空隙率對PAC瀝青混合料路用性能的影響研究

鄭明考

(廣東冠粵路橋有限公司 廣州市 511450)

0 引言

我國現存城市道路鋪裝多采用石板材鋪裝或密級配瀝青混凝土的結構型式,由于其特有的密封性,有著滲透性差、降噪能力不佳的缺陷,易引起城市熱島效應,同時引發環境噪聲污染問題[1-4]。

PAC瀝青混合料作為道路鋪裝材料時,道路徑流雨水可通過混合料結構內部空隙流通并下滲至相關排水設施,徑流雨水的流通及下滲速度與其空隙分布特征直接相關,空隙越大其排水性能越好。而隨著設計目標空隙率的提升,PAC瀝青混合料的路用性能也會受到相應影響。如何在保證路用性能的基礎上盡可能發揮PAC瀝青混合料的排水及抗滑能力是進一步推廣應用的關鍵點[5-6]。

現行《透水瀝青路面技術規程》[7](CJJ/T 190—2012)(以下簡稱透水路面規程)中對PAC-13瀝青混合料的空隙率范圍進行了規定:設計的PAC-13瀝青混合料空隙率應處于18%～25%的范圍內。該范圍僅對PAC瀝青混合料的空隙率范圍提出了較為寬泛的要求,在指導應用過程中,即便設計施工的PAC瀝青混合料滿足上述規程要求,其排水抗滑及路用性能仍有著較大差異空間。此外,我國多項規范中對PAC瀝青混合料的諸多技術指標規定有著一定差異,指標類別及指標值各不相同。參照不同的規范及施工標準,實現滿足PAC瀝青混合料性能要求目標的難度也存在著較大差別。

基于此,文章結合經驗法和試驗法擬定3組目標空隙率的級配曲線,對應成型了18%、20%以及22%空隙率的PAC-13瀝青混合料試件,開展PAC瀝青混合料路用性能表現對比分析試驗。通過對比不同空隙率條件下對應的滲透系數、析漏損失、動穩定度、浸水殘留穩定度、構造深度及動態模量等指標參數,總結空隙率對PAC瀝青混合料路用性能的影響規律。

1 原材料與級配設計

選用高黏改性瀝青作為PAC瀝青混合料粘結材料,性能指標檢測結果見表1。

表1 高黏改性瀝青性能指標表

選用玄武巖碎石集料,對其性能指標進行檢測,滿足規范要求,通過調整2.36mm關鍵篩孔通過率確定PAC瀝青混合料空隙率。結合試驗法擬定了3組PAC瀝青混合料目標空隙率的級配,其空隙率分別為18%、20%以及22%,詳見表2。

表2 級配分析表

采用瀝青膜厚度控制法計算得出對應瀝青用量,同時以析漏及飛散試驗驗證配合比設計結果,并據此成型各組不同空隙率的PAC瀝青混合料試件組。

2 滲透性能變化規律分析

根據透水路面規程要求,通過水中重法進行檢測的PAC-13瀝青混合料連通空隙率應不低于14%。對上文設計制備的三種PAC-13瀝青混合料連通空隙率指標進行檢測,結果見表3。

表3 連通空隙率檢測結果

分析表3中數據可以發現:三組不同目標空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的實測空隙率均可滿足透水路面規程的要求。并且隨空隙率數值的提升,連通空隙率也隨之線性增長。這也側面反映出,當不具備測量連通空隙率條件時,可通過試件實測空隙率初步表征PAC瀝青混合料的透水能力。

滲透系數是直接表征PAC瀝青混合料滲透性能的主要指標。通過路面滲水測試儀檢測碾壓成型的PAC瀝青混合料,試驗數據見表4。

表4 滲透系數檢測結果

現行《公路瀝青路面設計規范》[8](JTG D50—2017)(以下簡稱設計規范)中對PAC-13瀝青混合料的滲透系數范圍進行了規定:PAC-13瀝青混合料滲透系數應不小于900mL/15s。而透水路面規程中對其要求則為不小于800mL/15s。

分析表4中數據可以發現:三組不同目標空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的滲透系數均可滿足透水路面規程及設計規范的要求。即當PAC-13瀝青混合料空隙率在18%以上時即可滿足其滲透性能要求。此外,PAC-13瀝青混合料的滲透系數整體變化趨勢與空隙率正相關,但增長幅度不大,從18%提升到20%再到22%的過程中,分別僅增長了92 mL/15s和67 mL/15s。這表明在PAC瀝青混合料的設計過程中無需過多考慮其滲水性能方面的要求,而應將研究重點偏向于其路用性能的提升方面。

3 析漏及飛散損失變化規律分析

抗析漏和飛散性能是PAC瀝青混合料需要重點關注的路用性能,現行《公路瀝青路面施工技術規范》[9](JTG F40—2004)(以下簡稱施工規范)中對PAC-13瀝青混合料的析漏損失和飛散損失范圍進行了規定:PAC-13瀝青混合料析漏損失和飛散損失應不超過0.3%及20%。而透水路面規程中對飛散損失的要求則存在差異,規定為15%。對三組不同空隙率PAC-13瀝青混合料試件的析漏及飛散損失進行檢測,結果見表5。

表5 析漏及飛散損失檢測結果

分析表5中數據可以發現:三組不同目標空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的析漏及飛散損失指標均可滿足透水路面規程及施工規范的要求。其中飛散損失隨空隙率的提升而線性增長,析漏損失隨油石比的提升而線性增長,與空隙率無直接關系,這提醒了在PAC-13瀝青混合料設計過程中應嚴格控制瀝青用量。

4 高溫穩定性變化規律分析

瀝青混合料鋪裝路面在使用過程中,尤其是夏季高溫時節易在荷載作用下發生永久性變形,因此,高溫穩定性是瀝青混合料路用性能的重要表征指標,可通過室內車轍試驗進行檢測和評價。現行施工規范中對PAC-13瀝青混合料的動穩定度范圍進行了規定:在一般路段應在1500次/mm以上,重載交通路段則應在3000次/mm以上。而透水路面規程中對動穩定度的要求則存在差異,統一要求為3500次/mm以上。對三組不同空隙率PAC-13瀝青混合料試件的動穩定度指標進行檢測,結果見表6。

表6 動穩定度檢測結果

分析表6中數據可以發現:三組不同目標空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的動穩定度指標均可遠超滿足透水路面規程及施工規范的要求。對比

數值變化規律,當空隙率為20%時,PAC瀝青混合料試件高溫穩定性指標表現最佳,動穩定度處于最高值。

5 水穩定性變化規律分析

5.1 浸水馬歇爾試驗

浸水馬歇爾試驗可表征評價PAC瀝青混合料的水穩定性,現行設計規范要求PAC-13瀝青混合料的浸水殘留穩定度在80%以上。對三組不同空隙率PAC-13瀝青混合料試件的浸水殘留穩定度指標進行檢測,結果見表7。

表7 浸水殘留穩定度檢測結果

分析表7中數據可以發現:三組不同目標空隙率的PAC-13瀝青混合料試件的浸水殘留穩定度均可滿足設計規范的要求,且隨空隙率的提升而線性下降。當空隙率提升至22%時,PAC瀝青混合料的浸水殘留穩定度已下降至80.7%,接近規范下限值。而當空隙率為18%時,PAC-13瀝青混合料的浸水殘留穩定度數值表現最佳。因此,在設計應用PAC瀝青混合料鋪裝材料時不應片面追求滲水能力,還應兼顧瀝青混合料的水穩定性,設計過高的空隙率將引起面層結構的水穩定性下降,進而引起路面病害。

5.2 凍融劈裂試驗

現行設計規范要求PAC-13瀝青混合料的凍融劈裂強度比在70%以上,而透水路面規程中對凍融劈裂強度比的要求則是在85%以上。對三組不同空隙率PAC-13瀝青混合料試件的凍融劈裂強度比指標進行檢測,結果見表8。

表8 凍融劈裂強度比檢測結果

分析表8中數據可以發現:隨著PAC-13瀝青混合料空隙率的提升,凍融劈裂強度比與之呈非線性負相關關系,其中當空隙率由18%提升至20%時,凍融劈裂強度比僅下降了0.3個百分點,而當空隙率繼續提升至22%時,凍融劈裂強度比驟降至80.9%,仍都滿足現行設計規范要求范圍,但此時已不再滿足透水路面規程要求范圍。這表明當PAC瀝青混合料空隙率提升至22%后,抗水損害能力下降明顯。

6 抗滑性能變化規律分析

PAC瀝青混合料結構有著大空隙及粗骨料占比較高的特點,因而通常具備較好的抗滑性能,而這也是PAC瀝青混合料在推廣應用過程中要重點關注的內容。現行設計規范要求PAC-13瀝青混合料的摩擦系數在58BPN以上,對構造深度的要求是在0.55mm以上。通過檢測不同空隙率PAC-13瀝青混合料的構造深度指標及摩擦系數指標用以展開評價分析,檢測結果見表9。

表9 構造深度及摩擦系數檢測結果

分析表9中數據可以發現:對于構造深度來說,三種空隙率對應的PAC試件檢測值均遠超規范下限要求,這說明規范中對構造深度的要求相對較為保守。構造深度隨試件空隙率的提升呈現正相關關系,這與摩擦系數的變化規律相類似,即PAC瀝青混合料的抗滑能力與空隙率正相關,但空隙率影響幅度不明顯,在空隙率提升了4%后,構造深度和摩擦系數僅分別增長了0.25mm和5.7BPN。

7 動態模量變化規律分析

根據現行設計規范,常采用動態壓縮模量,用于PAC-13瀝青混合料路面結構的設計和驗算中。常規做法是以20℃或15℃溫度對應的材料回彈模量為依據,但此做法通常無法直接反饋材料的頻率和溫度敏感性。鑒于此,文章探索開展18%、20%以及22%的PAC-13瀝青混合料試件單軸壓縮動態模量檢測試驗,設定了50℃、35℃、20℃、5℃以及-10℃五組檢測溫度,加載頻率則設定為25Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5 Hz以及0.1Hz。依據時溫等效疊加原理,通過移位因子公式(見式1)將各加載頻率下的不同溫度動態模量檢測結果等效為20℃動態模量值。整理數據后利用Sigmoid數學模型(見式2)擬合函數得到主曲線圖,見圖1。

圖1 動態模量主曲線圖

(1)

式中:C1、C2為材料自身相關常數;T為試驗溫度(℃);TR為參考溫度(℃)。

(2)

式中:|E*(fr)|為加載頻率下的動態模量(MPa);δ、α為主曲線漸近線值(MPa);β、γ為形狀參數。

分析圖1可以發現:隨加載頻率的提升,不同空隙率的PAC-13瀝青混合料試件組動態模量均呈上升趨勢,并且三條主曲線走勢相近。縱向對比同等頻率下,不同空隙率的試件動態模量大小關系則為:18%空隙率試件>20%空隙率試件>22%空隙率試件。該模型可為PAC-13瀝青混合料路面結構的設計驗算及應用提供一定參考。

8 結語

文章結合經驗法和試驗法擬定3組目標空隙率的級配曲線,對應成型了18%、20%以及22%空隙率的PAC-13瀝青混合料試件,開展PAC瀝青混合料路用性能表現對比分析試驗。通過對比不同空隙率條件下對應的滲透系數、析漏損失、動穩定度、浸水殘留穩定度、構造深度及動態模量等指標參數,總結空隙率對PAC瀝青混合料路用性能的影響規律:

(1)隨油石比的提升,PAC瀝青混合料析漏損失指標值顯著增大,與空隙率無直接關系;隨空隙率指標的提升,PAC瀝青混合料飛散損失指標值顯著增大。

(2)當空隙率為20%時,PAC瀝青混合料試件高溫穩定性指標表現最佳,動穩定度處于最高值。

(3)水穩定性隨空隙率的提升而減弱,當空隙率增長至22%時,凍融劈裂強度比將不再處于規范要求范圍。

(4)PAC瀝青混合料的抗滑能力與空隙率正相關,且空隙率影響幅度不明顯。

(5)不同空隙率條件下的動態模量主曲線走勢相近,同等頻率下,22%空隙率試件組的動態模量值最低。