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摘要: 通过对相同空隙率的两种级配、四种不同沥青结合料的排水性沥青混合料进行了高温稳定性、水稳定性和低温稳定性试验, 研究了沥青性质、集料级配对排水性沥青混合料耐久性的影响。通过试验发现随着沥青60℃粘度的提高, 排水性沥青混合料的动稳定度、水稳定性和低温性能显著提高; 对于同种沥青结合料, 良好的集料级配可以极大地改善排水性沥青混合料的耐久性; 选用高粘度的改性沥青, 选取合理的集料级配可以保证排水性沥青混合料具有良好的耐久性。Abstract: This paper investigated the influence of asphalt binder properties and aggregate gradings on the durability of porous asphalt mixture utilizing performance-based test. Two types of aggregate gradings and four kinds of porous asphalt mixtures with the same air voids but different asphalt contents were tested. The study results show that increasing the viscosity of asphalt binder at 60℃ and selecting appropriate aggregate grading can promote the dynamic stability, hydraulic stability and low-temperature stability of porous asphalt mixture, make sure good durability of porous asphalt mixture.
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0. 引言
排水性沥青混合料具有较大空隙率, 因而具有很好的表面抗滑性能。尤其在雨天, 能迅速排除路表积水, 减少路面溅水和喷雾, 极大地增强了道路安全性能, 并且可降低交通噪音, 改善交通对环境的污染。目前这种结构形式在日本已被广泛应用于高速公路和城市主干道路[1-4]。随着中国西部开发战略的实施, 公路网的建设将向西部延伸, 高速公路的建设重心也将逐步西移, 山区高速公路的修建将逐渐增多。由于弯、坡、陡等因素, 行车安全问题在山区公路上比在平原区公路上更加突出, 发生事故的可能性增加, 事故的严重性和危险程度较大。由于纵坡的原因使路面表面的排水径流长度增大, 如果路表光滑, 那么降雨在路表面形成水膜的可能性增大, 这就使产生水漂的危险增大, 同时产生溅水和喷雾, 影响跟随车辆的能见度, 由此造成事故的危险性会进一步增大。以前的研究结果表明, 从路面体内排水比从路表排水效率高, 因此对山区公路采用沥青面层排水法, 更合理、更有利。但是, 由于排水性沥青混合料空隙率较大, 其力学强度及耐久性不如密级配沥青混合料, 所以为了使排水性沥青路面具有良好的排水、抗滑和降噪性能, 必须考虑其耐久性, 保证其具有良好的高温稳定性、水稳定性和低温稳定性[5-8]。空隙率是影响排水性沥青混合料耐久性能的重要因素, 为了达到良好的排水与降噪等性能, 必须保证一定的空隙率。为了提高排水性沥青混合料的耐久性, 本文对比了相同空隙率, 使用3种改性沥青、1种TPS改性沥青分别成型的2种不同级配的排水性沥青混合料, 进行了车辙试验、单轴蠕变试验、不同天数飞散试验和低温弯曲试验, 分析了沥青性质、集料级配对排水性沥青混合料耐久性的影响。
1. 材料性能及试验级配
1.1 沥青性能
选择标号分别为1#、2#和3#3种改性沥青以及TPS改性沥青成型试件进行试验, 比较排水性沥青混合料的性能。通过试验测得4种沥青结合料的指标见表 1。本研究中所用的TPS(全称TAF-PACK-Super)是一种专为排水性沥青路面而生产的沥青改性添加剂。TPS是以热塑性橡胶为主要成分, 再配以粘结性树脂和增塑剂等其他成分, 用机械搅拌混合方式能使普通沥青改性, 成为排水性沥青路面用的高粘度粘结剂。
表 1 试验沥青性能指标Table 1. Indices of experimental asphalts试验项目 试验指标 技术要求 1# 2# 3# TPS改性 针入度(25 ℃)/(0.1mm) 63.5 56.0 57.5 40.0 延度(15 ℃)/cm > 100 > 100 > 100 75 软化点/℃ 89 82 57 89 韧性/(N·m) 39.66 37.74 37.01 25.51 ≥20 粘结力/(N·m) 32.72 29.59 30.98 17.34 ≥15 60 ℃粘度/(Pa·s) 150 000 47 772 3 532 117 000 ≥20 000 1.2 石料性能
石料为玄武岩, 其主要性能见表 2。
表 2 石料性能指标Table 2. Aggregate indices试验项目 洛杉矶磨耗值/% 视密度/(g·cm-3) 粘结力等级 针片状含量/% 磨光值/PSV 指标 8.9 2.958 4 2.82 53 1.3 试验级配
表 3给出2种目标空隙率为20%的级配。室内及试验路试验结果表明, 这2种级配的排水性沥青混合料排水、降噪、抗滑性能优良[1]。表 4是这2种级配排水性混合料的排水、降噪、抗滑性能指标。
表 3 混合料级配Table 3. Asphalt mixture gradations孔径/mm 19.000 16.000 13.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075 通过率/% 级配Ⅰ — 100.0 94.0 77.6 20.6 13.4 11.9 10.4 8.9 7.5 6.1 级配Ⅱ 100.0 95.0 80.0 54.2 11.2 10.5 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 表 4 排水性沥青混合料路用性能Table 4. Performances of porous asphalt mixtures功能指标 级配Ⅰ 级配Ⅱ 指标要求 渗透系数/(cm·s-1) 0.031 0.032 > 0.01 渗水量/[ml·(15 s)-1] 1 540 1 572 900 吸声系数 0.465 0.437 降噪效果/dB 4~5 4~5 摆式系数 59 60 1.4 最佳沥青用量和实测空隙率
通过析漏试验和飞散试验, 并参照马歇尔试验结果确定混合料的最佳沥青用量[1], 最佳沥青用量和实测空隙率见表 5。
2. 试验分析
2.1 车辙试验
对2种不同级配、3种改性沥青以及TPS改性沥青成型的车辙板进行60 ℃车辙试验, 结果见图 1。
从图 1可以看出, 级配Ⅰ的4种沥青混合料的动稳定度均达到了中国改性沥青混合料和日本排水性沥青混合料规范规定的大于等于3 000次/mm的要求, 1#沥青混合料和TPS改性沥青混合料高温稳定性更显优异。级配Ⅱ的1#沥青混合料达到了3 000次/mm的规范要求, TPS改性沥青混合料动稳定度接近规范要求, 而2#、3#改性沥青混合料的动稳定度较差, 无法满足规范的要求。
表 5 最佳沥青用量和实测空隙率Table 5. Optimum asphalt contents and air voids percentages性能试验指标 排水性沥青混合料 技术要求 1# 2# 3# TPS改性 级配Ⅰ 最佳沥青用量/% 4.8 4.6 4.6 4.8 实测空隙率/% 19.5 20.0 19.6 19.9 稳定度/kN 5.7 4.6 4.6 5.2 ≥3.5 级配Ⅱ 最佳沥青用量/% 4.7 4.5 4.5 4.7 实测空隙率/% 20.2 20.4 20.2 20.4 稳定度/kN 5.4 4.8 4.9 5.3 ≥3.5 根据试验结果, 可以看出, 无论级配Ⅰ、级配Ⅱ, 随着60 ℃粘度的增大, 混合料的动稳定度都相应增大。排水性沥青混合料动稳定度和沥青60 ℃粘度之间的关系见图 2, 通过回归分析, 得出高温稳定性较好的级配Ⅰ和级配Ⅱ的动稳定度与60 ℃粘度的关系式, 分别见式(1)、(2)
DDS=372.98lnη-87.895 (R2=0.964 4) (1)
DDS=418.81lnη-1 934.2 (R2=0.964 2) (2)
式中: DDS为动稳定度(次/mm); η为60 ℃粘度(Pa·s)。
2.2 单轴蠕变试验
单轴蠕变试验在MTS-810材料试验系统上进行, 采用40 ℃的试验温度和0.1 MPa的加载应力, 加载时间为60 min, 卸载时间为30 min, 预载应力为0.002 MPa, 预载时间为10 min。对2种级配、3种改性沥青以及TPS改性沥青成型的试件进行测试。
级配Ⅰ的4种沥青混合料的单轴蠕变试验结果见图 3(a)。从图中可以看出, 使用1#沥青和TPS改性沥青成型的2种排水性沥青混合料的总变形量明显小于使用其他2种沥青的混合料的, 可以发现, 随着加载时间的延长, 蠕变曲线的斜率由大变小, 并逐渐稳定, 这表明沥青混合料对变形的“抗力”越来越大, 致使进一步变形更加困难。沥青路面的实际应用情况也证实了沥青混合料的这一变形特征, 即车辙多产生于路面使用前期, 在使用后期, 车辙深度的增加速率越来越小。而使用3#沥青的排水性沥青混合料蠕变曲线的斜率逐渐变大, 在加载时间内已经出现破坏的趋势。
级配Ⅱ的单轴蠕变试验结果见图 3(b), 2#、3#沥青成型的试件在加载时间内就已经破坏, 1#沥青和TPS改性沥青成型的混合料在加载过程中虽没有发生破坏, 但总变形量也明显高于级配Ⅰ中的同种混合料。
表 6是级配Ⅰ的4种沥青混合料在40 ℃、加载60 min时的蠕变劲度, 可以看出使用1#沥青和添加TPS改性剂的沥青混合料的蠕变劲度高于其他2种混合料。但是由于较大的空隙率, 排水性沥青混合料的蠕变劲度无法达到密级配沥青混合料蠕变劲度应该大于等于50~65 MPa的要求[2]。但单轴蠕变试验进一步表明了集料级配对排水性沥青混合料高温稳定性和强度的影响。
表 6 排水性沥青混合料蠕变劲度Table 6. Creep stiffnesses of porous asphalt mixtures排水性沥青混合料 1# 2# 3# TPS改性 蠕变劲度/MPa 16.4 9.2 8.0 13.6 2.3 水稳定性试验
对4种排水性沥青混合料进行浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和不同天数浸水飞散试验, 试验结果见表 7、图 4。
表 7 残留稳定度与破坏强度比值Table 7. Retained strengthes and tensile strength ratios排水性沥青混合料 级配Ⅰ 级配Ⅱ 1# 2# 3# TPS改性 1# 2# 3# TPS改性 残留稳定度/% 96.5 94.3 95.7 92.4 92.2 98.2 94.4 94.6 破坏强度比/% 90.0 93.1 84.8 87.2 83.7 79.2 81.1 85.2 试验过程中发现, 浸水马歇尔试验及冻融劈裂试验各平行试件之间的变异性很大, 而飞散试验各平行试件之间结果的变异性很小。从试验结果可以看出, 浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验中试件的水稳定性和沥青60 ℃粘度、混合料的级配相关性并不明显, 而不同天数的浸水飞散试验中试件的水稳定性和沥青60 ℃粘度、混合料的级配则显现出很好的相关性。这说明与浸水残留试验及冻融劈裂试验相比, 不同天数的飞散试验结果可以更好地反映排水性沥青混合料的水稳定性。相同沥青结合料, 级配I混合料的各天数飞散损失稍小于级配II混合料的。而相同级配不同沥青结合料的沥青混合料中, 1#沥青、TPS改性沥青成型的混合料, 无论是飞散损失的绝对值还是随天数变化的相对值都明显小于60 ℃粘度较低的其余2种沥青混合料。
图 5上方的试件是级配Ⅰ1#沥青混合料浸水7 d飞散试验后的马歇尔试件, 下方是同样级配的3#沥青混合料浸水7 d飞散试验后的马歇尔试件。从图中可以看出: 前者几乎没有损失, 而后者试件已经完全粉碎。这说明随着沥青60 ℃粘度的增加, 排水性沥青混合料的抗剥落性和水稳定性显著提高。
2.4 低温弯曲试验
每种沥青混合料分别采用由轮碾法成型的车辙试验板切制成长为250 mm±2.0 mm, 宽为30 mm±2.0 mm, 高为35 mm±2.0 mm的棱柱体小梁(其跨径为200 mm±0.5 mm), 试验温度为-10 ℃, 加载速率为50 mm/min, 试验结果见表 8。
表 8 低温弯曲试验结果Table 8. Low-temperature bend test results沥青混合料 抗弯拉强度/MPa 破坏应变 弯曲劲度模量/MPa 弯曲应变能密度/kPa 级配Ⅰ 1# 8.03 1.7×10-3 4 789.2 7.85 2# 6.72 1.9×10-3 3 451.2 7.07 3# 5.35 1.3×10-3 4 141.1 3.86 TPS改性 7.84 1.7×10-3 4 696.6 7.57 级配Ⅱ 1# 5.56 1.2×10-3 4 573.8 4.01 2# 5.06 1.5×10-3 3 400.9 3.85 3# 4.04 1.3×10-3 3 110.7 3.11 TPS改性 5.61 1.2×10-3 4 617.2 4.05 低温弯曲试验是评价沥青混合料低温抗裂性能的常用方法之一, 但对于低温弯曲试验所得到的指标如何去评价混合料的低温性能是一个值得研究的内容。已有研究认为若仅以临界弯拉应变或者弯拉强度来评价沥青混合料的低温抗裂性能会出现矛盾的结果。由于沥青混合料的应变能密度临界值指标是混合料临界弯拉应变和弯拉强度指标的综合, 因此用它来评价沥青混合料的低温抗裂性能更加科学[3]。
本文通过弯曲应变能来分析排水性沥青混合料的低温性能。从表 8中可以看出, 同种沥青结合料的条件下, 级配Ⅰ的排水性混合料的弯曲应变能密度要高于级配Ⅱ的排水性混合料。相同级配条件下, 1#沥青、TPS改性沥青成型的混合料的弯曲应变能密度高于其他2种沥青成型的混合料。
2.5 综合分析
从表 9中可以看出无论级配Ⅰ或级配Ⅱ, 对于反映排水性沥青混合料耐久性的高温稳定性、水稳定性及低温性能, 试验结果表现出明显的规律性: 使用的沥青结合料的粘度越高, 混合料的耐久性能越好。经过经济性分析, 发现使用1#沥青的排水性混合料较使用2#、3#沥青的排水性混合料费用增加不超过30%, 而耐久性能得到了极大的提高。而添加TPS改性剂的排水性混合料由于改性剂的价格过高, 从经济上考虑是不合适的。
表 9 综合指标比较Table 9. Comprehensive performance comparison沥青种类 60 ℃粘度/(Pa·s) 高温稳定性 水稳定性 低温性能 沥青单价/(元·t-1) 经济性(混合料)/(元·m-3) 1# 150 000 最好 最好 最好 4 500 626.5 2# 47 772 一般 一般 一般 3 300 492.7 3# 3 532 差 差 差 3 200 483.0 TPS改性 117 000 较好 较好 较好 沥青3 200改性剂50 000 1 117.2 排水性沥青混合料是一种骨架空隙结构, 粗颗粒集料彼此紧密相连, 石料与石料形成互相嵌挤的骨架; 细粒料数量较少, 未能充分填充骨架空隙, 混合料中形成的空隙较大; 在混合料中真正形成骨架作用的是4.75 mm以上的部分粗集料, 对粗集料骨架空隙率影响最大的是4.75~9.50 mm孔径的粒径组[4]。为了得到较密实的粗集料骨架, 形成相互嵌挤的结构, 根据大量均匀试验的结果[1], 对于排水性沥青混合料, 应该保证4.75~9.50 mm孔径的粒径组在粗集料中的比例约为50%~60%。
由于空隙率较大, 耐久性必然降低, 所以必须保证一定的沥青裹覆矿料, 即保证一定的集料表面积和沥青膜厚度, 来增加沥青混合料的粘结力。为了保证一定的集料表面积就必须保证一定的细集料用量, 在达到目标空隙率的前提下, 增加细集料的用量, 即增加2.36 mm筛孔的通过率和矿粉的用量。
在同种沥青结合料的条件下, 级配Ⅰ的排水性混合料的高温稳定性、水稳定性及低温性能均优于级配Ⅱ的排水性混合料。可以发现级配Ⅰ中4.75~9.50 mm孔径的粒径比例较为合理, 能形成有效的骨架嵌挤结构, 提高混合料的内摩阻力, 改善混合料的高温稳定性; 并且级配Ⅰ中2.36 mm筛孔通过率和矿粉含量都较级配Ⅱ高, 能够有效增加沥青对混合料的粘结力, 提高混合料的耐久性能。
3. 结语
(1) 沥青的60 ℃粘度是影响排水性沥青混合料耐久性的关键因素, 在空隙率相同的条件下, 沥青的60 ℃粘度越高, 排水性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、低温稳定性越好。
(2) 集料级配也是影响排水性沥青混合料耐久性的重要因素, 对于排水性沥青混合料的高温稳定性, 影响更为明显。应该选择能使混合料颗粒与颗粒之间容易形成稳定骨架嵌挤结构的级配, 并在满足目标空隙率的前提下, 增加2.36 mm筛孔的通过率和矿粉的用量。
(3) 与浸水残留试验及冻融劈裂试验相比, 不同天数的飞散试验结果可以更好地反映排水性沥青混合料的水稳定性, 可使用不同天数的飞散试验的结果来评价排水性沥青混合料的水稳定性。
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表 1 试验沥青性能指标
Table 1. Indices of experimental asphalts
试验项目 试验指标 技术要求 1# 2# 3# TPS改性 针入度(25 ℃)/(0.1mm) 63.5 56.0 57.5 40.0 延度(15 ℃)/cm > 100 > 100 > 100 75 软化点/℃ 89 82 57 89 韧性/(N·m) 39.66 37.74 37.01 25.51 ≥20 粘结力/(N·m) 32.72 29.59 30.98 17.34 ≥15 60 ℃粘度/(Pa·s) 150 000 47 772 3 532 117 000 ≥20 000 表 2 石料性能指标
Table 2. Aggregate indices
试验项目 洛杉矶磨耗值/% 视密度/(g·cm-3) 粘结力等级 针片状含量/% 磨光值/PSV 指标 8.9 2.958 4 2.82 53 表 3 混合料级配
Table 3. Asphalt mixture gradations
孔径/mm 19.000 16.000 13.200 9.500 4.750 2.360 1.180 0.600 0.300 0.150 0.075 通过率/% 级配Ⅰ — 100.0 94.0 77.6 20.6 13.4 11.9 10.4 8.9 7.5 6.1 级配Ⅱ 100.0 95.0 80.0 54.2 11.2 10.5 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 表 4 排水性沥青混合料路用性能
Table 4. Performances of porous asphalt mixtures
功能指标 级配Ⅰ 级配Ⅱ 指标要求 渗透系数/(cm·s-1) 0.031 0.032 > 0.01 渗水量/[ml·(15 s)-1] 1 540 1 572 900 吸声系数 0.465 0.437 降噪效果/dB 4~5 4~5 摆式系数 59 60 表 5 最佳沥青用量和实测空隙率
Table 5. Optimum asphalt contents and air voids percentages
性能试验指标 排水性沥青混合料 技术要求 1# 2# 3# TPS改性 级配Ⅰ 最佳沥青用量/% 4.8 4.6 4.6 4.8 实测空隙率/% 19.5 20.0 19.6 19.9 稳定度/kN 5.7 4.6 4.6 5.2 ≥3.5 级配Ⅱ 最佳沥青用量/% 4.7 4.5 4.5 4.7 实测空隙率/% 20.2 20.4 20.2 20.4 稳定度/kN 5.4 4.8 4.9 5.3 ≥3.5 表 6 排水性沥青混合料蠕变劲度
Table 6. Creep stiffnesses of porous asphalt mixtures
排水性沥青混合料 1# 2# 3# TPS改性 蠕变劲度/MPa 16.4 9.2 8.0 13.6 表 7 残留稳定度与破坏强度比值
Table 7. Retained strengthes and tensile strength ratios
排水性沥青混合料 级配Ⅰ 级配Ⅱ 1# 2# 3# TPS改性 1# 2# 3# TPS改性 残留稳定度/% 96.5 94.3 95.7 92.4 92.2 98.2 94.4 94.6 破坏强度比/% 90.0 93.1 84.8 87.2 83.7 79.2 81.1 85.2 表 8 低温弯曲试验结果
Table 8. Low-temperature bend test results
沥青混合料 抗弯拉强度/MPa 破坏应变 弯曲劲度模量/MPa 弯曲应变能密度/kPa 级配Ⅰ 1# 8.03 1.7×10-3 4 789.2 7.85 2# 6.72 1.9×10-3 3 451.2 7.07 3# 5.35 1.3×10-3 4 141.1 3.86 TPS改性 7.84 1.7×10-3 4 696.6 7.57 级配Ⅱ 1# 5.56 1.2×10-3 4 573.8 4.01 2# 5.06 1.5×10-3 3 400.9 3.85 3# 4.04 1.3×10-3 3 110.7 3.11 TPS改性 5.61 1.2×10-3 4 617.2 4.05 表 9 综合指标比较
Table 9. Comprehensive performance comparison
沥青种类 60 ℃粘度/(Pa·s) 高温稳定性 水稳定性 低温性能 沥青单价/(元·t-1) 经济性(混合料)/(元·m-3) 1# 150 000 最好 最好 最好 4 500 626.5 2# 47 772 一般 一般 一般 3 300 492.7 3# 3 532 差 差 差 3 200 483.0 TPS改性 117 000 较好 较好 较好 沥青3 200改性剂50 000 1 117.2 -
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