温拌排水沥青混合料性能研究

吴立新，黄 杰，张业茂

（1.江苏省高速公路经营管理中心宁连高速公路北段管理处，江苏 连云港222200；2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安710064；3.江苏省交通规划设计院，江苏 南京211106）

0 引言

随着我国公路建设的快速发展，人们对公路的行车安全性和环保性有了越来越高的要求。排水性沥青路面具有表面不积水，雨天抗滑性能好和吸音降噪等功能，是一种安全环保的路面，具有广阔的应用前景。排水性沥青混合料中，粗集料多、细集料少，属于典型的骨架空隙结构，混合料中形成石-石接触的骨架结构，主要依靠高黏沥青的黏结作用及石料之间的嵌锁作用共同形成强度[1]。排水性沥青混合料由于采用了高黏沥青，施工难度加大，其沥青和矿料加热温度比普通SBS改性沥青混合料高10～20℃，不仅浪费资源，而且排放的大量废气还会污染环境。温拌排水沥青混合料将温拌沥青混合料技术与排水沥青混合料技术有机的结合起来，不但大大降低了施工的难度，而且可以获得安全、节能、环保的新型温拌排水路面。既满足交通的需要，又符合城市发展的需要，具有重要的社会经济意义和工程应用价值[2]。目前，国内外对温拌排水沥青混合料的性能研究较少，本文对温拌排水沥青混合料的性能和热拌排水沥青混合料的性能进行对比分析，研究温拌排水沥青混合料的可行性。

1 原材料的技术性质

1.1 沥青

热拌排水沥青混合料和温拌排水沥青混合料均采用高黏沥青，其技术性质如表1所示。

表1 试验采用的高黏沥青技术指标

1.2 集料

试验所用的集料为镇江茅迪玄武岩，技术性质如表2所示。

表2 玄武岩技术性质

1.3 温拌剂

试验采用的温拌添加剂为Sasobit，掺量为温拌排水沥青混合料的2.5%，其技术指标如表3所示。

表3 温拌添加剂Sasobit技术指标

2 混合料配合比设计

温拌排水沥青混合料与热拌排水沥青混合料采用相同的级配OGFC—13和油石比，级配各筛孔的通过率和油石比如表4所示，二者不同的是试验温度，试验温度如表5所示。

表4 试验采用的级配

表5 不同混合料的试验温度

从表5可以看出，温拌排水沥青混合料的集料加热温度比热拌的降低了30℃，成型温度比热拌的降低了30℃，大大节省了能源的消耗，且降低了粉尘和废气等污染物的排放。

3 试验结果与分析

3.1 高温性能

沥青混合料抗车辙性能是沥青混合料高温性能的重要指标，对温拌排水沥青混合料和热拌排水沥青混合料进行60℃车辙试验，以动稳定度来表示，试验结果如图1所示。

图1 温拌与热拌OGFC—13动稳定度试验结果

从图1 可以看出，温拌OGFC—13 沥青混合料与热拌OGFC—13 的动稳定度均满足规范[3]不小于3 000 次/mm 的技术要求，温拌OGFC—13 与热拌OGFC—13的动稳定度相差不大。

3.2 低温性能

为更全面地评价各级配温拌沥青混合料的低温性能，采用低温约束温度应力冻断试验[4]（TSRST）。仪器采用LWDD—10微机控制沥青混合料低温冻断试验机。该试验机由高低温箱、多功能试验机及控制器、量测系统、微机采集控制系统等组成。

试验起始温度为20℃，温度下降速率采用-30℃/h，试件尺寸为220mm×40mm×40mm（试件成型温度均为60℃），两种类型的沥青混合料试件各制作6 根，试验结果取平均值，结果如表6 和图2所示。

表6 冻断试验结果

图2 热拌OGFC—13和温拌OGFC—13冻断试验应力温度曲线

由表6 和图2 可以看出，温拌OGFC—13 与热拌OGFC—13相比，破断强度略有降低，破断温度和转折点温度略有提高，温度曲线斜率略降低。表明温拌OGFC—13的低温性能略有降低，但对低温性能不产生影响。

3.3 透水性能

为评价温拌和热拌OGFC—13沥青混合料的透水性能，将温拌和热拌OGFC—13沥青混合料采用轮碾法各制作3 块30cm×30cm×5cm 的车辙板，采用路面渗水仪进行渗水系数试验[5]，试验结果如图3所示。

图3 温拌与热拌OGFC—13渗水系数试验结果

从图3 可以看出，温拌OGFC—13 沥青混合料与热拌OGFC—13相比渗水系数略有下降，但是相差不大，完全满足排水沥青混合料对于透水性能的要求。

3.4 疲劳性能

试验采用5cm×5cm×25cm 的棱柱体梁式试件，在MTS810材料试验机上采用半正弦波型荷载，加载频率为10Hz。试验采用三分点加载方式，试验温度为15±0.3℃。按应力控制方式回归出疲劳方程，得到回归参数k和n。

式中：Nf为达到破坏时的重复荷载作用次数；σ为弯拉应力（应力水平）MPa；k,n为试验回归系数。

对疲劳方程两边分别取以10为底的对数，然后进行双对数回归，可以得到一条直线，疲劳方程的参数n和k即为该直线的斜率和截距；其中，n值越大，疲劳曲线越陡，表明疲劳寿命对应力水平变化越敏感；k值表明疲劳曲线的线位高低，其值越大，疲劳曲线的线位越高，材料的抗疲劳性能越好。温拌及热拌OGFC—13沥青混合料的疲劳特性可通过疲劳方程的2 个参数（k和n）来反映[6]。试验结果如表7所示。

从表7 可以看出，温拌OGFC—13 和热拌OG⁃FC—13 随着应力比的增大抗疲劳性能均逐渐降低。在相同的应力比条件下，由疲劳次数和系数k，n对比分析得出，温拌OGFC—13的抗疲劳性能比热拌OGFC—13 的抗疲劳性能好。热拌OGFC—13 沥青混合料在加热过程中混合料部分会出现老化，而温拌OGFC—13沥青混合料由于加热温度降低而未出现老化，所以其抗疲劳性能优于热拌OG⁃FC—13。

表7 温拌与热拌OGFC—13疲劳试验结果

3.5 水稳定性能

水损坏是指沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入沥青与集料的界面上，使沥青黏附性降低并逐渐丧失黏结力，沥青膜从石料表面脱落，沥青混合料掉粒、松散，继而形成沥青路面的坑槽、推挤变形等的损坏现象[7]。

本文采用浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验来进行温拌OGFC—13 和热拌OGFC—13 的水稳定性能对比研究，试验结果如表8、表9所示。

表8 浸水马歇尔试验结果

表9 冻融劈裂试验结果

从表8 和表9 可以看出，温拌OGFC—13 沥青混合料与热拌OGFC—13沥青混合料水稳定性能均满足规范要求，温拌OGFC—13 与热拌OGFC—13沥青混合料相比水稳定性能结果相差很小。

3.6 抗剪性能

沥青路面的车辙形成一般分为三个阶段：压密阶段、稳定阶段与剪切流变阶段。第一阶段主要是由于施工压实时的剩余空隙等因素，高温时，在车辆的碾压作用下形成再压实；第二阶段相对较长，主要还是高温时车辆碾压形成再压密；第三阶段是由于高温时荷载形成的剪切应力超过材料的剪切强度而形成的剪切流动。前两个阶段可以通过改进施工工艺等措施加以控制，而且其数值一般不影响车辆的正常通行。一般认为，影响沥青路面车辙形成的关键是沥青路面在车辆荷载作用下的剪切流动。

本文采用单轴贯入剪切试验[8]来评价温拌OG⁃FC—13 和热拌OGFC—13 沥青混合料的抗剪切性能。单轴贯入剪切试验是在试件的顶面用一定尺寸的钢制压头以一定速率的力对试件进行加压，来模拟实际路面受力情况的试验，如图4所示。

图4 沥青路面结构受力简化图

采用静压成型尺寸为100mm×100mm的试件在万能试验机上进行试验。试验采用的条件为：（1）加载速率：1mm/min；（2）压头尺寸：28.5mm；（3）试验温度：60℃，在控温箱中试验，保温至少6h。

单轴贯入剪切试验结果如表10所示。

表10 单轴贯入试验结果

从表10可以看出，温拌OGFC—13沥青混合料与热拌OGFC—13的内摩擦角相差较小，这是由于两种混合料采用相同级配，而内摩擦角的大小主要又是由级配造成的。从抗剪强度和黏聚力方面来比较，温拌OGFC—13的抗剪强度和黏聚力均比热拌OGFC—13 的高，原因是：①热拌OGFC—13 沥青混合料较温拌OGFC—13 沥青混合料加热的温度高，沥青老化程度高，其黏结力降低幅度大[9]；②温拌OGFC—13沥青混合料加入温拌剂后，一定程度上增加了沥青的黏度。

4 结论

（1）分别对温拌OGFC—13 与热拌OGFC—13进行车辙试验、低温约束温度应力冻断试验、浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验和渗水系数试验，结果表明：温拌OGFC—13 与热拌OGFC—13 相比，高温稳定性能、低温抗裂性能、水稳定性能和透水性能略有下降但相差不大，均满足规范要求。

（2）对温拌OGFC—13 与热拌OGFC—13 进行棱柱体梁式疲劳试验和单轴贯入剪切试验，结果表明：温拌OGFC—13的抗疲劳性能及抗剪切性能优于热拌OGFC—13。

（3）温拌排水沥青混合料是安全、节能、环保的新型的沥青混合料形式，具有重要的研究和推广价值。

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