王素蘭 ，石凱 ，韓亮 ，臧博青 ，王博

（1.保定市公路管理局，河北 保定 071000；2.保定市交通運(yùn)輸局，河北 保定 071000；3.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

近年來(lái)我國(guó)公路交通事業(yè)發(fā)展迅速，給人們帶來(lái)了極大的方便，但交通噪聲、道路路面抗滑性能不足等問(wèn)題日益突顯，嚴(yán)重影響到人們的工作和生活[1]。因此，向社會(huì)提供環(huán)保性好、舒適性強(qiáng)、品質(zhì)高的公路交通，逐漸成為研究的重要課題。防滑降噪瀝青路面具有抗滑性能好、降噪性能優(yōu)良以及空隙率大等特點(diǎn)[2]，在保證行車(chē)安全的同時(shí)降低了噪聲污染，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。對(duì)防滑降噪瀝青混合料進(jìn)行研究，進(jìn)而提高路面使用壽命，具有非常重要的工程應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)對(duì)降噪瀝青路面的研究起步較晚，并沒(méi)有形成比較完整的防滑降噪瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，鄭洋等[3]分析了瀝青膠結(jié)料對(duì)排水瀝青混合料性能的影響，提出了比較合理的排水瀝青混合料的設(shè)計(jì)方法。叢卓紅等[4]通過(guò)析漏損失控制指標(biāo)，確定了最佳瀝青用量，提出析漏損失控制標(biāo)準(zhǔn)小于0.45%，并系統(tǒng)分析了排水性瀝青混合料路用性能的影響因素。胡曙光等[5]通過(guò)控制水頭差對(duì)排水路面瀝青混合料的滲透系數(shù)測(cè)試，并對(duì)礦料組成進(jìn)行了詳細(xì)研究，實(shí)驗(yàn)表明混合料的空隙率對(duì)滲透系數(shù)影響較大。

本文以河北省S335公路防滑降噪瀝青路面試驗(yàn)段實(shí)體工程為依托，通過(guò)跟蹤觀測(cè)和大量的室內(nèi)外試驗(yàn)，從原料選擇、混合料配合比設(shè)計(jì)、路面耐久性能等方面對(duì)防滑降噪瀝青路面進(jìn)行系統(tǒng)的研究，確定初擬目標(biāo)級(jí)配，通過(guò)飛散、析漏試驗(yàn)確定瀝青混合料的最佳油石比，并對(duì)防滑降噪瀝青混合料的抗滑性、水穩(wěn)性、透水性、高溫穩(wěn)定性以及力學(xué)性能進(jìn)行研究，為防滑降噪瀝青路面的工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 瀝青膠結(jié)料

本文采用3種動(dòng)力粘度相差較大的瀝青進(jìn)行試驗(yàn)[6-7]，分別為殼牌高粘改性瀝青、東海牌高粘改性瀝青、70#重交瀝青，瀝青的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青材料的性能指標(biāo)

1.2 集料

細(xì)集料在防滑降噪瀝青混合料中所占比例較小，采用顆粒級(jí)配的機(jī)制砂[8]。粗集料的顆粒形狀、堅(jiān)硬程度對(duì)集料嵌擠作用影響較大，試驗(yàn)粗集料的技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 粗集料的技術(shù)指標(biāo)

1.3 乳化瀝青

陽(yáng)離子乳化瀝青與集料拌合破乳時(shí)間較短，反應(yīng)速度較快[9]。為了提高瀝青面層之間的粘結(jié)力，試驗(yàn)路段選用陽(yáng)離子改性乳化瀝青作粘層油，含量控制在65%，乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)符合JTGF 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，見(jiàn)表3。

表3 乳化瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)

2 防滑降噪瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

防滑降噪瀝青路面具有透水、降噪、防滑等特殊的功能，在防滑降噪瀝青混合料配比設(shè)計(jì)中，根據(jù)外部因素確定目標(biāo)空隙率，通過(guò)目標(biāo)空隙率確定的礦質(zhì)混合料的級(jí)配，并利用析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)確認(rèn)集料間的粘結(jié)力，進(jìn)而確定最佳瀝青用量。

2.1 目標(biāo)空隙率及關(guān)鍵篩孔的確定

試驗(yàn)段為二級(jí)省道公路，地處河北省保定市，夏季高溫多雨，重載車(chē)輛較多，將目標(biāo)空隙率定為21%，試驗(yàn)石料采用輝綠巖，為設(shè)計(jì)達(dá)到目標(biāo)空隙率的礦料級(jí)配，對(duì)級(jí)配組成與空隙率的關(guān)系進(jìn)行研究。級(jí)配試驗(yàn)方案如表4所示。

表4 級(jí)配試驗(yàn)方案

以 P13.2、P9.5、P2.36、P0.075為自變量，空隙率為因變量，采取前進(jìn)法篩選變量技術(shù)回歸空隙率與影響因子的關(guān)系，篩選變量逐步回歸過(guò)程。由回歸過(guò)程可知，P2.36與混合料空隙率的線性相關(guān)系數(shù)較高。采用體積法和真空密封法測(cè)量試件的毛體積密度，并計(jì)算試件的空隙率，輝綠巖、石灰?guī)r3種級(jí)配的P2.36與體積法、真空法空隙率的關(guān)系如表5所示。表明空隙率與P2.36具有良好的線性關(guān)系，真空法空隙率與P2.36線性相關(guān)性明顯好于體積法空隙率，且真空法空隙率更接近試件真實(shí)空隙率。P2.36相同時(shí)石灰?guī)r的空隙率明顯小于輝綠巖，這主要由于輝綠巖強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石灰?guī)r，石灰?guī)r更易被擊碎，空隙被填塞。

表5 各級(jí)配的P2.36與真空法、體積法空隙率關(guān)系

2.2 目標(biāo)級(jí)配的確定

當(dāng)體積法空隙率為20%時(shí)，根據(jù)體積法空隙率與P2.36擬合的線性關(guān)系求得2.36 mm篩孔通過(guò)率為12.5%。目標(biāo)級(jí)配如表6所示。

表6 初擬目標(biāo)級(jí)配

2.3 性能測(cè)試方法

對(duì)于空隙率較大的防滑降噪瀝青混合料，傳統(tǒng)的馬歇爾試驗(yàn)并不適用，本文結(jié)合我國(guó)具體情況，根據(jù)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，采用如下性能測(cè)試方法確定最佳瀝青用量[10-11]。首先根據(jù)集料表面積和瀝青厚度確定初試瀝青用量，隨后將初始瀝青用量作為中值，取±0.5%、±1%的變化量，對(duì)初步擬定的目標(biāo)級(jí)配進(jìn)行飛散、析漏、馬歇爾試驗(yàn)。根據(jù)飛散試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定混合料不發(fā)生松散時(shí)的最小瀝青用量，根據(jù)析漏試驗(yàn)結(jié)果確定混合料不發(fā)生流淌時(shí)的最大瀝青用量，最好根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果確定最佳瀝青用量。

2.4 最佳瀝青用量的確定

試驗(yàn)路段目標(biāo)級(jí)配初試油石比為5.2%，瀝青膠結(jié)料為東海牌高粘瀝青，選擇5組油石比進(jìn)行飛散、析漏試驗(yàn)，析漏損失控制指標(biāo)要求小于0.5%。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，析漏損失曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的油石比為5.2%，飛散損失曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)油石比為5.1%。

圖1 瀝青用量試驗(yàn)結(jié)果

馬歇爾試驗(yàn)是確定密級(jí)配瀝青混合料最佳油石比的試驗(yàn)方法，在級(jí)配組成上透水性瀝青混合料與普通密級(jí)配瀝青混合料差別較大。因此，馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果僅作為確定最佳用油量的參考，馬歇爾試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

綜合考慮馬歇爾毛體積密度、飽和度、穩(wěn)定度及空隙率與油石比的關(guān)系，滿足要求的瀝青混合料油石比范圍為4.7%～5.7%。同時(shí)滿足馬歇爾穩(wěn)定度、析漏、飛散損失要求的瀝青混合料油石比范圍為4.9%～5.5%?；谠囼?yàn)?zāi)繕?biāo)級(jí)配，最佳油石比為5.2%時(shí)，對(duì)應(yīng)的瀝青用量為5.0%，對(duì)比分析油石比與空隙率的關(guān)系可知，混合料的最佳瀝青用量為5.2%時(shí)，空隙率為21%，滿足試驗(yàn)要求。

3 防滑降噪瀝青混合料性能研究

3.1 抗滑性能分析

優(yōu)良的抗滑性能是保證瀝青路面功能耐久性的重要前提[12]。通過(guò)人工鋪砂法測(cè)得的構(gòu)造深度以及擺式摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)得的擺值進(jìn)行抗滑性能分析，抗滑性能試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 抗滑性能試驗(yàn)結(jié)果

由表8可以看出，同一種級(jí)配，不同瀝青拌合的混合料擺值相差不大，說(shuō)明瀝青種類(lèi)對(duì)混合料的抗滑性能影響較小?？障堵试酱?，擺值越大，除5%級(jí)配空隙率外，其他級(jí)配的構(gòu)造深度均大于1.53 mm，擺值均高于50.49 BNP，與普通密級(jí)配路面相比防滑降噪瀝青路面，具有更高的抗滑性能。

3.2 高溫性能分析

采用的車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)混合料的高溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。使用3種瀝青與目標(biāo)級(jí)配空隙率21%制作車(chē)轍試件，試件尺寸450 mm×450 mm×55 mm，60℃下以輪壓為1.0 MPa的橡膠輪在同一輪跡帶上往復(fù)碾壓，形成車(chē)轍槽，通過(guò)動(dòng)穩(wěn)定度和車(chē)轍槽深度對(duì)混合料的抗車(chē)轍能力進(jìn)行評(píng)價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 目標(biāo)級(jí)配車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由表9可以看出，隨著60℃動(dòng)力粘度增大，瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度顯著增加。目標(biāo)級(jí)配下，高粘瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度優(yōu)于JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求（≥3000次/mm），普通瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度不滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)表明高粘瀝青可以有效提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

瀝青結(jié)合料采用東海牌高粘瀝青，空隙率分別為24%、21%、18%，成型車(chē)轍板試件，試件尺寸450 mm×450 mm×55 mm，進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，不同空隙率混合料的總變形量與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系如圖2所示。

圖2 不同空隙率混合料的總變形量與動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系

由圖2可知，空隙率對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性影響較大，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度隨空隙率的增大逐漸減?。豢障堵市∮?1%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度雖有所增加，但增加幅度較??；空隙率大于21%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度降低的速率變大。表明東海高粘瀝青做結(jié)合料時(shí)，以21%的空隙率作為目標(biāo)空隙率可以有效提高混合料的高溫穩(wěn)定性。

3.3 水穩(wěn)性能分析

水穩(wěn)性為大空隙瀝青混合料的重要控制指標(biāo)，采用3種瀝青以目標(biāo)級(jí)配孔隙率為21%制作3組試件，對(duì)試件的水穩(wěn)性進(jìn)行研究。

3.3.1 瀝青對(duì)飛散損失的影響（見(jiàn)圖3）

圖3 不同種類(lèi)瀝青混合料的飛散損失

由圖3可以看出，普通瀝青混合料的抗水損害性能較差，而高粘瀝青混合料的飛散損失減小了近50%；3種瀝青的標(biāo)準(zhǔn)飛散損失明顯小于浸水飛散損失，這主要由于試件受到水損壞后，水穩(wěn)性明顯下降；殼牌高粘瀝青混合料的浸水飛散損失小于10%，其抗水損害能力最強(qiáng)。

飛散損失與60℃動(dòng)力粘度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 飛散損失與60℃動(dòng)力粘度的關(guān)系

由圖4可以看出，動(dòng)力粘度對(duì)混合料的抗水損害能力影響較大，選擇高粘瀝青可以有效提高混合料的水穩(wěn)性能。3.3.2 空隙率對(duì)飛散損失的影響（見(jiàn)圖5）

圖5 不同空隙率混合料的肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果

由圖5可以看出，浸水條件下瀝青混合料的飛散損失均符合JTG F40—2004規(guī)范要求，表明東海高粘瀝青作為瀝青結(jié)合料具有顯著的優(yōu)越性；浸水和標(biāo)準(zhǔn)條件下，隨空隙率的增加瀝青混合料的飛散損失不斷增大，空隙率由21%增加到24%時(shí)，浸水飛散損失的增長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)飛散，即大空隙路面易出現(xiàn)松散剝落現(xiàn)象。以東海牌高粘瀝青作為結(jié)合料，空隙率為21%時(shí)能滿足瀝青路面的功能性和耐久性要求。

3.4 透水性能分析

滲透系數(shù)是反映混合料透水能力的綜合系數(shù)，防滑降噪瀝青路面的排水功能是通過(guò)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙將雨水的排出到路面邊緣以外，本文采用3種不同空隙率級(jí)配試驗(yàn)方案，對(duì)瀝青混合料空隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究，進(jìn)而分析防滑降噪瀝青混合料的透水性能。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表10。

表10 滲透系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由表10可知，連通空隙率越大，滲透系數(shù)越大，滲透系數(shù)隨連通空隙率的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)，瀝青混合料的連通空隙率范圍一般在11%～16%），當(dāng)連通空隙率為12.47%時(shí)，滲透系數(shù)為0.218 cm/s?？蓪⑦B通空隙率作為防滑降噪瀝青混合料的滲透系數(shù)的控制指標(biāo)，因此，為保證瀝青混合料的透水性能，配比設(shè)計(jì)時(shí)滲透系數(shù)指標(biāo)應(yīng)大于0.218 cm/s。

3.5 力學(xué)性能分析

以防滑降噪瀝青路面試驗(yàn)段為依托，分析后軸軸載為90、110、130、150及170 kN時(shí)計(jì)算基層層底拉應(yīng)力和瀝青層層底拉應(yīng)變，分析路面疲勞壽命的降低趨勢(shì)。在基層和面層層間完全連續(xù)和半連續(xù)2種狀態(tài)下，各結(jié)構(gòu)層的不同軸載作用下受力狀況如圖6所示。

圖6 各結(jié)構(gòu)層不同軸載作用下的受力狀況

當(dāng)面層和基層處于完全連續(xù)的狀態(tài)下時(shí)，一般基層層底拉應(yīng)力的容許拉應(yīng)力控制值為0.24 MPa左右；輪載值由90 kN增加至170 kN時(shí)，基層層底拉應(yīng)力平均每級(jí)增加0.0208 MPa。輪載為160 kN時(shí)，基層層底拉應(yīng)力高于材料的容許值，基層底部易發(fā)生開(kāi)裂并向上延伸。面層和基層處于半連續(xù)狀態(tài)時(shí)，基層層底拉應(yīng)力平均每級(jí)增加0.0141 MPa，輪載為140 kN時(shí)，接近材料的容許拉應(yīng)力。面-基層的不良粘結(jié)狀態(tài)以及較大輪載均會(huì)導(dǎo)致基層層底拉應(yīng)力增大，因此嚴(yán)格控制面-基層層間粘結(jié)情況，降低路面所受到的軸載，可減小和避免路面的破壞，有效提高瀝青路面的路用性能和使用壽命。

4 結(jié)論

為減少防滑降噪瀝青路面的工程財(cái)政開(kāi)支，延長(zhǎng)路面使用壽命，通過(guò)跟蹤觀測(cè)和大量的室內(nèi)外試驗(yàn)，對(duì)防滑降噪瀝青路面進(jìn)行系統(tǒng)的研究，找出影響混合料空隙率的關(guān)鍵篩孔，確定初擬目標(biāo)級(jí)配，通過(guò)飛散、析漏試驗(yàn)確定瀝青混合料的最佳油石比，并對(duì)防滑降噪瀝青混合料的抗滑性、水穩(wěn)性、透水性、高溫穩(wěn)定性以及力學(xué)性能進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論：

（1）P2.36與混合料空隙率的線性相關(guān)系數(shù)較高，真空法空隙率更接近試件真實(shí)空隙率，目標(biāo)空隙率選擇為21%時(shí)能滿足瀝青路面的功能性和耐久性要求，目標(biāo)級(jí)配下，高粘瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度優(yōu)于JTG F40—2004規(guī)范要求。

（2）同一種級(jí)配條件下，不同瀝青拌合的混合料擺值相差不大，說(shuō)明瀝青種類(lèi)對(duì)混合料的抗滑性能影響較小；動(dòng)力粘度對(duì)混合料的抗水損害能力影響較大，合理的選擇高粘瀝青可以有效提高混合料的水穩(wěn)性能；滲透系數(shù)隨連通空隙率的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)，為保證瀝青混合料的透水性能，配合比設(shè)計(jì)時(shí)滲透系數(shù)指標(biāo)應(yīng)大于0.218 cm/s。

（3）動(dòng)力粘度對(duì)混合料的抗水損害能力影響較大，在目標(biāo)空隙率為21%的條件下，混合料的飛散損失小于12%，馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到12 kN，動(dòng)穩(wěn)定度接近5000次/mm，路用性能優(yōu)于JTG F40—2004規(guī)范要求。

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