多孔瀝青混合料的低溫及抗老化性能研究*

張東超 樊旺生

(1.中交一公局第四工程有限公司 南寧 532400; 2.蘇交科集團股份有限公司 南京 211112)

多孔瀝青混合料因其良好的排水、降噪、抗滑等性能受到了廣泛的關注和應用,是建設海綿城市、降低熱島效應的有效途徑,并在全球范圍內取得了較好的應用效果[1-2]。唐建鋒等[3]研究了多孔瀝青混合料的抗凍性能,明確了空隙率和孔隙結構對抗凍性能的影響;胡緒泉[4]研究了多孔瀝青混合料的界面特性,認為界面強度對多孔瀝青混合料的耐久性起決定作用;何虹霖等[5]研究了多孔瀝青混合料的降噪性能,指出連通空隙率和構造深度對降噪性能影響最為顯著;孫斌祥等[6-7]研究了多孔瀝青混合料的水穩定性和抗凍性,指出改性瀝青可以有效改善多孔瀝青混合料界面強度,提高水穩定性。上述研究明確了多孔瀝青混合料的路用性能,為多孔瀝青混合料的推廣應用奠定了堅實的基礎,但關于多孔瀝青混合料老化耐久性的研究較少。鑒于此,本文從低溫抗裂性和抗老化性兩方面評價多孔瀝青混合料的耐久性能,分析多孔瀝青路面耐久性的影響因素,并針對性地提出改善多孔瀝青混合料耐久性的措施。

1 原材料與級配

1.1 原材料

相對于密級配瀝青混合料,多孔瀝青混合料路用性能受粗集料骨架強度和瀝青黏附性的影響更甚,使用壓碎值低的集料和黏附性差的基質瀝青制備多孔瀝青混合料的路用耐久性能普遍較差,尤其在瀝青老化后,路用耐久性能下降過快,難以更直觀地評價多孔瀝青混合料的耐久性能。因此,本文選擇黏附性較好的SBS改性瀝青和強度較大的玄武巖集料進行研究。

1) 瀝青。研究所用SBS改性瀝青技術性能見表1。

表1 SBS改性瀝青技術性能

2) 粗集料。研究采用粗集料為玄武巖碎石,其技術指標見表2。

表2 粗集料技術性能

3) 細集料。研究采用細集料為石灰巖機制砂,其技術指標見表3。

表3 細集料技術性能

4) 纖維。研究采用纖維為木質素纖維,其技術性能見表4。

表4 纖維技術性能

1.2 級配

本文采用的多孔瀝青混合料的級配為JTG F 40-2004 《公路瀝青路面施工技術規范》中OGFC-13級配[8],級配篩孔通過率見表5。

表5 多孔瀝青混合料各粒徑篩孔通過率

2 試驗方案

1) 研究多孔瀝青混合料低溫性能影響因素,在級配完全一致的前提下,分別改變混合料的油石比、空隙率和纖維摻量,采用小梁彎曲試驗研究三者對多孔瀝青混合料低溫性能的影響。

2) 研究多孔瀝青混合料老化狀態對路用性能的影響,通過烘箱加熱法及延時烘箱加熱法模擬多孔瀝青混合料的老化狀態,進行磨耗試驗、車轍試驗、凍融劈裂試驗及小梁彎曲試驗,研究不同老化狀態下多孔瀝青混合料的磨耗性能、高溫穩定性、抗凍性和低溫抗裂性[9]。

3 試驗結果與討論

3.1 低溫性能

研究多孔瀝青混合料低溫性能的影響因素,在不同油石比、空隙率和纖維摻量下多孔瀝青混合料的低溫性能見圖1。

圖1 多孔瀝青混合料低溫性能影響因素

由圖1可知,油石比、空隙率,以及纖維摻量對多孔瀝青混合料的低溫性能均存在一定的影響,但其影響規律不盡相同。

圖1a)表明,隨著油石比的增大,多孔瀝青混合料的彎拉強度和最大彎拉應變均逐漸增大,說明適當增加油石比有利于提高多孔瀝青混合料的低溫性能。在油石比為4.9%時存在轉折點,當油石比小于4.9%時,彎拉強度和最大彎拉應變增長速率更快,油石比大于4.9%時,低溫性能增長趨緩,說明在低油石比時提高瀝青用量,混合料低溫性能收益更高。原因在于在隨著瀝青用量的增加,多孔混合料的應力松弛能力增加,低溫勁度模量降低,有助于提高多孔瀝青路面的延展性和低溫抗裂性。當油石比超過一定限度時,低溫性能雖仍有改善但強度增長不明顯,經濟效益較差。因此,多孔瀝青混合料設計時應綜合考慮性能與經濟效益的平衡。

圖1b)表明,隨著空隙率的增大,多孔瀝青混合料的彎拉強度和最大彎拉應變均逐漸降低,兩者變化規律基本相似,但性能降低幅度不大,空隙率由18%提升到24%,低溫性能降低約9%。原因在于瀝青混合料的低溫性能主要與瀝青自身的韌性及瀝青-集料間的黏聚力有關,而多孔瀝青混合料空隙率較大,粗集料相互嵌擠而細集料較少,集料間接觸面積較小,且瀝青膠漿多懸浮于空隙中,難以提供足夠的黏聚力,在承受拉應力時裂縫的形成和擴展克服瀝青和集料之間的黏結力所需的能量較少;其次,低溫開裂往往從混合料的薄弱界面開始發生,多孔瀝青混合料中的空隙均勻性較差,這些區域在承受荷載時容易產生應力集中,從而加速了裂縫的發展。因此,多孔瀝青混合料在設計時應選取合適的空隙率,確保低溫抗裂性能。

圖1c)表明,纖維對多孔瀝青混合料的低溫性能有明顯的積極作用,隨著纖維摻量的增大,混合料彎拉強度和最大彎拉應變均先增大后減小,纖維摻量為0.3%時,低溫性能達到峰值,彎拉強度約提升11%。究其原因在于以下幾方面:①纖維的摻加吸附了部分瀝青,增大了多孔瀝青混合料的最佳油石比,提高了混合料的韌性;②纖維與混合料中自由瀝青結合后吸附在集料表面,增大了瀝青薄膜厚度,間接增加了混合料結構瀝青用量,補償了多孔瀝青混合料空隙率大、結構瀝青數量少的缺點;③聚酯纖維具有良好的抗拉強度,在混合料中錯綜分布,起到一定的加筋作用,在薄弱界面可吸收部分應力,可以延緩裂縫產生和發展,且增加了混合料的彈性恢復能力及微裂縫的自愈能力。而纖維摻量過量時,對低溫性能造成負面效果,原因在于過量的纖維難以在混合料中均勻分布,容易產生結團現象,成為混合料中抵抗低溫抗裂的薄弱點。

3.2 抗老化性能

通過模擬瀝青路面的短期和長期老化,研究多孔瀝青混合料抗老化性能,試驗結果見圖2。

圖2 老化狀態對多孔瀝青混合料性能的影響

由圖2可知,多孔瀝青混合料在不同老化狀態下的路用性能差異較大,主要原因在于老化后瀝青性質發生了巨大的變化,從而影響了瀝青混合料的路用性能。且多孔瀝青混合料較小的密度及較大的空隙率,使得外界的水、氧氣、光照等更容易進入混合料的內部,混合料更易產生老化。

圖2a)、b)表明,隨著老化程度的加深,多孔瀝青混合料的磨耗損失率和動穩定度顯著增大,原因在于瀝青老化變脆,針入度、延度逐漸降低,黏附性和集料抗剝落能力下降。動穩定度增大的原因在于老化后瀝青變硬,混合料也隨之變硬,承受車輪碾壓時抵抗性能更強。

圖2c)、d)表明,隨著老化程度的加深,多孔瀝青混合料的凍融劈裂強度比和低溫彎曲應變逐漸降低,說明老化后多孔瀝青混合料的抗凍性和低溫抗裂性嚴重降低。主要原因在于老化后瀝青混合料逐漸變硬,韌性降低,同時瀝青集料間的黏附性下降,在抵抗拉應力時更容易產生裂縫破壞。

4 結語

綜上,實驗制備了不同條件下的混合料車轍板試件,采用小梁彎曲試驗和烘箱老化試驗,分別研究了多孔瀝青混合料的低溫性能和抗老化性能,研究結果表明:

1) 研究多孔瀝青混合料低溫性能影響因素,隨著油石比增大,混合料低溫抗裂性增加,隨空隙率增大,低溫性能下降,隨著纖維摻量的增大,混合料低溫性能先增大后減小,纖維摻量為0.3%時,低溫性能達到峰值。因此,在多孔瀝青混合料設計時,可通過提高油石比、降低空隙率和添加纖維等措施改善混合料的低溫抗裂性能。

2) 研究多孔瀝青混合料老化狀態對路用性能的影響,老化狀態對混合料路用性能影響顯著,隨著老化程度的加深,多孔瀝青混合料耐磨耗性降低,高溫性能得到改善,抗凍性和低溫抗裂性能降低。因此,多孔瀝青路面應根據路面服役年限和實際老化情況及時采取預養護措施。