多孔瀝青混合料設計參數及水穩(wěn)定性研究

趙 鵬，譚 威

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，新疆 烏魯木齊 830006）

引言

多孔瀝青路面結構空隙率在15%以上，具有減弱路面噪聲、提高路面抗滑、提高行車安全性和舒適性等優(yōu)點[1-3]；而混合料配合比設計中粗集料含量明顯高于細集料含量，瀝青用量相對較低，使得混合料結構強度較低，在復雜氣候環(huán)境下多孔瀝青路面水穩(wěn)定性降低顯著，限制了多孔瀝青路面的應用與推廣。因此，研究多孔瀝青混合料水穩(wěn)定性對多孔瀝青路面的應用發(fā)展具有重要意義。

和燕超[4]采用凍融劈裂試驗，研究了玻璃纖維對多孔瀝青混合料水穩(wěn)定性影響的規(guī)律，發(fā)現0.4%纖維摻量的混合料水穩(wěn)定性最優(yōu)。崔世富[5]研究表明多孔瀝青混合料摻木質素纖維后水穩(wěn)定性得到改善。陳軍[6]研究了SBS改性瀝青和廢膠粉改性對多孔瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響。范倩等[7]研究表明多孔玄武巖不利于多孔瀝青混合料水穩(wěn)定性，建議提高玄武巖集料加熱溫度或延長加熱時間。肖晶晶等[8]研究了瀝青和級配對多孔瀝青混合料水穩(wěn)定性影響規(guī)律，高黏改性瀝青骨架結構的混合料水穩(wěn)定性最優(yōu)。陸貴銀等[9]研究了3種常用纖維對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。因此，以OGFC-13瀝青混合料為研究對象，優(yōu)選纖維并確定混合料最佳拌和及成型條件，基于水穩(wěn)定性試驗，確定合理的多孔瀝青混合料纖維摻量。

1 原材料和試驗設計

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

選用SBS改性瀝青，技術性質見表1。母體瀝青選用A級70#基質瀝青，SBS改性劑摻量為6%。

表1 SBS改性瀝青技術性質

1.1.2 集料

粗集料選用輝綠巖，細集料選用機制砂，技術性質見表2、表3。

表2 粗集料技術性質

表3 細集料技術性質

1.1.3 填料

選用磨細的石灰?guī)r礦粉，技術性質見表4。

表4 礦粉技術性質

1.1.4 纖維

選用PAN纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維，技術性質見表5。

表5 纖維技術性質

1.2 試驗設計

1.2.1 瀝青混合料設計參數

參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTG E20—2011）拌和纖維改性多孔瀝青混合料并制備馬歇爾試件，通過析漏試驗研究纖維對多孔瀝青混合料析漏量的影響，優(yōu)選纖維類型；分析擊實溫度、油石比及擊實功對多孔瀝青混合料設計參數的影響規(guī)律，確定多孔瀝青混合料最佳拌和及成型條件。

試驗采用JTG E20—2011中OGFC-13瀝青混合料礦料級配，見表6，擬擊實溫度為120 ℃、140 ℃、160 ℃、180 ℃、200 ℃，油石比為4.3%、4.6%、4.9%、5.2%、5.5%，擊實次數為50次、65次、75次、85次。

表6 礦料級配

1.2.2 瀝青混合料水穩(wěn)定性

結合JTG E20—2011和多孔瀝青混合料設計參數影響因素，開展浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗，研究纖維摻量對OGFC-13瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響規(guī)律，確定最佳纖維摻量。試驗中，擬PAN纖維摻量為0%、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%，擬馬歇爾試件在60 ℃水浴箱分別浸泡0.5 h、48 h、72 h、96 h和120 h。

2 試驗結果與分析

2.1 析漏試驗

瀝青混合料析漏試驗結果見圖1。

圖1 瀝青混合料析漏試驗結果

由圖1可知：（1）普通改性瀝青混合料析漏量隨油石比增加基本呈現提高趨勢，而混合料中摻入纖維，有效地降低了混合料瀝青析漏量，這是因為纖維可吸附多余的瀝青，與瀝青和礦粉形成結構瀝青，較自由瀝青易黏附在集料表面，從而瀝青析漏量降低。（2）在纖維摻量0.5%時，纖維改性瀝青混合料析漏量隨油石比增加緩慢提高，油石比增加0.1%，摻PAN纖維、聚酯纖維和玄武巖纖維的改性瀝青混合料分別約提高了4.2%、7.9%、10.6%，可見油石比對纖維改性瀝青混合料影響較小，其中PAN纖維改性瀝青混合料析漏量最小，5%纖維摻量的瀝青混合料析漏量較普通改性瀝青混合料降低52%以上，這與PAN纖維表面粗糙、側向分支較多的結構相關。因此，建議OGFC-13瀝青混合料選用PAN纖維。

2.2 瀝青混合料設計參數

2.2.1 油石比及擊實功影響

油石比對瀝青混合料設計參數影響見圖2?？芍海?）同一擊實次數下，隨油石比增大，瀝青混合料空隙率和礦料間隙率呈減小趨勢，且擊實次數≤65次、油石比≥4.9%時，空隙率曲線和礦料間隙率曲線均變緩，逐漸趨于穩(wěn)定；擊實次數≥75次時，空隙率和礦料間隙率與油石比具有良好的線性關系，相關系數在0.98以上，油石比增加0.1%，空隙率和礦料間隙率分別平均減小1.2%、0.3%，說明油石比對瀝青混合料空隙率和礦料間隙率影響較?。粸r青混合料飽和度隨油石比增大呈線性增長，油石比增加0.1%，飽和度提高不超過3.3%。另外，擊實功與混合料空隙率和礦料間隙率負相關，與飽和度正相關，擊實次數≥75次時，擊實功對混合料空隙率、礦料間隙率及飽和度影響減弱。（2）擊實次數≤75次條件下，隨油石比增加，瀝青混合料穩(wěn)定度基本呈現增大后減小趨勢變化，在油石比4.9%時，其穩(wěn)定度出現極值，且混合料穩(wěn)定度與擊實功正相關；當擊實次數＞75次，同一油石比的瀝青混合料穩(wěn)定度降低，可能是因為壓實功提高，集料發(fā)生破損，致使礦料級配發(fā)生變化，從而混合料穩(wěn)定度降低。對此，建議OGFC-13瀝青混合料最佳擊實次數為75次。

2.2.2 擊實溫度影響

瀝青混合料油石比為4.9%，擊實次數為75次下，擊實溫度對瀝青混合料設計參數影響見圖3。

由圖3可知，隨擊實溫度升高，瀝青混合料空隙率和礦料間隙率呈下降趨勢，飽和度和穩(wěn)定度呈增大趨勢。當擊實溫度從140 ℃升高至160 ℃，瀝青混合料設計參數變化相對明顯，其空隙率和礦料間隙率分別降低了12.6 %、8.1 %，飽和度和穩(wěn)定度分別提高了12.3%、22.7%；當擊實溫度≥160 ℃，瀝青混合料設計參數變化較小，瀝青混合料壓實效果逐漸趨于穩(wěn)定。因此，建議瀝青混合料拌和及施工溫度盡量控制在160～180 ℃范圍內。

圖2 油石比對瀝青混合料設計參數影響

圖3 擊實溫度對瀝青混合料設計參數影響

2.3 水穩(wěn)定性

PAN纖維改性瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂強度比見圖4、圖5。

圖4 瀝青混合料浸水馬歇爾試驗結果

圖5 瀝青混合料凍融劈裂試驗結果

由圖4、圖5可知：（1）浸水時間一致的條件下，PAN纖維摻量對瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的影響規(guī)律基本一致，隨PAN纖維摻量增加，其穩(wěn)定度先增加后減小，在0.5%纖維摻量時達到極值，較普通瀝青混合料殘留穩(wěn)定度至少提高8.4%。另外，浸水時間≥72 h時，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度與PAN纖維摻量的關系曲線基本一致，隨浸水時間延長，其殘留穩(wěn)定度逐漸降低，浸水時間由48 h延長至120 h，殘留穩(wěn)定度至少降低了4.7%，可見纖維對瀝青混合料殘留穩(wěn)定度的提高效果比水降低混合料穩(wěn)定度效果大，這是因為纖維吸附瀝青，導致瀝青用量增加，集料表面瀝青膜變厚，阻礙了外界水分的滲入。（2）隨著PAN纖維摻量增加，瀝青混合料凍融劈裂強度先增加后減小，當纖維摻量從0.1%增加至0.3%，其凍融劈裂強度提高較明顯，為13.5%；當纖維摻量≥0.3%，混合料凍融劈裂強度降低速率逐漸增大，纖維摻量0.5%的瀝青混合料凍融劈裂強度為0.83 MPa，與纖維摻量0.3%的瀝青混合料凍融劈裂強度相當；纖維摻量0.7%的瀝青混合料凍融劈裂強度為0.74 MPa，與纖維摻量0.1%的瀝青混合料凍融劈裂強度相當。另外，瀝青混合料凍融劈裂強度比隨著PAN纖維摻量的增加呈線性降低，纖維摻量增加0.1%，凍融劈裂強度比平均降低1.6%，說明纖維摻量對瀝青混合料凍融劈裂強度比影響較小。對此，考慮經濟效益，建議PAN纖維摻量為0.4%。

3 結語

（1）瀝青混合料析漏量隨油石比增加呈增大趨勢，摻入纖維可有效降低瀝青析漏量，且PAN纖維改性瀝青混合料析漏量最小，5 % PAN纖維摻量的混合料析漏量降低52 %以上。建議OGFC-13瀝青混合料選用PAN纖維。（2）油石比對瀝青混合料空隙率和礦料間隙率影響較小，擊實次數≥75次時，油石比增加0.1 %，空隙率和礦料間隙率分別平均減小1.2 %、0.3 %；瀝青混合料穩(wěn)定度隨油石比增加先增大后減小，在油石比4.9 %處取得峰值，且擊實次數＞75次，同一油石比的瀝青混合料穩(wěn)定度降低；擊實溫度≥160 ℃，瀝青混合料壓實效果逐漸趨于穩(wěn)定。建議OGFC-13瀝青混合料最佳擊實次數為75次。（3）隨浸水時間延長，瀝青混合料殘留穩(wěn)定度逐漸降低，且PAN纖維摻量為0.5%時，殘留穩(wěn)定度達到最大值，較普通瀝青混合料殘留穩(wěn)定度至少提高8.4 %；隨PAN纖維摻量增加，瀝青混合料凍融劈裂強度先增加后減小，凍融劈裂強度比呈緩慢線性降低，且纖維摻量0.5 %的瀝青混合料凍融劈裂強度與纖維摻量0.3 %的瀝青混合料凍融劈裂強度相當，故建議PAN纖維摻量為0.4 %。