基于力学性能和各向异性的排水性沥青磨耗层优化

张海涛 ，孙俊锋 ，刘作强 ，熊慧中* ，葛 琪

(1.东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040；2.黑龙江省公路勘察设计院，哈尔滨 150080；3.黑龙江工程学院土木与建筑工程学院，哈尔滨 150000)

随着社会的进步和人们生活水平的日益提高，人们对道路的认识从起初的通行功能转变为了绿色安全功能。排水性沥青磨耗层具有抗滑、排水和防雨天路面眩光的功能，因此得到了广泛的关注。排水性沥青混合料内部含有大量的连通空隙，在一定程度上可以有效地排出路面上的水，保证了行车安全[1-2]。在排水性沥青磨耗层内部存在着各向异性的特点，不同方向上的渗水情况存在差异性，这对排水性沥青磨耗层排水功能的应用产生了不良影响，在实际工程中，各向异性可能会导致水流不能够沿着最佳断面流出，从而降低了排水性能。此外，由于排水性沥青混合料内部含有大量的空隙，故其力学性能相对较差，因此，如何使其兼具优良的力学和排水性能是当下的热门话题。

Chen等[3]根据路面结构中的实际水流过程，设计了一种测量多孔混合物在垂直面和水平平面上不同方向渗透率的实验方法，测量了多孔混合物在不同方向的渗透率，分析空隙率对沥青混合料渗透方向性差异的影响。张秀等[4]基于室内试验的研究，建立了排水性沥青混合料细微观孔隙结构与宏观路用性能之间的关系，为排水性能的研究打下了基础。任海生等[5]为提升多孔沥青混合料的路用性能，制备了硅藻土负载环氧改性沥青混合料。该种混合料具有良好的力学性能和排水性能。Mohd Zul等[6]使用了一种非破坏性的技术。采用虚拟切割截面(成像技术)对实验室制造的多孔沥青的空隙特性进行了分析。从不同角度全面研究了多孔体密实样品中空隙的分布和特性。李辉[7]基于常水头自行开发了开级配沥青磨耗层(open graded friction course,OGFC)降水模拟装置及透水性能测试仪，对OGFC的排水性能进行了研究。姚形傲[8]采用自制的渗水试验仪，结合CT(industrial computerized tomography)技术，对马歇尔试件的排水特性进行了研究。

综上所述，目前对于排水性沥青磨耗层的研究，主要集中在单纯的路用性能，多孔沥青混合料试件的细观结构，空隙率对沥青混合料渗透方向性差异的影响，以及排水坡度对横向排水的影响等。现对10种级配沥青混合料的力学性能进行研究，并用自行改装设计的渗水仪模拟水流在路面流动，对车辙板试件的渗水特性进行分析研究。结合排水性沥青磨耗层的力学和各向异性的特性，对其整体性能进行优化分析，以期为排水性沥青磨耗层在实际工程中的应用提供参考。

1 沥青混合料组成设计

1.1 沥青

试验采用90#基质沥青，其技术指标如表1所示。

1.2 集料

试验所用的粗集料为石灰岩，细集料为石灰岩机制砂，填料为石灰岩矿粉，矿粉含水量为0.5%，亲水系数为0.6。试验所用集料的技术指标如表2所示。

表1 沥青的技术指标Table 1 Technical index of asphalt

表2 集料的技术指标Table 2 Technical index of aggregate

1.3 纤维稳定剂

沥青玛蹄脂碎石混合料(stone mastic asphalt,SMA)粗集料多，细集料少，矿粉用量较大，且需要加入纤维稳定剂。研究采用在SMA沥青混合料中掺加0.3%的木质素纤维，其技术指标如表3所示。

表3 木质素纤维的技术指标Table 3 Technical index of lignin fiber

1.4 沥青混合料设计

现对多孔沥青混合料的横向排水特性进行研究，并通过试验研究对其进行优化，所以采用OGFC-13Ⅰ、OGFC-13Ⅱ、OGFC-13Ⅲ、OGFC-13Ⅳ(目标空隙率分别为12%、16%、20%、24%)；OGFC-16Ⅰ、OGFC-16Ⅱ、OGFC-16Ⅲ、OGFC-16Ⅳ(目标空隙率分别为12%、16%、20%、24%)以及AC-16、SMA-16进行分析研究。集料级配如表4所示。

采用以上10种级配类型沥青混合料进行组成设计，通过马歇尔配合比设计得到最佳沥青用量分别为4.6%、4.5%、4.2%、4.0%、4.2%、4.1%、4.0%、3.9%、4.3%、5.7%。

2 试验方案

2.1 马歇尔试验

试验采用Φ101.6 mm×63.5 mm的标准马歇尔试件，读数精确至0.01 kN，加载速率为50 mm/min，25 ℃恒温水浴保温30 min[9]。通过测定沥青混合料的稳定度和流值，对各级配沥青混合料的力学稳定性进行评价分析。

表4 集料级配Table 4 Gradation of aggregate

2.2 车辙试验

试验采用轮碾成型机碾压成型的车辙板试件，试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，试验温度为60 ℃，轮压为0.7 MPa，用车辙试验机进行试验，沥青混合料试件的动稳定度按式(1)计算[9]。

(1)

式(1)中：DS为沥青混合料的动稳定度,次/mm；N为试验轮往返碾压速度，42次/min；d1、d2为时间t1、t2对应的变形量，mm；C1、C2为试件系数，1.0。

2.3 弯曲试验

在车辙板试件基础上，用切割法制作沥青混合料小梁试件，小梁试件尺寸为250 mm×30 mm×35 mm。试验温度为(-10±0.5)℃，试验加载速率为50 mm/min[9]。按式(2)计算试件破坏时的抗弯拉强度RB、破坏时的梁底最大弯拉应变εB及破坏时的曲劲度模量SB。

(2)

式(2)中：RB为试件破坏时的抗弯拉强度，MPa；εB为试件破坏时的最大弯拉应变，με；SB为试件破坏时的弯曲劲度模量，MPa；b为跨中断面试件的宽度，mm；h为跨中断面试件的高度，mm；L为试件的跨径，mm；PB为试件破坏时的最大荷载，N；d为试件破坏时的跨中挠度，mm。

2.4 浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验

浸水马歇尔试验在25 ℃恒温水浴保温48 h，其余步骤与标准马歇尔试验相同。冻融劈裂试验采用马歇尔击实法成型试件，击实次数为双面各50次，按照规范，采用饱水试验方法真空保水，冷冻温度为(-18±2)℃，保持16 h。取出试件后放入60 ℃恒温水浴，保温24 h，随后取出放入25 ℃恒温水浴2 h，试验加载速率为50 mm/min[9]。劈裂抗拉强度按式(3)计算，冻融劈裂抗拉强度比按式(4)计算。

(3)

式(3)中：RT1为未冻融循环的第一组试件劈裂抗拉强度,MPa；RT2为冻融循环的第二组试件劈裂抗拉强度,MPa；PT1为第一组试件试验荷载值,N；PT2为第二组试件试验荷载值,N；h1为第一组试件高度,mm；h2为第二组试件高度,mm。

(4)

式(4)中：TSR为冻融劈裂强度比,%；RT2为冻融循环第二组试件劈裂抗拉强度平均值,MPa；RT1为未冻融循环第一组试件劈裂抗拉强度平均值,MPa。

2.5 渗水试验装置

对于车辙板试件而言，各个方向的渗水情况存在着差异性，在不同的介质中具有不同的渗透性。因此，采用单一的渗透系数测定方法不能够准确反映出实际的渗水情况，为了准确对多孔沥青混合料横向渗水特性进行研究和优化，分析了多孔沥青磨耗层结构中水流的渗流过程，如图1所示。

由于中国尚无沥青混合料横向渗水性能测试规范，为了能够准确模拟出水流在车辙板试件中的渗流过程，依据前人的研究和路面排水的特点[1]，自行改装设计沥青混合料恒定水头车辙板渗水试验仪，如图2所示。

AC表示普通沥青混凝土图1 路面渗水示意图Fig.1 Diagram for road surface water seepage

图2 自制排水测试装置示意图Fig.2 Schematic diagram of self-made drainage test device

该装置可以通过调整渗透仪水箱内的水量梯度，从而模拟不同强度的降雨。通过螺母调节横坡坡度，以此来模拟实际路面的雨水渗流。当水箱中的水流入车辙板上时，经横向渗透后，沿斜坡横向流出。试验测试不同级配车辙板试件的4个方向渗水性能。通过单位时间内渗入试件的水量来表征其渗水系数。渗水系数C按式(5)计算：

(5)

式(5)中：C为渗水系数，mL/min；V1为第一次计时的水量，mL；V2为第二次计时的水量，mL；T1为第一次计时的时间，s；T2为第二次计时的时间，s。

采用自行改装设计的渗水测试装置，按照以下步骤进行测试。

(1)将试验装置安置好，试验采用300 mm×300 mm×50 mm的车辙板试件；分别将车辙板试件的1个300 mm×300 mm的底面以及3个300 mm×50 mm的侧面密封，将不密封的300 mm×300 mm的表面作为上表面，放于试件架上，调整好横坡坡度，试验采用1.2%和1.5%两种坡度。

(2)在水箱中注入500 mL水，开始试验，记录下渗水时间和渗出水量，根据式(5)计算各沥青混合料试件的渗水系数。重复测试10种级配沥青混合料车辙板试件的渗水系数。

(3)试验根据式(5)分别计算了10种级配沥青混合料车辙板试件4个横向(300 mm×50 mm)的渗水系数，根据试验数据分析，该方法测试得出的渗水系数具有较高的可靠性，可作为多孔沥青混合料渗水系数的测试装置。

3 试验结果

3.1 马歇尔试验结果

试验测定了10种不同级配沥青混合料的稳定度和流值，试验结果如表5所示。从表5中可以看出，按照马歇尔稳定度大小关系排序：AC-16>SMA-16>OGFC-16Ⅰ>OGFC-16Ⅱ>OGFC-16Ⅲ>OGFC-16Ⅳ>OGFC-13Ⅰ>OGFC-13Ⅱ>OGFC-13Ⅲ>OGFC-13Ⅳ。连续型密集配AC-16的马歇尔稳定度最大，其次是SMA-16，OGFC级配类型的马歇尔稳定度最低。从表5中还可以看出，OGFC-16的稳定度大于OGFC-13，且对于同一最大公称粒径的不同级配沥青混合料，随着空隙率的增大马歇尔稳定度逐渐减小。这表明粒径增大，马歇尔稳定度相对增大；随着空隙率的增大，其力学性能相对降低。

表5 马歇尔试验结果Table 5 Results of Marshall test

3.2 车辙试验结果

试验采用车辙试验方法测定10种不同级配沥青混合料的动稳定度，从而评价其高温性能，试验结果如图3所示。从图3中可以看出，SMA-16的动稳定度最大，其次是OGFC-13和OGFC-16，而AC-16的动稳定度最小。这是因为密级配沥青混合料AC-16的粗集料悬浮在细集料胶浆中，抗车辙能力受温度影响较大，故动稳定度较低；而SMA-16粗集料多，细集料少，属于骨架密实结构，故受温度影响较小，具有很好的高温抗车辙性能；OGFC-13和OGFC-16属于骨架嵌挤结构，虽然粗集料形成嵌挤结构，且沥青用量相对较小，但由于其大空隙率的特征，故其动稳定度相对于SMA-16较差。OGFC-16的动稳定度大于OGFC-13，对于同一最大公称粒径的不同级配沥青混合料，随着空隙率的增大动稳定度逐渐减小。这表明增大粒径可以改善高温性能；随着空隙率的增大，其高温性能相对降低。

3.3 弯曲试验结果

试验通过弯曲试验测得的抗弯拉强度和弯拉应变来评价沥青混合料试件的低温性能，试验结果如图4所示。从图4中可以看出，SMA-16的低温性能最好，AC-16次之，OGFC最差，这是因为虽然SMA-16具有较多的粗集料，但其大量的矿粉和沥青形成了胶浆，在低温下具有较好的延展性，具有较大的抗弯拉强度和弯拉应变。对于OGFC结构类型而言，较大的空隙率使其低温性能有所降低。OGFC-16的抗弯拉强度和弯拉应变大于OGFC-13，对于同一最大公称粒径的不同级配沥青混合料，随着空隙率的增大抗弯拉强度和弯拉应变逐渐减小。这表明增大粒径可以改善低温性能；随着空隙率的增大，其低温性能相对降低。

图3 沥青混合料车辙试验结果Fig.3 Rutting test results of asphalt mixture

图4 沥青混合料低温弯曲试验结果Fig.4 Low temperature bending test of asphalt mixture

3.4 水稳定性试验结果

试验通过沥青混合料浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验分别测定残留稳定度和残留强度比，试验结果如图5所示。从图5中可以看出，SMA-16和AC-16的残留稳定度和残留强度比大于OGFC-13和OGFC-16，这是因为OGFC结构类型易遭受水损坏，而SMA-16和AC-16密实度较高，不易遭受水损坏。OGFC-16的残留稳定度和残留强度比小于OGFC-13，对于同一最大公称粒径的不同级配沥青混合料，随着空隙率的增大残留稳定度和残留强度比逐渐减小。这表明增大粒径可以增加水稳定性；随着空隙率的增大，其水稳定性相对降低。10种级配力学性能均满足规范要求，为后续研究其排水特性提供基础。

图5 浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验结果Fig.5 Results of immersion Marshall test and freeze-thaw splitting test

3.5 渗水试验结果

试验首先采用1.2%坡度，分别以A面为上表面和B面为上表面，对10种级配沥青混合料试件的4个横向面分别进行测试，测试结果如图6所示。

从图6中可以看出，以A面作为上表面和B面作为上表面，10种级配沥青混合料试件的渗水情况差异性不大，即在垂直方向上路面排水差异性不大。对于SMA-16和AC-16，由于密实度较高，只能渗入少量的水，故其各方向的渗水情况没有明显差异。由图6(a)、图6(b)可以看出，OGFC-16的各向渗水差异性比OGFC-13大，且对于同一最大公称粒径的不同级配沥青混合料，随着空隙率的增大各方向渗水的差异性逐渐减小。这表明增大粒径和空隙率可以降低沥青混合料试件排水的各向异性。

图6 坡度1.2%渗水试验结果Fig.6 Seepage test results of 1.2% slope

由于垂直方向上渗水情况差异性不大，以A面作为上表面，坡度调整为1.5%，进行试验，试验结果如图7所示。

通过图6和图7的对比可以看出，随着坡度的增大，各级配沥青混合料试件的渗水系数也随之增大。OGFC-16增大的幅度比OGFC-13大，且对于同一最大公称粒径的不同级配沥青混合料，随着空隙率的增大各方向渗水系数增大的幅度逐渐增大。这是由于粒径的增大和空隙率的增大使试件内部形成更多的有效空隙，能够容纳更多的水从试件内部渗出。这表明增大粒径和空隙率，控制合理的坡度，可以增强排水性沥青混合料的排水性能，并能够一定程度减小各向渗水差异性。

图7 坡度1.5%渗水试验结果Fig.7 Seepage test results of 1.5% slope

通过以上力学性能和试件排水性能的分析可以看出，沥青混合料力学性能和排水性能呈负相关关系，排水性沥青磨耗层在发挥其排水功能的同时，也要兼顾其力学性能，且沥青路面的各向异性使排水功能不能充分应用，故通过以上分析研究，可对排水性沥青磨耗层进行优化。从上述试验结果可以看出，当空隙率大于18%时，试件各方向的排水差异性开始减小，排水能力增强，所以最佳空隙率应尽量大于18%，结合力学性能试验结果，当空隙率为24%时，各向力学性能指标稍高于规范，力学性能最差，故基于本试验研究，结合力学性能和排水特性，排水性沥青磨耗层的最佳空隙率应控制在18%～21%；适当提高坡度可增强其排水性能；提高公称最大粒径可使力学和排水性能均有所提升，进一步减小各向异性对排水性沥青磨耗层排水功能的影响。

4 结论

(1)自行改装设计的车辙板渗水系数测试仪，能够模拟实际路面的雨水渗流，测试方便，具有较高的可靠性，可作为多孔沥青混合料渗水系数的测试装置。

(2)对于同一最大公称粒径的不同级配沥青混合料，随着空隙率的增大各方向渗水的差异性逐渐减小。即增大粒径和空隙率可以降低沥青混合料试件排水的各向异性。

(3)随着坡度的增大，各级配沥青混合料试件的渗水系数也随之增大。研究得出的坡度范围在1.2%～1.5%时可增强其排水性能。

(4)基于试验研究，结合力学性能和排水特性，排水性沥青磨耗层的最佳孔隙率应控制在18%～21%。在实际应用中，控制合理的坡度，可以增强排水性沥青混合料的排水性能，并在一定程度上减少各向渗水差异性。