大空隙瀝青混合料水溫?fù)p傷特性研究

王 皓

(中交建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司 石家莊市 050000)

排水路面具有易排水、抗滑、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，但由于其空隙結(jié)構(gòu)較大、細(xì)集料較少，除了車輛荷載的反復(fù)作用，水和溫度等外界環(huán)境條件也會(huì)對(duì)瀝青混合料產(chǎn)生影響[1-3]，使大空隙瀝青混合料很容易產(chǎn)生松散、剝落等水損害現(xiàn)象，破壞路面結(jié)構(gòu)完整性，降低其使用壽命[4-5]。因此，評(píng)價(jià)水、溫環(huán)境對(duì)大空隙瀝青混合料性能的影響尤為重要。

黃學(xué)文等[6]研究顯示，同樣的大空隙OGFC試件，其浸水飛散損失明顯大于常規(guī)試件的飛散損失，說(shuō)明水對(duì)大空隙瀝青混合料的穩(wěn)定性有很大的影響。凍融循環(huán)是一種典型的水溫耦合作用，且瀝青混合料的強(qiáng)度及水穩(wěn)定性受凍融循環(huán)作用影響顯著[7]。耿韓等[8]認(rèn)為，凍融劈裂試驗(yàn)時(shí)的真空飽水對(duì)大空隙瀝青混合料作用不明顯，推薦以60℃浸水飛散損失作為水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

水和溫度是導(dǎo)致瀝青混合料老化的重要因素，但大部分研究考慮的水溫耦合過(guò)于單一，難以全面掌握其水損壞機(jī)理。因此，對(duì)比SBS改性瀝青，以高粘瀝青和玄武巖為原材料，首先通過(guò)水煮法評(píng)價(jià)瀝青與集料的粘附性，然后通過(guò)浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及浸水飛散試驗(yàn)進(jìn)行大空隙瀝青混合料PAC-13的水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，研究熱水浴和凍融循環(huán)兩種水溫耦合作用對(duì)大空隙瀝青混合料的影響。

1 原材料指標(biāo)與級(jí)配

本試驗(yàn)所用瀝青和集料的參數(shù)指標(biāo)如表1和表2所示，均符合規(guī)范要求。

表1 瀝青技術(shù)指標(biāo)

表2 集料技術(shù)指標(biāo)

本研究按照20%的目標(biāo)空隙率設(shè)計(jì)PAC-13大空隙瀝青混合料，其級(jí)配如表3所示，研究所采用的最佳油石比為4.8%。

表3 PAC-13級(jí)配

2 試驗(yàn)方案

為了深入研究水溫耦合作用對(duì)大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，對(duì)熱水浴和凍融循環(huán)分別設(shè)置不同的試驗(yàn)條件：在60℃水浴中分別浸泡1d、3d、5d以模擬熱水浴的影響；在-18℃至60℃環(huán)境中分別凍融5次、10次、15次以模擬凍融循環(huán)的影響，其中在-18℃下浸水3h后再在60℃下浸水3h為一個(gè)凍融循環(huán)。

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)熱水浴對(duì)大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)凍融循環(huán)對(duì)大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，采用飛散試驗(yàn)分別評(píng)價(jià)兩種水溫耦合作用對(duì)大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。

3 粘附性試驗(yàn)

將經(jīng)過(guò)熱水浴及凍融循環(huán)處理的各樣本采用水煮法評(píng)定各瀝青與玄武巖的粘附性等級(jí)，評(píng)定結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青-集料水煮法粘附性等級(jí)

從表4中結(jié)果可知，隨水浴時(shí)間延長(zhǎng)或凍融次數(shù)的增加，各瀝青與玄武巖的粘附性均逐漸下降，且高粘瀝青較SBS改性瀝青與玄武巖有更優(yōu)的粘附性。

4 水穩(wěn)定性試驗(yàn)

4.1 浸水馬歇爾試驗(yàn)

研究過(guò)程中將規(guī)范中浸水馬歇爾試驗(yàn)的浸水48h同等替換為浸水1d、3d、5d，計(jì)算其殘留穩(wěn)定度，結(jié)果如表5所示。

表5 熱水浴下殘留穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

由表5中試驗(yàn)結(jié)果可知，熱水浴條件下，大空隙瀝青混合料的強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減，這是因?yàn)闉r青混合料試件浸水過(guò)程中水分會(huì)進(jìn)到瀝青與集料的界面，減弱其間的界面強(qiáng)度，從而降低混合料的強(qiáng)度。對(duì)于熱水浴作用下的大空隙瀝青混合料而言，其大空隙特征使得水更容易進(jìn)入試件內(nèi)部，而高溫條件也會(huì)加速水分子的運(yùn)動(dòng)使其強(qiáng)度衰減更顯著。兩類大空隙瀝青混合料中，高粘瀝青組成的大空隙瀝青混合料表現(xiàn)出更好的抵抗高溫水破壞的能力。

4.2 凍融劈裂試驗(yàn)

大空隙瀝青混合料在氣溫較低的寒冷地區(qū)應(yīng)用時(shí)，不可避免面臨低溫凍融環(huán)境的考驗(yàn)，因此，本研究進(jìn)一步通過(guò)凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性。本研究的兩種大空隙瀝青混合料在不同條件下的凍融劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 凍融循環(huán)下劈裂強(qiáng)度比測(cè)試結(jié)果

從表6中的結(jié)果可知：凍融循環(huán)會(huì)顯著降低大空隙瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度，隨著凍融次數(shù)越多強(qiáng)度下降越明顯，這是因?yàn)椋诜磸?fù)的凍融過(guò)程中，結(jié)冰而產(chǎn)生的凍脹力會(huì)對(duì)瀝青與集料界面產(chǎn)生損傷，從而降低混合料的強(qiáng)度。相比較而言，凍融循環(huán)對(duì)SBS改性瀝青組成的大空隙瀝青混合料影響更為顯著，由此可見(jiàn)，高粘瀝青組成的大空隙瀝青混合料具有更好的抗凍融性能，隨著凍融次數(shù)的增加，優(yōu)勢(shì)更明顯。

4.3 飛散試驗(yàn)

飛散試驗(yàn)以30r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)300r后混合料的質(zhì)量損失來(lái)評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性，損失質(zhì)量越小，對(duì)應(yīng)的混合料的水穩(wěn)定性越好，飛散后的試件如圖1所示。

從圖1中可以看出，兩種類型的大空隙瀝青混合料在飛散后存在明顯的集料顆粒剝落的現(xiàn)象，隨著條件作用次數(shù)的增加，掉粒現(xiàn)象更顯著。其定量關(guān)系如表7、表8所示。

表7 熱水浴后飛散損失測(cè)試結(jié)果

從表7和表8的定量對(duì)比關(guān)系可以看出，隨著水浴時(shí)間的延長(zhǎng)或凍融次數(shù)的增加，飛散損失均逐漸增加，而且兩種瀝青混合料的飛散損失區(qū)別十分明顯，即高粘瀝青組成試件的飛散損失遠(yuǎn)小于SBS改性瀝青組成的試件，進(jìn)一步說(shuō)明高粘瀝青具有更好的抗水熱性能及抗凍融性能，但兩種水溫耦合作用對(duì)大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響程度并無(wú)明顯的區(qū)別。

圖1 浸水飛散試驗(yàn)后試件外觀

表8 凍融循環(huán)后飛散損失測(cè)試結(jié)果

4.4 分析與討論

三種試驗(yàn)方法中，浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)并不能很好地區(qū)分兩種不同類型瀝青成型的大空隙瀝青混合料的水穩(wěn)定差異，而飛散試驗(yàn)結(jié)果表明高粘瀝青成型的大空隙瀝青混合料具有更好的水穩(wěn)定性，這與已有研究結(jié)論[5]保持一致。因此，為了全面評(píng)價(jià)水溫環(huán)境對(duì)大空隙瀝青混合料耐久性的影響，需要分別對(duì)60℃水浴浸泡后的試件和凍融循環(huán)后的試件進(jìn)行飛散試驗(yàn)。此外，比較表6、表7、表8中的變異系數(shù)，三種評(píng)價(jià)方法中飛散試驗(yàn)的變異性相對(duì)較小，試驗(yàn)結(jié)果更加可靠。

5 結(jié)論

本研究對(duì)水-溫作用下的SBS改性瀝青和高粘瀝青組成的大空隙瀝青混合料進(jìn)行了性能試驗(yàn)，評(píng)價(jià)外部環(huán)境對(duì)其損傷特性的影響，主要得到如下結(jié)論：

(1)熱水浴和凍融循環(huán)作用均會(huì)降低大空隙瀝青混合料的水穩(wěn)定性，而且隨著水浴時(shí)間的延長(zhǎng)或凍融次數(shù)的增加，水穩(wěn)定性都逐漸下降；兩種水溫耦合作用對(duì)大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響程度并無(wú)明顯的區(qū)別。

(2)相比SBS改性瀝青，高粘瀝青具有更好的抗水熱性能及抗凍融性能，相應(yīng)的大空隙瀝青混合料的水穩(wěn)定性也更高，在排水結(jié)構(gòu)表層中使用高粘瀝青能夠明顯提高瀝青路面的抗松散能力，減少及預(yù)防水損害的發(fā)生。

(3)對(duì)大空隙瀝青混合料水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，浸水飛散試驗(yàn)可以較大程度地去除粗集料間嵌擠作用的影響，更準(zhǔn)確地區(qū)分瀝青種類對(duì)其水穩(wěn)定性的影響。