基于力學性能和各向異性的排水性瀝青磨耗層優化

張海濤 ，孫俊鋒 ，劉作強 ，熊慧中* ，葛 琪

(1.東北林業大學土木工程學院，哈爾濱 150040；2.黑龍江省公路勘察設計院，哈爾濱 150080；3.黑龍江工程學院土木與建筑工程學院，哈爾濱 150000)

隨著社會的進步和人們生活水平的日益提高，人們對道路的認識從起初的通行功能轉變為了綠色安全功能。排水性瀝青磨耗層具有抗滑、排水和防雨天路面眩光的功能，因此得到了廣泛的關注。排水性瀝青混合料內部含有大量的連通空隙，在一定程度上可以有效地排出路面上的水，保證了行車安全[1-2]。在排水性瀝青磨耗層內部存在著各向異性的特點，不同方向上的滲水情況存在差異性，這對排水性瀝青磨耗層排水功能的應用產生了不良影響，在實際工程中，各向異性可能會導致水流不能夠沿著最佳斷面流出，從而降低了排水性能。此外，由于排水性瀝青混合料內部含有大量的空隙，故其力學性能相對較差，因此，如何使其兼具優良的力學和排水性能是當下的熱門話題。

Chen等[3]根據路面結構中的實際水流過程，設計了一種測量多孔混合物在垂直面和水平平面上不同方向滲透率的實驗方法，測量了多孔混合物在不同方向的滲透率，分析空隙率對瀝青混合料滲透方向性差異的影響。張秀等[4]基于室內試驗的研究，建立了排水性瀝青混合料細微觀孔隙結構與宏觀路用性能之間的關系，為排水性能的研究打下了基礎。任海生等[5]為提升多孔瀝青混合料的路用性能，制備了硅藻土負載環氧改性瀝青混合料。該種混合料具有良好的力學性能和排水性能。Mohd Zul等[6]使用了一種非破壞性的技術。采用虛擬切割截面(成像技術)對實驗室制造的多孔瀝青的空隙特性進行了分析。從不同角度全面研究了多孔體密實樣品中空隙的分布和特性。李輝[7]基于常水頭自行開發了開級配瀝青磨耗層(open graded friction course,OGFC)降水模擬裝置及透水性能測試儀，對OGFC的排水性能進行了研究。姚形傲[8]采用自制的滲水試驗儀，結合CT(industrial computerized tomography)技術，對馬歇爾試件的排水特性進行了研究。

綜上所述，目前對于排水性瀝青磨耗層的研究，主要集中在單純的路用性能，多孔瀝青混合料試件的細觀結構，空隙率對瀝青混合料滲透方向性差異的影響，以及排水坡度對橫向排水的影響等。現對10種級配瀝青混合料的力學性能進行研究，并用自行改裝設計的滲水儀模擬水流在路面流動，對車轍板試件的滲水特性進行分析研究。結合排水性瀝青磨耗層的力學和各向異性的特性，對其整體性能進行優化分析，以期為排水性瀝青磨耗層在實際工程中的應用提供參考。

1 瀝青混合料組成設計

1.1 瀝青

試驗采用90#基質瀝青，其技術指標如表1所示。

1.2 集料

試驗所用的粗集料為石灰巖，細集料為石灰巖機制砂，填料為石灰巖礦粉，礦粉含水量為0.5%，親水系數為0.6。試驗所用集料的技術指標如表2所示。

表1 瀝青的技術指標Table 1 Technical index of asphalt

表2 集料的技術指標Table 2 Technical index of aggregate

1.3 纖維穩定劑

瀝青瑪蹄脂碎石混合料(stone mastic asphalt,SMA)粗集料多，細集料少，礦粉用量較大，且需要加入纖維穩定劑。研究采用在SMA瀝青混合料中摻加0.3%的木質素纖維，其技術指標如表3所示。

表3 木質素纖維的技術指標Table 3 Technical index of lignin fiber

1.4 瀝青混合料設計

現對多孔瀝青混合料的橫向排水特性進行研究，并通過試驗研究對其進行優化，所以采用OGFC-13Ⅰ、OGFC-13Ⅱ、OGFC-13Ⅲ、OGFC-13Ⅳ(目標空隙率分別為12%、16%、20%、24%)；OGFC-16Ⅰ、OGFC-16Ⅱ、OGFC-16Ⅲ、OGFC-16Ⅳ(目標空隙率分別為12%、16%、20%、24%)以及AC-16、SMA-16進行分析研究。集料級配如表4所示。

采用以上10種級配類型瀝青混合料進行組成設計，通過馬歇爾配合比設計得到最佳瀝青用量分別為4.6%、4.5%、4.2%、4.0%、4.2%、4.1%、4.0%、3.9%、4.3%、5.7%。

2 試驗方案

2.1 馬歇爾試驗

試驗采用Φ101.6 mm×63.5 mm的標準馬歇爾試件，讀數精確至0.01 kN，加載速率為50 mm/min，25 ℃恒溫水浴保溫30 min[9]。通過測定瀝青混合料的穩定度和流值，對各級配瀝青混合料的力學穩定性進行評價分析。

表4 集料級配Table 4 Gradation of aggregate

2.2 車轍試驗

試驗采用輪碾成型機碾壓成型的車轍板試件，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，用車轍試驗機進行試驗，瀝青混合料試件的動穩定度按式(1)計算[9]。

(1)

式(1)中：DS為瀝青混合料的動穩定度,次/mm；N為試驗輪往返碾壓速度，42次/min；d1、d2為時間t1、t2對應的變形量，mm；C1、C2為試件系數，1.0。

2.3 彎曲試驗

在車轍板試件基礎上，用切割法制作瀝青混合料小梁試件，小梁試件尺寸為250 mm×30 mm×35 mm。試驗溫度為(-10±0.5)℃，試驗加載速率為50 mm/min[9]。按式(2)計算試件破壞時的抗彎拉強度RB、破壞時的梁底最大彎拉應變εB及破壞時的曲勁度模量SB。

(2)

式(2)中：RB為試件破壞時的抗彎拉強度，MPa；εB為試件破壞時的最大彎拉應變，με；SB為試件破壞時的彎曲勁度模量，MPa；b為跨中斷面試件的寬度，mm；h為跨中斷面試件的高度，mm；L為試件的跨徑，mm；PB為試件破壞時的最大荷載，N；d為試件破壞時的跨中撓度，mm。

2.4 浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗

浸水馬歇爾試驗在25 ℃恒溫水浴保溫48 h，其余步驟與標準馬歇爾試驗相同。凍融劈裂試驗采用馬歇爾擊實法成型試件，擊實次數為雙面各50次，按照規范，采用飽水試驗方法真空保水，冷凍溫度為(-18±2)℃，保持16 h。取出試件后放入60 ℃恒溫水浴，保溫24 h，隨后取出放入25 ℃恒溫水浴2 h，試驗加載速率為50 mm/min[9]。劈裂抗拉強度按式(3)計算，凍融劈裂抗拉強度比按式(4)計算。

(3)

式(3)中：RT1為未凍融循環的第一組試件劈裂抗拉強度,MPa；RT2為凍融循環的第二組試件劈裂抗拉強度,MPa；PT1為第一組試件試驗荷載值,N；PT2為第二組試件試驗荷載值,N；h1為第一組試件高度,mm；h2為第二組試件高度,mm。

(4)

式(4)中：TSR為凍融劈裂強度比,%；RT2為凍融循環第二組試件劈裂抗拉強度平均值,MPa；RT1為未凍融循環第一組試件劈裂抗拉強度平均值,MPa。

2.5 滲水試驗裝置

對于車轍板試件而言，各個方向的滲水情況存在著差異性，在不同的介質中具有不同的滲透性。因此，采用單一的滲透系數測定方法不能夠準確反映出實際的滲水情況，為了準確對多孔瀝青混合料橫向滲水特性進行研究和優化，分析了多孔瀝青磨耗層結構中水流的滲流過程，如圖1所示。

由于中國尚無瀝青混合料橫向滲水性能測試規范，為了能夠準確模擬出水流在車轍板試件中的滲流過程，依據前人的研究和路面排水的特點[1]，自行改裝設計瀝青混合料恒定水頭車轍板滲水試驗儀，如圖2所示。

AC表示普通瀝青混凝土圖1 路面滲水示意圖Fig.1 Diagram for road surface water seepage

圖2 自制排水測試裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of self-made drainage test device

該裝置可以通過調整滲透儀水箱內的水量梯度，從而模擬不同強度的降雨。通過螺母調節橫坡坡度，以此來模擬實際路面的雨水滲流。當水箱中的水流入車轍板上時，經橫向滲透后，沿斜坡橫向流出。試驗測試不同級配車轍板試件的4個方向滲水性能。通過單位時間內滲入試件的水量來表征其滲水系數。滲水系數C按式(5)計算：

(5)

式(5)中：C為滲水系數，mL/min；V1為第一次計時的水量，mL；V2為第二次計時的水量，mL；T1為第一次計時的時間，s；T2為第二次計時的時間，s。

采用自行改裝設計的滲水測試裝置，按照以下步驟進行測試。

(1)將試驗裝置安置好，試驗采用300 mm×300 mm×50 mm的車轍板試件；分別將車轍板試件的1個300 mm×300 mm的底面以及3個300 mm×50 mm的側面密封，將不密封的300 mm×300 mm的表面作為上表面，放于試件架上，調整好橫坡坡度，試驗采用1.2%和1.5%兩種坡度。

(2)在水箱中注入500 mL水，開始試驗，記錄下滲水時間和滲出水量，根據式(5)計算各瀝青混合料試件的滲水系數。重復測試10種級配瀝青混合料車轍板試件的滲水系數。

(3)試驗根據式(5)分別計算了10種級配瀝青混合料車轍板試件4個橫向(300 mm×50 mm)的滲水系數，根據試驗數據分析，該方法測試得出的滲水系數具有較高的可靠性，可作為多孔瀝青混合料滲水系數的測試裝置。

3 試驗結果

3.1 馬歇爾試驗結果

試驗測定了10種不同級配瀝青混合料的穩定度和流值，試驗結果如表5所示。從表5中可以看出，按照馬歇爾穩定度大小關系排序：AC-16>SMA-16>OGFC-16Ⅰ>OGFC-16Ⅱ>OGFC-16Ⅲ>OGFC-16Ⅳ>OGFC-13Ⅰ>OGFC-13Ⅱ>OGFC-13Ⅲ>OGFC-13Ⅳ。連續型密集配AC-16的馬歇爾穩定度最大，其次是SMA-16，OGFC級配類型的馬歇爾穩定度最低。從表5中還可以看出，OGFC-16的穩定度大于OGFC-13，且對于同一最大公稱粒徑的不同級配瀝青混合料，隨著空隙率的增大馬歇爾穩定度逐漸減小。這表明粒徑增大，馬歇爾穩定度相對增大；隨著空隙率的增大，其力學性能相對降低。

表5 馬歇爾試驗結果Table 5 Results of Marshall test

3.2 車轍試驗結果

試驗采用車轍試驗方法測定10種不同級配瀝青混合料的動穩定度，從而評價其高溫性能，試驗結果如圖3所示。從圖3中可以看出，SMA-16的動穩定度最大，其次是OGFC-13和OGFC-16，而AC-16的動穩定度最小。這是因為密級配瀝青混合料AC-16的粗集料懸浮在細集料膠漿中，抗車轍能力受溫度影響較大，故動穩定度較低；而SMA-16粗集料多，細集料少，屬于骨架密實結構，故受溫度影響較小，具有很好的高溫抗車轍性能；OGFC-13和OGFC-16屬于骨架嵌擠結構，雖然粗集料形成嵌擠結構，且瀝青用量相對較小，但由于其大空隙率的特征，故其動穩定度相對于SMA-16較差。OGFC-16的動穩定度大于OGFC-13，對于同一最大公稱粒徑的不同級配瀝青混合料，隨著空隙率的增大動穩定度逐漸減小。這表明增大粒徑可以改善高溫性能；隨著空隙率的增大，其高溫性能相對降低。

3.3 彎曲試驗結果

試驗通過彎曲試驗測得的抗彎拉強度和彎拉應變來評價瀝青混合料試件的低溫性能，試驗結果如圖4所示。從圖4中可以看出，SMA-16的低溫性能最好，AC-16次之，OGFC最差，這是因為雖然SMA-16具有較多的粗集料，但其大量的礦粉和瀝青形成了膠漿，在低溫下具有較好的延展性，具有較大的抗彎拉強度和彎拉應變。對于OGFC結構類型而言，較大的空隙率使其低溫性能有所降低。OGFC-16的抗彎拉強度和彎拉應變大于OGFC-13，對于同一最大公稱粒徑的不同級配瀝青混合料，隨著空隙率的增大抗彎拉強度和彎拉應變逐漸減小。這表明增大粒徑可以改善低溫性能；隨著空隙率的增大，其低溫性能相對降低。

圖3 瀝青混合料車轍試驗結果Fig.3 Rutting test results of asphalt mixture

圖4 瀝青混合料低溫彎曲試驗結果Fig.4 Low temperature bending test of asphalt mixture

3.4 水穩定性試驗結果

試驗通過瀝青混合料浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗分別測定殘留穩定度和殘留強度比，試驗結果如圖5所示。從圖5中可以看出，SMA-16和AC-16的殘留穩定度和殘留強度比大于OGFC-13和OGFC-16，這是因為OGFC結構類型易遭受水損壞，而SMA-16和AC-16密實度較高，不易遭受水損壞。OGFC-16的殘留穩定度和殘留強度比小于OGFC-13，對于同一最大公稱粒徑的不同級配瀝青混合料，隨著空隙率的增大殘留穩定度和殘留強度比逐漸減小。這表明增大粒徑可以增加水穩定性；隨著空隙率的增大，其水穩定性相對降低。10種級配力學性能均滿足規范要求，為后續研究其排水特性提供基礎。

圖5 浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗結果Fig.5 Results of immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test

3.5 滲水試驗結果

試驗首先采用1.2%坡度，分別以A面為上表面和B面為上表面，對10種級配瀝青混合料試件的4個橫向面分別進行測試，測試結果如圖6所示。

從圖6中可以看出，以A面作為上表面和B面作為上表面，10種級配瀝青混合料試件的滲水情況差異性不大，即在垂直方向上路面排水差異性不大。對于SMA-16和AC-16，由于密實度較高，只能滲入少量的水，故其各方向的滲水情況沒有明顯差異。由圖6(a)、圖6(b)可以看出，OGFC-16的各向滲水差異性比OGFC-13大，且對于同一最大公稱粒徑的不同級配瀝青混合料，隨著空隙率的增大各方向滲水的差異性逐漸減小。這表明增大粒徑和空隙率可以降低瀝青混合料試件排水的各向異性。

圖6 坡度1.2%滲水試驗結果Fig.6 Seepage test results of 1.2% slope

由于垂直方向上滲水情況差異性不大，以A面作為上表面，坡度調整為1.5%，進行試驗，試驗結果如圖7所示。

通過圖6和圖7的對比可以看出，隨著坡度的增大，各級配瀝青混合料試件的滲水系數也隨之增大。OGFC-16增大的幅度比OGFC-13大，且對于同一最大公稱粒徑的不同級配瀝青混合料，隨著空隙率的增大各方向滲水系數增大的幅度逐漸增大。這是由于粒徑的增大和空隙率的增大使試件內部形成更多的有效空隙，能夠容納更多的水從試件內部滲出。這表明增大粒徑和空隙率，控制合理的坡度，可以增強排水性瀝青混合料的排水性能，并能夠一定程度減小各向滲水差異性。

圖7 坡度1.5%滲水試驗結果Fig.7 Seepage test results of 1.5% slope

通過以上力學性能和試件排水性能的分析可以看出，瀝青混合料力學性能和排水性能呈負相關關系，排水性瀝青磨耗層在發揮其排水功能的同時，也要兼顧其力學性能，且瀝青路面的各向異性使排水功能不能充分應用，故通過以上分析研究，可對排水性瀝青磨耗層進行優化。從上述試驗結果可以看出，當空隙率大于18%時，試件各方向的排水差異性開始減小，排水能力增強，所以最佳空隙率應盡量大于18%，結合力學性能試驗結果，當空隙率為24%時，各向力學性能指標稍高于規范，力學性能最差，故基于本試驗研究，結合力學性能和排水特性，排水性瀝青磨耗層的最佳空隙率應控制在18%～21%；適當提高坡度可增強其排水性能；提高公稱最大粒徑可使力學和排水性能均有所提升，進一步減小各向異性對排水性瀝青磨耗層排水功能的影響。

4 結論

(1)自行改裝設計的車轍板滲水系數測試儀，能夠模擬實際路面的雨水滲流，測試方便，具有較高的可靠性，可作為多孔瀝青混合料滲水系數的測試裝置。

(2)對于同一最大公稱粒徑的不同級配瀝青混合料，隨著空隙率的增大各方向滲水的差異性逐漸減小。即增大粒徑和空隙率可以降低瀝青混合料試件排水的各向異性。

(3)隨著坡度的增大，各級配瀝青混合料試件的滲水系數也隨之增大。研究得出的坡度范圍在1.2%～1.5%時可增強其排水性能。

(4)基于試驗研究，結合力學性能和排水特性，排水性瀝青磨耗層的最佳孔隙率應控制在18%～21%。在實際應用中，控制合理的坡度，可以增強排水性瀝青混合料的排水性能，并在一定程度上減少各向滲水差異性。