填料对排水沥青混合料水稳定性的影响研究

雷鹏群　张新天　吴鹏志

(北京建筑大学，北京　100044)

1　问题的提出

随着社会经济的发展，交通运输在国民经济发展中的作用越来越显著，同时对道路的安全环保要求也越来越受到重视。排水沥青路面就是这样一种安全环保的环境友好型路面，其大空隙的特点实现了路面抗滑、降噪、行车安全等优势，然而其多孔特征也使得路面材料充分地暴露在光、热、水等自然环境中，从而更容易出现松散剥落水损坏等病害。

排水路面的水损害问题曾一度阻碍其发展和推广，迫使各国采用一系列措施来提高其水稳定性，其中掺加消石灰与使用高粘沥青是其中比较有效的方法。由于高粘沥青材料成本较高而推广受到限制，因此利用消石灰替换部分填料的技术方案具有较好的经济价值，研究消石灰改善排水沥青混合料PAC抗水损害能力的特征及影响规律，具有重要的实用意义。

2　排水沥青混合料水损害过程及消石灰改善机理分析

排水沥青混合料PAC是典型的骨架空隙结构，其强度主要由混合料集料骨架之间的嵌挤摩阻作用以及胶结料与集料间的粘结作用组成。在水分的侵蚀影响下，加之混合料经受行车荷载与温度胀缩的反复作用，水分逐渐浸入到沥青与集料的粘结面。由于水分子是极性物质，与集料的亲和性相较于沥青胶结料更好，侵入水使集料与沥青的粘结性降低，在荷载与温度的作用下更容易松散剥落导致掉粒坑槽等水损害[1]。沥青胶结料内含有的羧酸使沥青呈弱酸性，而排水路面常使用的坚硬玄武岩集料也是弱酸性，因此两者结合粘附性相较于普通沥青路面采用的石灰岩等碱性集料略差。

沥青混合料采用填料通常为矿料研磨之矿粉，pH值在9左右，呈弱碱性，而消石灰的主要成分氢氧化钙，pH值在12左右，为强碱性。使用消石灰代替一部分矿粉后，消石灰中的碱性基团与沥青中的酸性基团反应会形成化学反应生成碱土盐，而碱土盐有较强的化学吸附作用。与物理吸附不同，化学吸附是强键结合，吸附非常稳定且不可逆，解析困难[2]，因此消石灰的使用使沥青与沥青胶浆的粘附性得以维持，在水的作用下沥青结合料不会轻易从集料上脱离。

3　消石灰改善PAC混合料水稳定性试验方案

为了分析消石灰对PAC混合料的水稳定性的改善效果，以普通石灰岩矿粉、生石灰改善方案和高粘沥青方案为对照方案，以及掺配不同比例的消石灰代替部分石灰岩矿粉为试验方案进行排水沥青混合料水稳定性检验。其中粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩，沥青胶结料分别采用埃索SBS改性沥青和高粘改性沥青，所用材料均符合相关规范要求。

沥青混合料水稳定性检验方法通常是将沥青混合料置于水蚀环境中，通过测定其水蚀前后力学性能的变化情况来评定其水稳定性，主要试验方法有浸水马歇尔试验、浸水飞散试验、浸水车辙试验以及冻融劈裂强度比等[3]。PAC混合料采用表1级配，设计空隙率为20%，油石比4.9%。

表1　试验选用级配

4　马歇尔试验与浸水马歇尔试验

马歇尔试验采用表1级配进行验证，以不同填料改善方案与高粘沥青对比组进行对比研究。试件使用击实成型，马歇尔及浸水马歇尔试验结果如表2所示。

表2　不同填料方案及沥青方案的标准马歇尔和浸水马歇尔试验结果

由上述试验结果可知，2%生石灰改善方案、2%消石灰改善方案及高粘沥青方案均可达到提高排水沥青混合料马歇尔稳定度与浸水稳定度的效果，其中高粘沥青方案稳定度值最佳，但是其残留稳定度略低于消石灰方案；2%消石灰方案对混合料马歇尔稳定度、浸水稳定度均有不同程度提高的同时其残留稳定度最为理想。

5　填料改善方案对排水沥青混合料抗飞散性能试验

飞散掉粒是排水沥青路面最常见的病害之一，是指排水路面在荷载作用下集料从路面结构脱离飞出的现象。试验研究中主要借助洛杉矶试验机进行肯塔堡飞散试验来验证排水沥青混合料抗飞散性能，浸水飞散试验则能够模拟排水路面在经过热水浸泡膨胀和沥青老化后集料与胶结料粘结力下降的变化情况[4]。试验采用表1级配进行标准飞散与浸水飞散试验，结果见表3。

表3　标准飞散与浸水飞散指标　%

试验结果表明，全矿粉组标准飞散率较大，且经过60 ℃浸水养护后飞散率进一步加大；生石灰及消石灰改善方案均能不同程度的降低飞散损失，其中以2%消石灰替代部分矿粉的方案对排水沥青混合料抗飞散及抗浸水飞散水稳定性最为显著；高粘沥青方案对排水沥青混合料抗飞散及浸水飞散性能较好。

6　浸水车辙实验

车辙试验是沥青混合料性能验证中最重要的指标之一，可以模拟沥青路面在车轮荷载反复作用下产生的压密、推移等塑性变形。浸水车辙实验则可以模拟沥青路面经受荷载碾压与水蚀双重作用下沥青混合料的高温稳定性与抗水损坏性能。按照规程T 0703的 轮碾成型法室内制成尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙板试件，试模底部有孔，保证水可以从试件下部渗入。试件首先在60 ℃恒温水浴中浸泡6 h，之后在水浴环境下循环往复1 h，评价其浸水条件下的车辙稳定度。试验采用表1中级配，选用埃索SBS沥青、高粘沥青、2%生石灰以及2%消石灰改善方案。试验过程及结果如图1,图2所示。

由图1，图2结果可知，排水沥青混合料经过60 ℃恒温水浴浸泡后浸水稳定度均大幅度降低，说明在交通及水蚀情况下排水沥青混合料稳定性不足；与SBS改性沥青的全矿粉方案相比，生石灰、消石灰以及高粘沥青改善方案均能不同程度的提高排水沥青混合料的动稳定度及浸水稳定度，其中掺加2%消石灰的填料方案动稳定度与浸水稳定度分别能达到高粘沥青的对比组的89.8%与94.4%。

7　不同原材料对比试验

沥青混合料是一种多组分混合而成的极其复杂的空间网格结构分散系，不同的粗细集料及沥青等原材料的细微变化都可能会影响试验结果[5]，因此进行室内试验后采用某实体工程所用原料及级配(见表4)。进一步对掺加消石灰的排水沥青混合料进行检验。对比试验方案及结果如表5所示。

表4　某实际工程所用级配

表5　不同技术方案PAC性能比较

由以上工程实际原材料及配合比方案验证试验结果可知：掺加2%消石灰后析漏损失减少且稳定度提高，相比之下抗飞散性能良好；消石灰改善方案与高粘沥青方案均可大幅度改善PAC的高温稳定性，抗车辙性能良好；消石灰改善方案的马歇尔稳定性及冻融残留强度比TSR均良好，整体性能接近高粘沥青方案。

8　结语

通过试验分析常用的普通石灰岩矿粉、生石灰以及消石灰作为填料或者部分填料探究了不同填料方案下排水沥青混合料的水稳定性变化，试验研究结论如下：

1)排水沥青混合料设计与施工中使用生石灰及消石灰替代部分矿粉可以不同程度的提高混合料水稳定性，其中消石灰的使用使得排水沥青混合料水稳定性提升愈加明显。2)不同的填料改善方案对排水沥青混合料性能影响显著，实际工程可以优选填料方案达到改善混合料水稳定性的作用。3)不同原料来源及配合比对PAC水稳定性表现出差异性，但填料类型对PAC的影响趋势基本一致。4)在普通改性沥青的基础上使用消石灰替代部分矿粉可以有效的改善排水沥青混合料的水稳定性，综合性能接近高粘改性沥青方案，可以满足工程要求。

参考文献:

[1]吕伟民，孙大权.沥青混合料设计手册[M].北京：人民交通出版社，2007:53-57.

[2]王法欣.沥青混合料水稳定性及路面水损害研究[D].杭州：浙江工业大学,2009：30-40.

[3]李锟.沥青混合料抗水损害试验研究[D].大连：大连理工大学,2016:4-10.

[4]JTG E20—2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[5]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001:275-283.