排水瀝青路面抗凍融循環(huán)性能研究

劉少華 潘寶峰 許 斌 王麗麗 李耘宇 曹東偉

(大連理工大學(xué)交通運輸學(xué)院1) 大連 116024) (中路高科(北京)公路技術(shù)有限公司2) 北京 100088)(交通運輸部公路科學(xué)研究院3) 北京 100088) (石家莊市交建高速公路建設(shè)管理有限公司4) 石家莊 050085)(武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院5) 武漢 430063)

0 引 言

在我國北方地區(qū)，冬季寒冷且晝夜溫差大，瀝青路面長期處于凍融循環(huán)環(huán)境中，路面性能受到凍融循環(huán)作用的較大影響[1].凍融循環(huán)對瀝青混合料的作用主要體現(xiàn)在水分對瀝青膜的置換作用會影響瀝青與集料間的黏結(jié)力以及水分凝結(jié)成冰后體積增大對瀝青混合料產(chǎn)生的膨脹力.凍融循環(huán)作用導(dǎo)致瀝青面層性能衰減，出現(xiàn)松散、開裂甚至大面積坑槽，極大的影響了瀝青路面的使用壽命.

有關(guān)瀝青混合料的凍融循環(huán)試驗方法與性能研究，主要分為三個方面：①對于試驗規(guī)程中的單次凍融循環(huán)試驗改進，進行多次的凍融循環(huán)試驗，主要關(guān)于凍融溫度及凍融時間，如王抒音等[2-4]；②關(guān)于凍融循環(huán)后瀝青混合料路用性能以及力學(xué)性能衰減方面的研究，如虎見等[5-8]；③關(guān)于瀝青混合料凍融損傷以及破壞機理的研究，如趙立東等[9-11].大部分研究內(nèi)容集中于密級配瀝青混合料，對于開級配類型的排水瀝青混合料，目前研究較少.排水瀝青混合料凍融循環(huán)的破壞形式宏觀上表現(xiàn)為飛散，微觀上分析為瀝青與集料界面粘結(jié)性能失效，以及膠漿自身的斷裂破壞[12].通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗研究分析不同級配、不同空隙率的排水瀝青混合料凍融循環(huán)后的抗飛散能力，同時研究分析聚酯纖維對排水瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能的影響及排水瀝青混合料抗無水凍融循環(huán)的性能，為排水瀝青路面在北方的推廣使用提供試驗及理論依據(jù).

1 試驗材料及方法

1.1 原材料

1.1.1瀝青及高黏度改性劑(HVA)

采用SBS改性瀝青，加入高黏度改性劑(HVA)制備高黏度改性瀝青，其中SBS改性瀝青∶高黏度改性劑(HVA)=92∶8(質(zhì)量比)，性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表1～3.

表1 SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表2 高粘度改性劑(HVA)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表3 高粘度改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.1.2填料

填料采用石灰?guī)r礦粉，性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表4.

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.1.3集料

細(xì)集料采用石灰?guī)r，粗集料采用玄武巖，性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表5～6.

表5 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表6 粗集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.1.4纖維

采用聚酯纖維，性能指標(biāo)檢測結(jié)果見表7.

表7 聚酯纖維檢測結(jié)果

1.2 級配及油石比

本文涉及PAC-13、PAC-16兩種級配，其中PAC-13設(shè)計了4種不同的空隙率，空隙率分別為18%、20%、22%以及24%.PAC-13采用的油石比為4.6%，PAC-16采用的油石比為4.5%，各級配見表8.

表8 排水瀝青混合料級配

1.3 試驗方法

1.3.1試件準(zhǔn)備

為了研究不同級配和不同空隙率對排水瀝青路面抗凍融循環(huán)性能的影響、聚酯纖維對排水瀝青路面抗凍融循環(huán)的性能影響以及排水瀝青路面無水抗凍融循環(huán)性能，本文設(shè)計了5種排水瀝青混合料，具體見表9.

表9 排水瀝青混合料試件類型

其中，PAC-13A、PAC-13B、PAC-13C、PAC-13D研究分析空隙率對排水瀝青路面抗凍融循環(huán)性能的影響，PAC-13C、PAC-16研究分析級配對排水瀝青路面抗凍融循環(huán)性能的影響，在PAC-13C中外摻聚酯纖維0.1%研究分析聚酯纖維對排水瀝青路面抗凍融循環(huán)性能的影響，PAC-13C研究分析排水瀝青路面無水抗凍性能.

1.3.2凍融循環(huán)試驗設(shè)計

參考JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(以下簡稱《規(guī)程》)中T0733-2011的瀝青混合料凍融劈裂試驗中的凍融試驗方法，結(jié)合國內(nèi)外凍融試驗研究方法，對凍融循環(huán)試驗進行相應(yīng)改進，確定以低溫-20 ℃和高溫水浴60 ℃交替凍融循環(huán)用來模擬冬季、夏季的氣候及溫度循環(huán)，然后進行肯塔堡飛散試驗，測試肯塔堡飛散損失.

具體的試驗方法如下.

步驟1成型符合要求的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，4個試件為一組.

步驟2馬歇爾試件飽水浸泡0.5 h，然后真空飽水15 min，恢復(fù)常壓浸水0.5 h，完成試件飽水.

步驟3將飽水后的試件在-20 ℃下冰凍16 h，然后將試件放入60 ℃水浴箱融化8 h，此為一次循環(huán).

步驟4重復(fù)步驟3，將試件反復(fù)冰凍及融化，直到達到試驗所需循環(huán)次數(shù)為止.

步驟5將完成凍融循環(huán)試驗后的馬歇爾試件參照J(rèn)TG E20-2011《規(guī)程》T0733-2011中肯塔堡飛散試驗方法進行試驗，得到肯塔堡飛散損失值.

1.3.3無水凍融循環(huán)試驗設(shè)計

在無雨雪的天氣情況，對于排水瀝青路面，會在無水情況下發(fā)生冰凍現(xiàn)象.因此本文設(shè)計開發(fā)室內(nèi)試驗，將馬歇爾試件在無水狀態(tài)下進行凍融循環(huán)，參考2.3.2中的凍融循環(huán)試驗，進行對比試驗，仍然確定以低溫-20 ℃和高溫60 ℃交替凍融循環(huán)用來模擬冬季、夏季的氣候及溫度循環(huán)，然后進行肯塔堡飛散試驗，測試肯塔堡飛散損失.

具體的試驗方法如下.

步驟1成型符合要求的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，4個試件為一組.

步驟2將試件在-20 ℃下冰凍16 h，然后將試件放入60 ℃烘箱融化8 h，此為一次循環(huán).

步驟3重復(fù)步驟2將試件反復(fù)冰凍及融化，直到達到試驗所需循環(huán)次數(shù)為止.

步驟4將完成凍融循環(huán)試驗后的馬歇爾試件參照《規(guī)程》T0733-2011中肯塔堡飛散試驗方法進行試驗，得到肯塔堡飛散損失值.

2 結(jié)果及討論

2.1 空隙率對排水瀝青路面抗凍融循環(huán)性能的影響研究

采用PAC-13排水瀝青混合料研究空隙率對排水瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能的影響，設(shè)計了18%、20%、22%、24%四種不同的空隙率，經(jīng)過10次凍融循環(huán)試驗研究分析不同空隙率排水瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能，試驗結(jié)果見圖1.

圖1 不同空隙率排水瀝青混合料飛散損失

從圖1可知：同等次數(shù)凍融循環(huán)后，排水瀝青混合料空隙率越大，肯塔堡飛散損失越大，總體飛散損失PAC-13A(18%)

2.2 級配對排水瀝青路面抗凍融循環(huán)性能的影響研究

采用PAC-13、PAC-16兩種常用級配的排水瀝青混合料經(jīng)過10次凍融循環(huán)試驗研究分析級配對排水瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能的影響，試驗結(jié)果見圖2.

圖2 不同級配排水瀝青混合料飛散損失

由圖2可知:兩種級配的排水瀝青馬歇爾試件肯塔堡飛散損失隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加，總體飛散損失PAC-13

2.3 聚酯纖維對排水瀝青路面抗凍融循環(huán)性能的影響研究

采用PAC-13排水瀝青混合料研究聚酯纖維對排水瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能的影響，根據(jù)課題組以往研究，設(shè)計了添加0.1%聚酯纖維的PAC-13排水瀝青混合料，經(jīng)過10次凍融循環(huán)試驗研究分析聚酯纖維對排水瀝青混合料抗凍融循環(huán)性能的影響，試驗結(jié)果見圖3.

圖3 不同聚酯纖維含量排水瀝青混合料飛散損失

由圖3可知:添加聚酯纖維的排水瀝青混合料凍融循環(huán)后的肯塔堡損失整體在未添加聚酯纖維的排水瀝青混合料之下，飛散損失變化也更趨于平緩，更接近線性變化，兩者之間的差值總體趨勢也在變大.聚酯纖維在瀝青膠漿中起到骨架作用，縱橫交錯分布，能夠起到吸附、穩(wěn)定以及多向加筋的作用，增強粘結(jié)力，改善混合料的低溫以及高溫性能，能有效的抵抗應(yīng)力，減少凍融損傷以及飛散破壞.因此，添加聚酯纖維可以有效改善排水瀝青混合料凍融循環(huán)后的抗飛散能力.

2.4 排水瀝青路面無水抗凍融性能研究

采用PAC-13排水瀝青混合料經(jīng)過10次凍融循環(huán)試驗研究分析排水瀝青混合料抗無水凍融循環(huán)性能的影響，試驗結(jié)果見圖4.

圖4 排水瀝青混合料無水凍融循環(huán)飛散損失

由圖4可知:排水瀝青混合料無水凍融循環(huán)后的肯塔堡損失整體在飽水凍融循環(huán)后的排水瀝青混合料之下，且兩者的差值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加逐漸拉大，無水凍融循環(huán)后的飛散損失變化更平緩，趨于線性變化.在沒有冰荷載以及水浸作用后，水分對瀝青膜的置換以及冰荷載對混合料的作用隨之消失，進而排水瀝青混合料凍融循環(huán)后的飛散損失更小.因此，在北方冬季，及時排除排水瀝青路面積水以及冰雪可以有效延緩排水瀝青路面出現(xiàn)凍融破壞.

3 結(jié) 論

1)在相同的空隙率下，對于不同級配的瀝青混合料，級配越細(xì)，最大粒徑越小，混合料凍融循環(huán)后抗飛散能力越好；對于同種級配的瀝青混合料，空隙率越小，混合料凍融循環(huán)后抗飛散能力越好；聚酯纖維可以有效改善排水瀝青混合料凍融循環(huán)后的抗飛散能力.

2)相對于飽水凍融循環(huán)，無水凍融循環(huán)條件下的飛散損失更小.在北方冬季，及時排除排水瀝青路面積水以及冰雪可以有效延緩排水瀝青路面出現(xiàn)凍融破壞.

3)在北方地區(qū)修建排水瀝青路面，可以通過控制排水瀝青路面級配最大粒徑、控制空隙率以及添加聚酯纖維提高排水瀝青路面抗凍融循環(huán)性能，推薦級配為PAC-13，空隙率為20%～22%.