排水沥青混合料水损害机理及水稳定性能评价研究

徐金玉

(苏交科集团股份有限公司 南京市 211112)

排水沥青路面具有结构空隙大、抗滑性好、排水迅速、行车安全性好等特点，但材料的抗水损及耐久性较差[1]。相比普通沥青混合料而言，排水沥青混合料更容易受到水的侵蚀，为确保排水沥青路面的道路功能，对混合料的粘附性、抗剥落性都有较高要求。分析了排水沥青路面水损害的机理，并对高粘改性排水沥青混合料的水稳定性进行了分析。

1 排水沥青混合料的水损害机理

相比普通沥青混合料，排水沥青混合料具有较为特殊的结构与水作用方式，因此分析排水沥青混合料的水损害机理十分必要。

(1)沥青-集料间的粘结力丧失。根据极性理论，沥青属于表面活性物质在非极性物质中的溶液，因此集料与沥青混合后，会形成黏附效应，表现为沥青与集料的胶结。而水是极性分子，相比沥青而言更容易黏附在集料表面，若此时沥青的极性较低、粘度不足，沥青与集料间将被水膜隔开，导致沥青与集料的剥离[2]。

(2)自由水的冲刷与乳化。冲击水对半开口孔的冲刷，是排水沥青路面出现水损害的主要原因之一。处于半开口孔内或沥青与集料界面间的毛细水或自由水，会在车辆荷载与真空吸力的作用下，反复冲刷结构孔洞或沥青-集料界面，导致排水路面的孔隙结构受到破坏，沥青与集料剥落脱离。在反复侵蚀下，沥青路面的松散贯穿整个结构，结构强度迅速丧失。因此沥青-集料粘结力的丧失、毛细水的乳化、自由水的冲刷，是导致排水沥青混合料极易出现水损害的主要因素。

2 原材料

2.1 沥青

本次试验以PAC-16沥青混合料为研究对象。试验基质沥青选择70#沥青，通过SBS对基质沥青改性后，添加HVA制成HVA高粘沥青，其中SBS掺量为5%、HVA改性剂掺量为8%。表1所示为沥青的性能指标。

2.2 粗集料

试验粗集料选用玄武岩。具体参数如表2所示。需要说明的是，根据本次试验结果，所选用的玄武岩粗集料与70#基质沥青、HVA高粘改性沥青的黏附等级分别为4级和5级。

2.3 细集料

考虑到天然砂粒型接近球形，与沥青粘附性较低，因此选用机制砂作为细集料。本次试验细集料选用石灰岩碎石，保证集料表面干燥、无杂质。表3为细集料的性能参数。各项指标均能满足规范要求。

2.4 矿粉

本次试验的矿粉采用石灰岩磨细矿粉，具体性能如表4所示。

2.5 纤维稳定剂

木质素纤维、聚丙烯腈纤维、聚酯纤维为目前常用于沥青路面的纤维添加剂，通过飞散、浸水飞散试验对比了掺纤维混合料的性能，表5所示为试验所确定各试件的纤维种类、数量表。

3 配合比设计

3.1 目标级配的确定

根据相关研究，本试验采用沥青膜厚度为1.2×10-3cm时，对混合料的油石比进行估算，油石比情况见表6。

制作沥青混合料试件，每组数量不少于4个，检测混合料的稳定度和体积指标，以2.36mm筛孔作为控制筛孔，分析2.36mm通过率与空隙率的关系，如图1所示。由图可知当空隙率为20%时，对应的2.36mm通过率为12.5%。据此确定的目标级配如图2所示。

图1 2.36mm筛孔通过率与空隙率的关系

图2 目标级配曲线

3.2 最佳沥青用量的确定

根据图2的目标级配情况，以估算沥青用量分别为±0.5%、±1.0%制作试件，开展肯塔堡飞散试验、谢伦堡析漏试验。以飞散试验曲线的拐点作为OAC1，以析漏试验曲线的反弯点作为OAC2，进而确定最佳沥青用量OAC。图3、图4分别为对应的试验曲线。由图可知，最小油石比与最大油石比分别为4.1%、4.3%，根据相关研究，排水沥青混合料宜在范围内选择较大沥青用量，因此采用4.3%作为最佳油石比成型试件。

图3 析漏试验结果与油石比

图4 飞散损失与油石比关系

3.3 其他性能验证

以4.3%油石比制作PAC-16沥青混合料试件，验证其强度、渗水性、抗车辙能力等指标，结果如表7所示，试验结果表明：PAC-16排水沥青混合料的各指标性能均能够满足规范及设计要求，可用于进一步开展排水沥青混合料水稳定性能评价。

4 PAC-16排水沥青混合料水稳定性能评价

4.1 填料的掺配情况

各PAC-16排水混合料试件的填料掺配情况具体如下：

(1)PAC1试件只掺加矿粉，掺量为5.3%。

(2)PAC2、PAC3试件均掺加生石灰和矿粉，掺量分别为：1.0%和4.3%、2.0%和3.3%。

(3)PAC4、PAC5试件均掺加熟石灰和矿粉，掺量分别为：1.0%和4.3%、2.0%和3.3%。

(4)PAC6、PAC7试件均掺加水泥和矿粉，掺量分别为：1.0%和4.3%、2.0%和3.3%。

根据上述填料配比情况及表5的各PAC-16试件的纤维掺配类型与掺量情况制作排水沥青混合料试件，通过浸水飞散试验、冻融劈裂试验分析其水稳定性能。

4.2 浸水飞散试验

以目标配合比级配、4.3%油石比成型试件，以不同类型纤维、不同掺量作对比，开展浸水飞散试验，评价不同纤维类别对排水沥青混合料水稳定性能的影响。试验结果如图5所示。

图5 纤维种类及掺量对浸水飞散结果的影响

由图5可知，相对于添加聚酯纤维和聚丙烯腈纤维的试件而言，添加木质素纤维的成型试件浸水飞散损失较高。原因可能在于木质纤维作为一种天然材料，具有较强的吸水能力，因此不适用于作排水混合料的掺料[3]。相比而言聚合物纤维吸水性很小，更为适合。由图5可知，当采用聚合物纤维、掺量选择0.3%时，试件的飞散损失较多，且损失速率增大。掺量0.1%及0.2%的混合料浸水飞散损失相差较小，从经济性考虑，可以选择0.1%聚合物纤维。图6所示为聚丙烯腈纤维掺入排水沥青混合料后的分散情况。聚酯纤维与丙烯腈纤维的长度相当，约9mm左右，但是聚丙烯腈纤维分散性、相容性更好，飞散损失也小于聚酯纤维，因此增强剂应优先选择掺量为0.1%的聚丙烯腈纤维。

图6 排水沥青混合料中聚丙烯腈纤维的分散状况

4.3 冻融劈裂试验

本次冻融劈裂试验采用聚丙烯腈纤维掺量0.1%、油石比4.3%、目标配合比成型PAC-16试件，评价其水稳定性能，并对不同掺量的生石灰、熟石灰和水泥等抗剥落剂对PAC-16排水沥青混合料在水稳定性能方面的影响进行分析[4]。图7所示为试验结果。

图7 不同抗剥落剂类型及掺量对冻融劈裂强度比的影响

由图7可知，以矿粉为填料的对照组混合料试样，第一次冻融劈裂强度能够满足规范要求的80%，但是第二次则为76%，不满足规范要求且下降明显。而采用1%生石灰、1%熟石灰、1%水泥作为填料的混合料试件，第一次冻融劈裂强度都高于矿粉作填料的混合料，但是三者间的强度比差异不大。且二次劈裂强度同样下降明显，不满足规范80%的要求。因此添加1%剂量石灰或水泥对于二次冻融劈裂强度的提升作用不明显。采用掺量分别为2%的生石灰、熟石灰和水泥作为填料的各混合料试件，相比添加掺量分别为1%的各试件而言，第一次劈裂强度比提升效果明显，二次劈裂强度也有所提升，虽然效果不大但是能够满足指标要求。总体而言，矿粉、石灰或水泥等抗剥落剂的添加，对于PAC-16混合料水稳定性的提升效果不明显，相对而言，抗剥落剂采用2%熟石灰，可以有效改善排水沥青混合料的水稳定性能。

5 结论

从排水沥青混合料的结构特征、水作用方式、两种破坏过程等角度，分析了排水沥青混合料的水损害机理。以PAC-16排水沥青混合料为例，确定了最佳沥青用量、级配等参数，通过试验验证了试件的各项性能。基于浸水飞散试验和冻融劈裂试验，进一步分析了纤维和抗剥落剂的种类、所需掺加的数量等对排水沥青混合料水稳定性产生的影响。结果表明，选用0.1%掺量的聚酯纤维作为增强剂，选用2%熟石灰作为抗剥落剂，能够提升排水沥青混合料的水稳定性。