多孔瀝青混合料的低溫及抗老化性能研究*

張東超 樊旺生

(1.中交一公局第四工程有限公司 南寧 532400; 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京 211112)

多孔瀝青混合料因其良好的排水、降噪、抗滑等性能受到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用,是建設(shè)海綿城市、降低熱島效應(yīng)的有效途徑,并在全球范圍內(nèi)取得了較好的應(yīng)用效果[1-2]。唐建鋒等[3]研究了多孔瀝青混合料的抗凍性能,明確了空隙率和孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)抗凍性能的影響;胡緒泉[4]研究了多孔瀝青混合料的界面特性,認(rèn)為界面強(qiáng)度對(duì)多孔瀝青混合料的耐久性起決定作用;何虹霖等[5]研究了多孔瀝青混合料的降噪性能,指出連通空隙率和構(gòu)造深度對(duì)降噪性能影響最為顯著;孫斌祥等[6-7]研究了多孔瀝青混合料的水穩(wěn)定性和抗凍性,指出改性瀝青可以有效改善多孔瀝青混合料界面強(qiáng)度,提高水穩(wěn)定性。上述研究明確了多孔瀝青混合料的路用性能,為多孔瀝青混合料的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),但關(guān)于多孔瀝青混合料老化耐久性的研究較少。鑒于此,本文從低溫抗裂性和抗老化性兩方面評(píng)價(jià)多孔瀝青混合料的耐久性能,分析多孔瀝青路面耐久性的影響因素,并針對(duì)性地提出改善多孔瀝青混合料耐久性的措施。

1 原材料與級(jí)配

1.1 原材料

相對(duì)于密級(jí)配瀝青混合料,多孔瀝青混合料路用性能受粗集料骨架強(qiáng)度和瀝青黏附性的影響更甚,使用壓碎值低的集料和黏附性差的基質(zhì)瀝青制備多孔瀝青混合料的路用耐久性能普遍較差,尤其在瀝青老化后,路用耐久性能下降過(guò)快,難以更直觀地評(píng)價(jià)多孔瀝青混合料的耐久性能。因此,本文選擇黏附性較好的SBS改性瀝青和強(qiáng)度較大的玄武巖集料進(jìn)行研究。

1) 瀝青。研究所用SBS改性瀝青技術(shù)性能見表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)性能

2) 粗集料。研究采用粗集料為玄武巖碎石,其技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 粗集料技術(shù)性能

3) 細(xì)集料。研究采用細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂,其技術(shù)指標(biāo)見表3。

表3 細(xì)集料技術(shù)性能

4) 纖維。研究采用纖維為木質(zhì)素纖維,其技術(shù)性能見表4。

表4 纖維技術(shù)性能

1.2 級(jí)配

本文采用的多孔瀝青混合料的級(jí)配為JTG F 40-2004 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中OGFC-13級(jí)配[8],級(jí)配篩孔通過(guò)率見表5。

表5 多孔瀝青混合料各粒徑篩孔通過(guò)率

2 試驗(yàn)方案

1) 研究多孔瀝青混合料低溫性能影響因素,在級(jí)配完全一致的前提下,分別改變混合料的油石比、空隙率和纖維摻量,采用小梁彎曲試驗(yàn)研究三者對(duì)多孔瀝青混合料低溫性能的影響。

2) 研究多孔瀝青混合料老化狀態(tài)對(duì)路用性能的影響,通過(guò)烘箱加熱法及延時(shí)烘箱加熱法模擬多孔瀝青混合料的老化狀態(tài),進(jìn)行磨耗試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及小梁彎曲試驗(yàn),研究不同老化狀態(tài)下多孔瀝青混合料的磨耗性能、高溫穩(wěn)定性、抗凍性和低溫抗裂性[9]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 低溫性能

研究多孔瀝青混合料低溫性能的影響因素,在不同油石比、空隙率和纖維摻量下多孔瀝青混合料的低溫性能見圖1。

圖1 多孔瀝青混合料低溫性能影響因素

由圖1可知,油石比、空隙率,以及纖維摻量對(duì)多孔瀝青混合料的低溫性能均存在一定的影響,但其影響規(guī)律不盡相同。

圖1a)表明,隨著油石比的增大,多孔瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均逐漸增大,說(shuō)明適當(dāng)增加油石比有利于提高多孔瀝青混合料的低溫性能。在油石比為4.9%時(shí)存在轉(zhuǎn)折點(diǎn),當(dāng)油石比小于4.9%時(shí),彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率更快,油石比大于4.9%時(shí),低溫性能增長(zhǎng)趨緩,說(shuō)明在低油石比時(shí)提高瀝青用量,混合料低溫性能收益更高。原因在于在隨著瀝青用量的增加,多孔混合料的應(yīng)力松弛能力增加,低溫勁度模量降低,有助于提高多孔瀝青路面的延展性和低溫抗裂性。當(dāng)油石比超過(guò)一定限度時(shí),低溫性能雖仍有改善但強(qiáng)度增長(zhǎng)不明顯,經(jīng)濟(jì)效益較差。因此,多孔瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮性能與經(jīng)濟(jì)效益的平衡。

圖1b)表明,隨著空隙率的增大,多孔瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均逐漸降低,兩者變化規(guī)律基本相似,但性能降低幅度不大,空隙率由18%提升到24%,低溫性能降低約9%。原因在于瀝青混合料的低溫性能主要與瀝青自身的韌性及瀝青-集料間的黏聚力有關(guān),而多孔瀝青混合料空隙率較大,粗集料相互嵌擠而細(xì)集料較少,集料間接觸面積較小,且瀝青膠漿多懸浮于空隙中,難以提供足夠的黏聚力,在承受拉應(yīng)力時(shí)裂縫的形成和擴(kuò)展克服瀝青和集料之間的黏結(jié)力所需的能量較少;其次,低溫開裂往往從混合料的薄弱界面開始發(fā)生,多孔瀝青混合料中的空隙均勻性較差,這些區(qū)域在承受荷載時(shí)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,從而加速了裂縫的發(fā)展。因此,多孔瀝青混合料在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選取合適的空隙率,確保低溫抗裂性能。

圖1c)表明,纖維對(duì)多孔瀝青混合料的低溫性能有明顯的積極作用,隨著纖維摻量的增大,混合料彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變均先增大后減小,纖維摻量為0.3%時(shí),低溫性能達(dá)到峰值,彎拉強(qiáng)度約提升11%。究其原因在于以下幾方面:①纖維的摻加吸附了部分瀝青,增大了多孔瀝青混合料的最佳油石比,提高了混合料的韌性;②纖維與混合料中自由瀝青結(jié)合后吸附在集料表面,增大了瀝青薄膜厚度,間接增加了混合料結(jié)構(gòu)瀝青用量,補(bǔ)償了多孔瀝青混合料空隙率大、結(jié)構(gòu)瀝青數(shù)量少的缺點(diǎn);③聚酯纖維具有良好的抗拉強(qiáng)度,在混合料中錯(cuò)綜分布,起到一定的加筋作用,在薄弱界面可吸收部分應(yīng)力,可以延緩裂縫產(chǎn)生和發(fā)展,且增加了混合料的彈性恢復(fù)能力及微裂縫的自愈能力。而纖維摻量過(guò)量時(shí),對(duì)低溫性能造成負(fù)面效果,原因在于過(guò)量的纖維難以在混合料中均勻分布,容易產(chǎn)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象,成為混合料中抵抗低溫抗裂的薄弱點(diǎn)。

3.2 抗老化性能

通過(guò)模擬瀝青路面的短期和長(zhǎng)期老化,研究多孔瀝青混合料抗老化性能,試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 老化狀態(tài)對(duì)多孔瀝青混合料性能的影響

由圖2可知,多孔瀝青混合料在不同老化狀態(tài)下的路用性能差異較大,主要原因在于老化后瀝青性質(zhì)發(fā)生了巨大的變化,從而影響了瀝青混合料的路用性能。且多孔瀝青混合料較小的密度及較大的空隙率,使得外界的水、氧氣、光照等更容易進(jìn)入混合料的內(nèi)部,混合料更易產(chǎn)生老化。

圖2a)、b)表明,隨著老化程度的加深,多孔瀝青混合料的磨耗損失率和動(dòng)穩(wěn)定度顯著增大,原因在于瀝青老化變脆,針入度、延度逐漸降低,黏附性和集料抗剝落能力下降。動(dòng)穩(wěn)定度增大的原因在于老化后瀝青變硬,混合料也隨之變硬,承受車輪碾壓時(shí)抵抗性能更強(qiáng)。

圖2c)、d)表明,隨著老化程度的加深,多孔瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比和低溫彎曲應(yīng)變逐漸降低,說(shuō)明老化后多孔瀝青混合料的抗凍性和低溫抗裂性嚴(yán)重降低。主要原因在于老化后瀝青混合料逐漸變硬,韌性降低,同時(shí)瀝青集料間的黏附性下降,在抵抗拉應(yīng)力時(shí)更容易產(chǎn)生裂縫破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上,實(shí)驗(yàn)制備了不同條件下的混合料車轍板試件,采用小梁彎曲試驗(yàn)和烘箱老化試驗(yàn),分別研究了多孔瀝青混合料的低溫性能和抗老化性能,研究結(jié)果表明:

1) 研究多孔瀝青混合料低溫性能影響因素,隨著油石比增大,混合料低溫抗裂性增加,隨空隙率增大,低溫性能下降,隨著纖維摻量的增大,混合料低溫性能先增大后減小,纖維摻量為0.3%時(shí),低溫性能達(dá)到峰值。因此,在多孔瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí),可通過(guò)提高油石比、降低空隙率和添加纖維等措施改善混合料的低溫抗裂性能。

2) 研究多孔瀝青混合料老化狀態(tài)對(duì)路用性能的影響,老化狀態(tài)對(duì)混合料路用性能影響顯著,隨著老化程度的加深,多孔瀝青混合料耐磨耗性降低,高溫性能得到改善,抗凍性和低溫抗裂性能降低。因此,多孔瀝青路面應(yīng)根據(jù)路面服役年限和實(shí)際老化情況及時(shí)采取預(yù)養(yǎng)護(hù)措施。