雙層多孔瀝青混合料耐久性提升試驗(yàn)分析

李 俊，華 夏，李明亮，吳 昊

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2. 江蘇高速公路工程養(yǎng)護(hù)技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

多孔瀝青路面空隙率一般在18%以上，憑借內(nèi)部空隙透水和吸聲，呈現(xiàn)良好的排水降噪功能[1-3]。但是在強(qiáng)降雨、高噪聲污染區(qū)域，常規(guī)的單層多孔瀝青路面很難滿足雨天行車安全、噪聲污染處治的功能需求。在這種情況下，采用雙層多孔瀝青路面可有效緩解該問題[4]。而且雙層多孔瀝青路面的“篩子”效應(yīng)使其具有更加突出的防空隙堵塞能力，功能耐久性更好[5-6]。但是雙層多孔瀝青路面2層均為多孔結(jié)構(gòu)，接觸面積較單層多孔瀝青路面更小，層間黏結(jié)破壞問題需重點(diǎn)關(guān)注。另一方面，多孔瀝青路面路表飛散是典型病害之一，目前摻加聚酯纖維是提高多孔瀝青路面抗飛散性能的方式之一，但是聚酯纖維存在耐熱性差的問題，玄武巖纖維對(duì)抗飛散性能的提升效果也有待研究[7]。

瀝青路面層間黏結(jié)不良將會(huì)導(dǎo)致瀝青面層在車輛荷載和環(huán)境因素綜合作用下發(fā)生推移、擁包等病害，層間接觸狀態(tài)也會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)和車轍病害發(fā)展產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)一步影響路面使用壽命，因此層間設(shè)置適當(dāng)黏層至關(guān)重要[8-9]。由于瀝青路面層間接觸部位的空隙率、構(gòu)造深度會(huì)對(duì)黏層油用量、層間黏結(jié)效果產(chǎn)生影響，吳少鵬[10]、田小革[11]等對(duì)大空隙特征的多孔瀝青路面層間黏結(jié)性能開展了相關(guān)研究，段寶東[12]等系統(tǒng)研究了改性乳化瀝青、改性瀝青碎石封層等黏層材料對(duì)多孔瀝青路面層間黏結(jié)性能的影響，并推薦了不同黏層適宜的材料參數(shù)。另一方面，玄武巖纖維作為一種無機(jī)類材料，其熔點(diǎn)較聚酯纖維明顯提高，彌補(bǔ)了聚酯纖維的耐熱性缺陷，而且其強(qiáng)度、模量、抗變形能力等更加優(yōu)異，在瀝青混合料中的應(yīng)用日益廣泛[13]。相關(guān)學(xué)者研究了不同纖維對(duì)OGFC瀝青混合料體積參數(shù)和各項(xiàng)路用性能的影響，認(rèn)為玄武巖纖維應(yīng)控制最佳摻量，以充分發(fā)揮對(duì)瀝青混合料的性能改善作用[14-17]。

由上述可知，有關(guān)雙層多孔瀝青路面層間黏結(jié)性能的研究較少，而玄武巖纖維對(duì)多孔瀝青路面抗飛散性能提升效果和最佳摻量確定也很少有學(xué)者涉及。本文從層間抗剝離和路表抗飛散2方面入手，通過研究推薦了適用于雙層多孔瀝青路面的黏層材料和玄武巖纖維用量，對(duì)于雙層多孔瀝青路面耐久性提升有利。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 瀝青及瀝青混合料

高黏層改性瀝青由SBS改性瀝青與高黏層添加劑按照92∶8的質(zhì)量比復(fù)合改性而成，主要性能指標(biāo)如表1所示。本文采用的集料、礦粉等其他原材料均滿足相關(guān)規(guī)范的技術(shù)要求。選取PAC-13和PAC-20作為雙層多孔瀝青路面的2層結(jié)構(gòu)，配合比情況如表2所示。

表1 高黏層改性瀝青主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indexes of high viscosity modified asphalt項(xiàng)目針入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)軟化點(diǎn)(TR&B)/ ℃延度(5 ℃,5 cm/min)/cm動(dòng)力黏層(60 ℃)/(Pa·s)布氏旋轉(zhuǎn)黏層(170 ℃)/(Pa·s)溶解度/ %彈性恢復(fù)(25 ℃)/%相對(duì)密度(25 ℃)TFOT后殘留物質(zhì)量變化/ %針入度比(25 ℃)/ %延度(5 ℃,5 cm/min)/ cm檢測值48.79844.6985 3141.36199.999.01.027+0.3787.530.3技術(shù)要求?40?90?30?400 000?3.0?99?95實(shí)測記錄±1.0≮65≮20試驗(yàn)方法T 0604-2011T 0606-2011T 0605-2011T 0620-2000T 0625-2011T 0607-2011T 0662-2000T 0603-2011T 0609-2011T 0604-2011T 0605-2011

1.2 試驗(yàn)方案

a.與未灑布黏層材料的雙層多孔瀝青路面試件進(jìn)行對(duì)比，首先采用滲透系數(shù)和層間黏結(jié)強(qiáng)度雙指標(biāo)，推薦了雙層多孔瀝青路面適宜的黏層材料用量；然后改變?cè)囼?yàn)溫度，分析了黏層材料對(duì)層間黏結(jié)強(qiáng)度溫度穩(wěn)定性的影響。

表2 多孔瀝青混合料配合比Table 2 Mix proportion of porous asphalt mixture結(jié)構(gòu)形式通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075油石比/%纖維摻量/%PAC-131001001009455.114.29.47.26.05.04.43.24.80.1PAC-2010097.185.774.556.715.410.67.86.15.54.94.34.50.1

b.在相同的聚酯纖維和玄武巖纖維摻量下，分別測試多孔瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)，對(duì)比纖維種類對(duì)混合料路用性能的影響；以飛散損失作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，改變聚酯纖維和玄武巖纖維的摻量，推薦2種纖維適宜的摻量范圍，分析玄武巖纖維對(duì)多孔瀝青混合料抗飛散性能的提升效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雙層多孔瀝青路面層間抗剝離性能提升

a.黏層材料最佳用量確定。

雙層多孔瀝青路面具有更好的排水性能和降噪性能，并且由于其自身結(jié)構(gòu)特性，能夠減緩空隙堵塞病害的發(fā)生。但是2層多孔瀝青層之間相對(duì)更少的接觸面積使其對(duì)防水黏結(jié)層的要求更為嚴(yán)格。以SBS改性乳化瀝青作為黏層材料，選取0、0.3、0.4、0.5、0.6 kg/m2的黏層材料用量(以純?yōu)r青計(jì)，下同)進(jìn)行滲透系數(shù)試驗(yàn)和層間黏結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2所示。0黏層材料用量代表層間未灑布黏層材料。

圖1 黏層材料用量對(duì)滲透系數(shù)的影響圖Figure 1 Effect of bonding material content on permeability coefficient

圖2 黏層材料用量對(duì)層間黏結(jié)強(qiáng)度的影響Figure 2 Effect of bonding material content on interlayer bonding strength

由圖1、圖2可知，對(duì)于雙層多孔瀝青路面，隨著黏層材料用量增加，雙層多孔瀝青路面的滲透系數(shù)隨之減小，尤其是黏層材料用量大于0.2 kg/m2時(shí)，滲透系數(shù)明顯衰減；至用量增大至0.3 kg/m2時(shí)，滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定，表明層間已發(fā)生嚴(yán)重堵塞，滲透功能主要由上層多孔瀝青層提供。同時(shí)，在選取的黏層材料用量范圍內(nèi)，隨著用量增加，其層間抗剪強(qiáng)度和層間抗拉強(qiáng)度均隨之增大。這可能與乳化瀝青破乳后，多余的瀝青堵塞了下層多孔瀝青層的空隙、增大了上層多孔瀝青層與其接觸面積有關(guān)?？紤]到下層多孔瀝青層的空隙堵塞不利于發(fā)揮雙層多孔瀝青路面的排水降噪功能，結(jié)合實(shí)體工程黏層施工效果，推薦雙層多孔瀝青路面的最佳瀝青用量不大于0.2 kg/m2，并且建議分多次灑布，以免單次灑布時(shí)黏層材料下滲嚴(yán)重。

b.層間黏結(jié)強(qiáng)度溫度穩(wěn)定性。

SBS改性乳化瀝青的黏層材料用量為0.2 kg/m2，選取5 ℃、25 ℃、40 ℃和65 ℃的試驗(yàn)溫度進(jìn)行層間剪切試驗(yàn)和層間拉拔試驗(yàn)，并與未灑布黏層材料的雙層多孔瀝青路面試件進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 溫度對(duì)層間剪切性能的影響圖Figure 3 Effect of temperature on interlayer shear strength

圖4 溫度對(duì)層間拉拔性能的影響Figure 4 Effect of temperature on interlayer tensile strength

由圖3、圖4可知，溫度對(duì)雙層多孔瀝青路面層間黏結(jié)強(qiáng)度的影響顯著，層間抗剪強(qiáng)度和層間抗拉強(qiáng)度隨著溫度的升高大幅下降。但是與未灑布黏層材料的試件相比，無論層間剪切強(qiáng)度還是層間拉拔試驗(yàn)，灑布黏層試件均大于未灑布黏層試件。此外，隨著溫度升高，未灑布黏層試件在40 ℃時(shí)層間幾乎無強(qiáng)度，在重力作用下2層試件即發(fā)生脫離，而灑布黏層試件直至65 ℃時(shí)仍具有一定強(qiáng)度，表明層間灑布適量黏層材料，可以提高雙層多孔瀝青路面層間黏結(jié)強(qiáng)度的溫度穩(wěn)定性。

2.2 雙層多孔瀝青路面路表抗飛散性能提升

2.2.1不同纖維混合料路用性能對(duì)比

本文選用聚酯纖維和玄武巖纖維對(duì)比分析多孔瀝青混合料的路用性能。2種纖維的外觀如圖5所示，主要性能指標(biāo)如表3所示。表3中聚酯纖維耐熱性指標(biāo)的試驗(yàn)條件為210 ℃加熱2 h，玄武巖纖維耐熱性指標(biāo)的試驗(yàn)條件為250 ℃加熱4 h。需要關(guān)注的是玄武巖纖維的密度約為聚酯纖維的2.1倍。

分別采用聚酯纖維和玄武巖纖維按照表2所示的PAC-13配合比拌制多孔瀝青混合料，測試瀝

(a)聚酯纖維

(b)玄武巖纖維

表3 不同種類纖維的主要性能指標(biāo)Table 3 Main performance indexes of different kinds of fiber纖維種類直徑/μm長度/mm密度/(g·cm-3)耐熱性斷裂強(qiáng)度/MPa斷裂伸長率/%聚酯纖維18121.336體積、顏色無變化52220玄武巖纖維1662.745體積、顏色無變化1 8983

青混合料的體積指標(biāo)、析漏損失、飛散損失、動(dòng)穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變、馬歇爾殘留穩(wěn)定度，以及凍融劈裂強(qiáng)度比等路用性能，測試結(jié)果如表4所示。

表4 不同種類纖維多孔瀝青混合料路用性能Table 4 Pavement performance of porous asphalt mixture with different kinds of fiber纖維種類空隙率/%體積法真空法馬歇爾穩(wěn)定度/kN析漏損失/%飛散損失/%浸水飛散損失/%動(dòng)穩(wěn)定度/(次·mm-1)破壞應(yīng)變/με殘留穩(wěn)定度/%殘留強(qiáng)度比/%聚酯纖維23.820.76.580.1311.07.28 2913 56286.892.7玄武巖纖維23.120.56.530.1412.515.26 6323 21987.689.1

由表4可知，與聚酯纖維多孔瀝青混合料相比，玄武巖纖維多孔瀝青混合料在體積指標(biāo)相當(dāng)?shù)那疤嵯?，其抗飛散性能、高低溫性能和水穩(wěn)定性均稍差于前者。纖維在瀝青混合料中可以起到吸附和穩(wěn)定瀝青、橋接、加筋等作用，以此提高瀝青混合料的各項(xiàng)路用性能。纖維發(fā)揮其作用的前提是充足的數(shù)量和均勻的分布，由于玄武巖纖維的密度達(dá)到聚酯纖維的2倍以上，同樣采用0.1%摻量，玄武巖纖維的數(shù)量要明顯小于聚酯纖維，其路用性能差于聚酯纖維的主要原因在此。

2.2.2纖維摻量對(duì)抗飛散性能的影響

由2.2.1分析可知，由于聚酯纖維和玄武巖纖維密度的差異，二者的最佳摻量亦應(yīng)不同。本文以飛散損失為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過改變纖維摻量拌制多孔瀝青混合料，并測試2種纖維不同摻量條件下的飛散損失，如圖6所示。

圖6 纖維摻量與飛散損失的關(guān)系Figure 6 Relationship of fiber content with raveling loss

由圖6可知，當(dāng)纖維摻量較小時(shí)，2種纖維多孔瀝青混合料的飛散損失均隨著纖維摻量的增大而減小，但是當(dāng)纖維摻量大于0.15%時(shí)，聚酯纖維多孔瀝青混合料的飛散損失反而明顯增大。這與纖維摻量過大影響了混合料的拌和均勻性，并且吸收了過多的瀝青導(dǎo)致有效瀝青用量減少有關(guān)。通過對(duì)聚酯纖維摻量與多孔瀝青混合料飛散損失的關(guān)系曲線進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸，可知聚酯纖維的最佳摻量在0.1%～0.2%之間。以0.1%聚酯纖維摻量為例，摻加纖維后多孔瀝青混合料的飛散損失較未摻加時(shí)減小了18.1%。

當(dāng)纖維摻量小于0.15%時(shí)，玄武巖纖維多孔瀝青混合料的飛散損失大于聚酯纖維多孔瀝青混合料。當(dāng)纖維摻量大于0.15%時(shí)，玄武巖纖維多孔瀝青混合料的飛散損失繼續(xù)減小，逐漸小于聚酯纖維多孔瀝青混合料。但是當(dāng)纖維摻量大于0.4%時(shí)，玄武巖纖維多孔瀝青混合料的飛散損失也因摻量過大而迅速增大，表明混合料的拌和均勻性和有效瀝青用量受到影響。通過對(duì)玄武巖纖維摻量與多孔瀝青混合料飛散損失的關(guān)系曲線進(jìn)行二次多項(xiàng)式回歸，可知玄武巖纖維的最佳摻量在0.2%～0.4%之間。以0.3%玄武巖纖維摻量為例，摻加纖維后多孔瀝青混合料的飛散損失較未摻加時(shí)減小了38.3%，較摻加0.1%聚酯纖維時(shí)減小了24.6%。

3 結(jié)論

a.隨著改性乳化瀝青用量的增加，雙層多孔瀝青路面的層間黏結(jié)強(qiáng)度逐漸增大，滲透系數(shù)逐漸減小，建議改性乳化瀝青用量不宜超過0.2 kg/m2，以免造成下層多孔瀝青層的空隙嚴(yán)重堵塞。

b.相同的試驗(yàn)溫度下，未灑布黏層材料時(shí)雙層多孔瀝青路面的層間黏結(jié)強(qiáng)度小于灑布黏層材料試件，且試驗(yàn)溫度升高導(dǎo)致層間黏結(jié)強(qiáng)度大幅衰減甚至脫離，層間設(shè)置黏層有利于提高層間黏結(jié)強(qiáng)度的溫度穩(wěn)定性。

c.隨著纖維摻量的增加，多孔瀝青混合料的飛散損失先減小后增大，2種纖維均存在適宜的摻量范圍，其中聚酯纖維的最佳摻量在0.1%～0.2%之間，玄武巖纖維的最佳摻量在0.2%～0.4%之間，且較聚酯纖維，玄武巖纖維對(duì)抗飛散性能進(jìn)一步提升24.6%。