检测结果

分析表7中数据可以发现:三组不同目标空隙率的PAC-13沥青混合料试件的浸水残留稳定度均可满足设计规范的要求,且随空隙率的提升而线性下降。当空隙率提升至22%时,PAC沥青混合料的浸水残留稳定度已下降至80.7%,接近规范下限值。而当空隙率为18%时,PAC-13沥青混合料的浸水残留稳定度数值表现最佳。因此,在设计应用PAC沥青混合料铺装材料时不应片面追求渗水能力,还应兼顾沥青混合料的水稳定性,设计过高的空隙率将引起面层结构的水稳定性下降,进而引起路面病害。

5.2 冻融劈裂试验

现行设计规范要求PAC-13沥青混合料的冻融劈裂强度比在70%以上,而透水路面规程中对冻融劈裂强度比的要求则是在85%以上。对三组不同空隙率PAC-13沥青混合料试件的冻融劈裂强度比指标进行检测,结果见表8。

表8 冻融劈裂强度比检测结果

分析表8中数据可以发现:随着PAC-13沥青混合料空隙率的提升,冻融劈裂强度比与之呈非线性负相关关系,其中当空隙率由18%提升至20%时,冻融劈裂强度比仅下降了0.3个百分点,而当空隙率继续提升至22%时,冻融劈裂强度比骤降至80.9%,仍都满足现行设计规范要求范围,但此时已不再满足透水路面规程要求范围。这表明当PAC沥青混合料空隙率提升至22%后,抗水损害能力下降明显。

6 抗滑性能变化规律分析

PAC沥青混合料结构有着大空隙及粗骨料占比较高的特点,因而通常具备较好的抗滑性能,而这也是PAC沥青混合料在推广应用过程中要重点关注的内容。现行设计规范要求PAC-13沥青混合料的摩擦系数在58BPN以上,对构造深度的要求是在0.55mm以上。通过检测不同空隙率PAC-13沥青混合料的构造深度指标及摩擦系数指标用以展开评价分析,检测结果见表9。

表9 构造深度及摩擦系数检测结果

分析表9中数据可以发现:对于构造深度来说,三种空隙率对应的PAC试件检测值均远超规范下限要求,这说明规范中对构造深度的要求相对较为保守。构造深度随试件空隙率的提升呈现正相关关系,这与摩擦系数的变化规律相类似,即PAC沥青混合料的抗滑能力与空隙率正相关,但空隙率影响幅度不明显,在空隙率提升了4%后,构造深度和摩擦系数仅分别增长了0.25mm和5.7BPN。

7 动态模量变化规律分析

根据现行设计规范,常采用动态压缩模量,用于PAC-13沥青混合料路面结构的设计和验算中。常规做法是以20℃或15℃温度对应的材料回弹模量为依据,但此做法通常无法直接反馈材料的频率和温度敏感性。鉴于此,文章探索开展18%、20%以及22%的PAC-13沥青混合料试件单轴压缩动态模量检测试验,设定了50℃、35℃、20℃、5℃以及-10℃五组检测温度,加载频率则设定为25Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5 Hz以及0.1Hz。依据时温等效叠加原理,通过移位因子公式(见式1)将各加载频率下的不同温度动态模量检测结果等效为20℃动态模量值。整理数据后利用Sigmoid数学模型(见式2)拟合函数得到主曲线图,见图1。

图1 动态模量主曲线图

(1)

式中:C1、C2为材料自身相关常数;T为试验温度(℃);TR为参考温度(℃)。

(2)

式中:|E*(fr)|为加载频率下的动态模量(MPa);δ、α为主曲线渐近线值(MPa);β、γ为形状参数。

分析图1可以发现:随加载频率的提升,不同空隙率的PAC-13沥青混合料试件组动态模量均呈上升趋势,并且三条主曲线走势相近。纵向对比同等频率下,不同空隙率的试件动态模量大小关系则为:18%空隙率试件>20%空隙率试件>22%空隙率试件。该模型可为PAC-13沥青混合料路面结构的设计验算及应用提供一定参考。

8 结语

文章结合经验法和试验法拟定3组目标空隙率的级配曲线,对应成型了18%、20%以及22%空隙率的PAC-13沥青混合料试件,开展PAC沥青混合料路用性能表现对比分析试验。通过对比不同空隙率条件下对应的渗透系数、析漏损失、动稳定度、浸水残留稳定度、构造深度及动态模量等指标参数,总结空隙率对PAC沥青混合料路用性能的影响规律:

(1)随油石比的提升,PAC沥青混合料析漏损失指标值显著增大,与空隙率无直接关系;随空隙率指标的提升,PAC沥青混合料飞散损失指标值显著增大。

(2)当空隙率为20%时,PAC沥青混合料试件高温稳定性指标表现最佳,动稳定度处于最高值。

(3)水稳定性随空隙率的提升而减弱,当空隙率增长至22%时,冻融劈裂强度比将不再处于规范要求范围。

(4)PAC沥青混合料的抗滑能力与空隙率正相关,且空隙率影响幅度不明显。

(5)不同空隙率条件下的动态模量主曲线走势相近,同等频率下,22%空隙率试件组的动态模量值最低。