不同高黏瀝青對降噪排水鋪裝材料性能影響試驗研究*

朱志遠 周橙琪 周 欣 張 輝

(1.江蘇揚子大橋股份有限公司 靖江 214521； 2.江蘇中路工程技術研究院有限公司 南京 211806；3.江蘇省交通工程建設局 南京 210004)

高速公路的路面要為車輛提供較高的行車安全性，路面結構應具有優異的防滑性能，特別是在雨天。雨天路面容易出現濺水和噴霧現象，給車輛帶來很大的安全隱患。降噪排水鋪裝具有良好的排水、降噪功能，可顯著減少雨天行車的水飄、水霧，提高路面抗滑性能，同時可以有效減輕高速行車過程中產生的噪聲從而顯著提高路面服務水平[1-3]。目前路面工程界對大空隙率的瀝青混合料面層，美國稱之為開級配磨耗層(open graded friction course，OGFC)，其鋪設厚度多為1.5～3.5 cm，作為功能層使用；歐洲稱之為多孔隙瀝青混合料(porous asphalt，PAC)或排水層(drainage course)，日本則稱之為排水性鋪面，一般鋪設厚度為4～5 cm，作為結構層使用[4-7]。降噪排水鋪裝是典型的開級配瀝青混合料，粗集料的用量占80%以上，在形成粗集料骨架的同時缺乏細集料填充，如果使用普通瀝青，則難以使粗集料的骨架產生足夠的限制約束作用，必然會造成瀝青混合料的感溫性差，抵抗車轍、變形的能力差，和易性差等弱點。因此，為了防止瀝青熱熔滴落堵塞孔隙，同時防止車輪荷載沖擊作用下表面骨料飛散，多使用改性后的高黏度瀝青。高黏改性瀝青一般是指在60 ℃時瀝青的黏度大于20 000 Pa·s的瀝青，日本于1996年11月頒布了《排水性鋪裝技術指針(案)》作為其設計施工的規范藍本，對高黏瀝青提出了詳細的控制指標，并在全國范圍內推廣排水性路面的使用，技術成熟。本文采用日本TPS(TAFPACK-Super)改性劑生產的高黏瀝青和國產高黏瀝青分別制備了2種PAC-13混合料，并對2種混合料的路用性能及復合鋪裝結構的耐久性進行了相關研究。

1 材料及試驗

1.1 高黏瀝青材料及配合比設計

1.1.1高黏瀝青材料特性

采用12%TPS改性劑對基質瀝青進行改性。其中，基質瀝青采用SK70號道路石油瀝青，相關技術指標檢測結果見表1，改性后的高黏瀝青的試驗結果見表2。國產高黏瀝青采用市面上采購的成品高黏瀝青，相關技術指標檢測結果見表3。

表1 SK70瀝青技術要求與測試結果

表2 TPS高黏瀝青技術指標與測試結果

表3 國產高黏瀝青技術指標與測試結果

由表2、表3對比TPS高黏瀝青和國產高黏瀝青的技術指標發現，國產高黏瀝青的針入度和軟化點略高于TPS高黏瀝青，而60 ℃動力黏度則比TPS高黏瀝青高出31.2%。動力黏度大的瀝青在荷載作用下產生的剪切變形相對較小，殘留的永久塑性變形小，表明國產高黏瀝青在高溫下抗永久變形能力要優于TPS高黏瀝青，后續還將通過混合料的試驗研究進行進一步的驗證。

1.1.2配合比設計

集料采用南京六合的玄武巖制石料，礦粉采用石灰巖礦粉，水泥采用建筑用水泥普通硅酸鹽水泥P·O 32.5，水泥的表觀密度為3.100 kg/m3。

1) 礦料級配設計。高黏瀝青PAC-13混合料的礦料質量分數比為：1號料(10～15 mm)∶2號料(5～10 mm)∶4號料(0～3 mm)∶礦粉∶水泥=53%∶34%∶9%∶2%∶2%，具體礦料合成級配見表4。

表4 PAC-13混合料礦料合成級配

2) 最佳油石比。PAC-13瀝青混合料的馬歇爾試件空隙率滿足要求為前提，混合料的最佳瀝青用量結合謝倫堡瀝青析漏試驗、肯塔堡飛散試驗及混合料的施工和易性綜合確定，試驗結果見圖1。其中，空隙率要求為18%～25%，析漏損失<0.3%，飛散損失<20%。

圖1 TPS高黏瀝青PAC-13混合不同油石比下的空隙率、析漏百分率、飛散率

綜合上述混合料空隙率、謝倫堡瀝青析漏試驗、肯塔堡飛散試驗各設計技術指標要求的情況下，TPS高黏瀝青PAC-13混合料最佳油石比采用4.3%。為進一步對比TPS高黏瀝青PAC-13混合料和國產高黏瀝青PAC-13混合料的路用性能，國產高黏瀝青PAC-13混合料擬定油石比為4.3%，采用表4中確定的礦料合成級配，然后對其混合料相關性能指標進行檢測，相關試驗結果見表5。

表5 不同高黏瀝青PAC-13混合料性能指標檢測結果

從馬歇爾試驗、析漏試驗和飛散試驗結果看，國產高黏瀝青采用目前的級配和瀝青用量滿足設計要求。

1.2 試驗方法

參照規程[8-9]采用車轍試驗、彎曲試驗和浸水馬歇爾試驗分別對TPS高黏瀝青PAC-13混合料和國產高黏瀝青PAC-13混合料的高溫穩定性、低溫抗裂性和水穩定性進行研究。參照規程[10]采用滲水試驗和擺式摩擦系數分別對2種高黏瀝青PAC-13混合料的滲水性能和抗滑性能進行研究。

制備3 cm國產高黏瀝青PAC-13降噪排水面層+6 cm AC-20復合結構車轍板試件(長300 mm×寬300 mm×高90 mm)，并將試件經過5次溫度范圍為-18～30 ℃反復飽水凍融循環后，在試件表面上一分為四畫格(長150 mm×寬150 mm)，并用鉆芯機鉆取4個深度為1.5 cm、直徑為10 cm的圓，再用黏結劑將拉拔頭黏貼到鉆芯位置，最后在20 ℃溫度下測試其拉拔強度，所得拉拔強度可以較好地表征混合料層間的黏聚力，成型過程見圖2。

圖2 3 cm PAC-13+6 cm AC-20復合結構拉拔試驗試件成型

2 結果分析

2.1 高溫穩定性

TPS高黏瀝青PAC-13混合料和國產高黏瀝青PAC-13混合料的高溫車轍試驗結果見表6。

表6 不同高黏瀝青PAC-13混合料高溫車轍試驗結果

由表6可見，國產高黏瀝青PAC-13混合料的動穩定度大于TPS高黏瀝青PAC-13混合料，前者混合料的高溫穩定性優于后者，這與其瀝青膠結料的性能研究結論相吻合。

2.2 低溫抗裂性能

2種高黏瀝青PAC-13混合料的低溫彎曲試驗結果見表7。由表7可見，相比國產高黏瀝青PAC-13混合料，TPS高黏瀝青PAC-13混合料的跨中撓度較大，勁度模量較小，破壞應變較高，具有更好的低溫抗裂性能。

表7 2種高黏瀝青PAC-13混合料低溫小梁彎曲試驗

2.3 水穩定性

2種高黏瀝青PAC-13混合料的浸水馬歇爾試驗結果見表8。

表8 2種高黏瀝青PAC-13混合料浸水馬歇爾試驗結果

對比2種混合料的標準養生條件下的穩定度，2種混合料的強度相接近。從2種混合料的浸水殘留穩定度來看，兩者相接近，分析原因，主要是由于2種混合料采用的級配和油石比都一樣，空隙率也較為接近，因而水穩定性差異不大。

2.4 滲水性能

大孔隙開級配瀝青混合料最重要的特性是透水性。采用常規滲透儀測試室內成型的車轍板測試滲透系數，評價2種高黏瀝青PAC-13混合料的滲水性能見表9。

表9 2種高黏瀝青PAC-13混合料滲水性能試驗結果 mL/ 15 s

由表9可見，國產高黏瀝青PAC-13混合料的滲水性能略優于TPS高黏瀝青PAC-13混合料。分析原因認為，前者的空隙率是22.9%，后者的空隙率是22.5%，前者的空隙率略大于后者，而混合料內部的連通空隙越大，滲水能力就越強[11]。

2.5 抗滑性能

采用擺式摩擦系數測定儀對2種高黏瀝青PAC-13混合料的抗滑性能進行評價，試驗結果見表10。

表10 2種高黏瀝青PAC-13混合料抗滑性能試驗結果

從表10摩擦系數來看，2種高黏瀝青PAC-13混合料的抗滑性能差異不大。

2.6 復合件抗凍融性能

降噪排水鋪裝由于其大空隙結構，冬季結冰對結構是否有損傷，損傷的程度如何，一直備受關注，本文對國產高黏瀝青PAC-13+AC-20復合試件的抗凍融性能的研究結果見表11。

表11 復合試件凍融前后混合料拉拔強度

由表11可見，復合試件經過5次飽水凍融循環后，進行復合件拉拔強度檢測，由于PAC-13混合料黏聚力不足，破壞界面均出現在PAC-13混合料中，拉拔強度從0.97 MPa降到了0.72 MPa，降低了26%，說明連續的飽水凍融循環對大空隙瀝青混合料的抗凍融性能影響很大。在降噪排水鋪裝設計過程中應加強防排水設計，在使用過程中應減少鋪裝層內空隙的阻塞，減少表面水在鋪裝層內的存留，減少飽水凍融對鋪裝層使用性能的影響。

3 結論

1) 通過對TPS高黏瀝青和國產高黏瀝青的性能研究發現，國產高黏瀝青在高溫下時抗永久變形能力優于TPS高黏瀝青。

2) 通過對2種高黏瀝青PAC-13混合料路用性能的研究發現，2種混合料均具有良好的路用性能，相關指標均滿足國內規范要求。

3) 通過復合件拉拔試驗評價降噪排水鋪裝結構的抗飽水凍融性能，國產高黏瀝青PAC-13+AC-20的復合試件經過5次飽水凍融循環后，拉拔強度下降26%，連續的飽水凍融循環對大空隙瀝青混合料的抗凍融性能影響很大，建議在降噪排水鋪裝設計過程中加強防排水設計。