排水沥青混合料PAC-13材料组成设计研究

陈剑 陈杰 王彬

摘要：为了研究排水沥青混合料PAC-13材料组成设计，文章进行了2.36mm筛孔通过率对排水沥青混合料体积指标的影响规律研究以及油石比对排水沥青混合料的空隙率、连通空隙率、沥青析漏损失、混合料飞散损失的影响规律研究，提出排水沥青混合料PAC-13矿料级配设计方法及最佳油石比确定方法，并对设计的排水沥青混合料PAC-13进行了路用性能验证。研究结果表明，2.36mm筛孔通过率与排水沥青混合料的空隙率具有高度相关性，油石比对排水沥青混合料性能指标影响显著，采用本文设计方法得到的排水沥青混合料具有良好的路用性能。沥青胶结料性能对排水沥青混合料的抗飞散损失、高温稳定性及水稳定性有显著影响，沥青胶结料软化点、动力黏度及黏韧性指标越高，排水沥青混合料性能越好。

关键词：道路工程;排水沥青混合料;材料组成设计;矿料级配;路用性能

0 引言

排水沥青路面是由80%左右的粗集料和少量的细集料、填料及沥青胶结料组成的骨架-空隙结构，空隙率是常规密级配沥青路面空隙率的3～4倍。由于排水路面特有的大孔隙和骨架嵌锁结构，使排水路面具有良好的降噪、高温抗车辙及抗滑性能，雨天可降低行车水漂和水雾等情况的出现，显著提高路面行车安全性，是世界公认的高安全性、高舒适性和高环保性的功能路面，在日本、美国、欧洲得到广泛的推广应用。近年来，排水沥青路面铺装在国内也引起行業的广泛关注，业内对排水沥青路面的性能进行了较全面的研究。张昶[1]等人通过对比埃索70#沥青、PE改性沥青及PE高粘沥青对排水沥青混合料飞散损失、水稳定性能影响，结果表明空隙率越大，沥青胶结料对排水沥青混合料性能影响越显著。马翔[2-3]等人通过对比4种改性沥青对排水沥青混合料性能的影响，发现沥青胶结料在60℃动力黏度、复数剪切黏度及黏韧性等方面与混合料的耐久性、强度性能、高温稳定性能有良好的相关性，并提出以60℃动力黏度、复数剪切黏度及黏韧性作为排水路面用沥青胶结料选择的关键指标。陈华鑫[4]等人对世界上主要国家采用排水沥青路面的设计方法进行了介绍，认为日本在排水沥青路面设计方法上更为完善，在最佳沥青用量方面，大部分国家主要参考肯塔堡飞散和析漏损失来综合确定。我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）对OGFC设计方法有简单的介绍，也是主要参考日本排水沥青路面设计方法。蒋玮[5]等人通过CT扫描、图像处理及重构技术对多孔沥青

混合料细观空隙特征进行了研究，发现空隙等效直径、空隙数量与混合料性能有良好的相关性。相对于密级配沥青混合料，排水沥青混合料性能受材料组成设计影响更为显著，如何选择性能优良的沥青胶结料及矿料级配将直接影响着排水路面的路用性能。本文研究了矿料级配、油石比及沥青性能对排水沥青混合料性能的影响，均衡透水功能性及高抗飞散性能进行排水沥青混合料PAC-13材料组成设计，并对比验证了两种高粘沥青混合料的路用性能。

1 原材料

试验中的母体沥青分别选用新加坡壳牌70#沥青、国创SBS改性沥青，技术指标如表1所示。试验采用优质的辉绿岩粗集料及石灰岩细集料，填料采用石灰岩矿粉。为了减少试验误差，集料全部采用单粒径进行配料，各档集料表观密度如表2所示。

试验采用某公司生产的高粘剂对两种母体沥青进行改性，加工的高粘沥青A采用70#道路石油沥青，高黏度改性剂内掺量为12%，加工工艺[6-7]为剪切温度170℃+快剪50min+发育120min。加工的高粘沥青B采用SBS改性沥青，高粘剂内掺量为8%，加工工艺为剪切温度180℃+快剪50min+发育120min。采用两种母体沥青制备的高粘沥青关键技术指标如表3所示。

从表3可以看出，在软化点、60℃动力黏度及黏韧性关键技术指标上，高粘沥青B性能明显优于高粘沥青A，本文采用高粘沥青B进行排水沥青混合料性能试验。

2 设计方法

2.1 矿料级配优化设计

本次矿料级配设计参考《排水沥青路面设计与施工技术细则》中矿料级配范围，通过改变2.36mm筛孔通过率，初选粗、中、细3种矿料级配。2.36mm筛孔通过率分别为规范级配范围中值P2.36、P2.36+3%、P2.36-3%。矿料级配如表4所示。

采用式（1）和式（2）分别计算三种矿料级配的初试沥青用量，并进行马歇尔试验。三种矿料级配下体积指标如表5所示。

从图1可以看出，随着2.36mm筛孔通过率增加，混合料的空隙率逐渐减小。在一定范围内，2.36mm筛孔通过率与空隙率具有良好的线性关系，相关系数达到0.975。为了提高其透水性能，以20%目标空隙率进行控制，采用拟合的关系式计算，目标空隙率为20%时，2.36mm筛孔通过率为11%。则优化后的矿料级配如表6所示。

2.2 最佳油石比的确定

以优化后的矿料级配进行5组油石比的析漏试验、肯塔堡飞散试验、马歇尔试验，分别测试不同油石比下的沥青析漏损失、混合料飞散损失、马歇尔试件的体积指标及透水系数。试验结果如表7和表8所示。

根据表7绘制析漏损失及飞散损失与油石比关系曲线，如图2和图3所示。根据表8绘制空隙率、连通空隙率与油石比关系曲线，如图4所示。

由图2可以看出，随着油石比的增加，沥青析漏损失逐渐增大，在油石比达到4.52%时出现“拐点”，当油石比>4.52%时析漏损失急剧增大，这表明当油石比>4.52%时，沥青混合料中的自由沥青急剧增加，已经出现明显的流淌，将不利于施工质量的控制。由图3可以看出随着油石比的增加，飞散损失逐渐减小，在油石比达到4.04%时出现“拐点”，当油石比>4.04%时飞散损失处在较低的水平，这表明油石比>4.04%时，混合料中的结构沥青与细料形成的沥青胶浆具有良好的粘结性能，能够较好地抵抗荷载冲击作用。因此，以析漏损失“拐点”为油石比上限OACmax，以飞散损失“拐点”为油石比下限OACmin，则以析漏试验及飞散试验确定的油石比范围为4.04%～4.52%。

由图4可以看出，随着油石比的增加，空隙率和连通空隙率均逐渐减小，在4.04%～4.52%油石比范围内，空隙率在20.7%～21.%之间，连通空隙率在14.3%～15.3%之间，能够保障混合料具有良好的透水性能。考虑到排水路面最主要的病害类型为飞散掉粒，因此在保证混合料透水功能的前提下尽可能提高结合料含量以提升其抗飞散性能，则取最佳油石比为：OAC=OACmin+0.75（OACmax-OACmin）=4.4%。根据表8及图4可以得到4.4%油石比下混合料空隙率为20.7%的结果，与设计的目标空隙率比较接近，也说明了采用拟合的公式进行排水沥青混合料的矿料级配设计具有可行性。

3 性能验证

分别采用高粘沥青A和高粘沥青B进行肯塔堡飞散试验、60℃车辙试验、浸水马歇尔及冻融劈裂试验。试验结果如表9所示。

由表9可以看出：

（1）高粘沥青B排水沥青混合料的高温性能及水稳定性均能达到较高的水平，这表明采用本设计方法得到的排水沥青混合料具有良好的路用性能，可满足排水沥青路面的使用性能要求。

（2）高粘沥青A排水沥青混合料具有较高的动稳定度，但仍然明显低于高粘沥青B混合料。这主要是因为排水沥青混合料的矿料中粗集料偏多，能形成良好的骨架嵌挤结构，且高粘沥青具有较好的粘结性能和高温稳定性，因此动稳定度能达到较高的水平。而混合料的高温稳定性主要受矿料级配及沥青胶结料性能影响，在矿料级配相同的情况下，高粘沥青B形成的沥青胶浆表现出更优异的粘结性能，因此具有更好的高温稳定性。

（3）高粘沥青A混合料水稳定性明显低于高粘沥青B混合料。这主要是因为排水沥青混合料具有较大的空隙结构，水分较容易进入混合料内部，经过冻融循环后对混合料内部的沥青胶浆粘结性能造成较大的影响，沥青胶结料的性能会显著影响排水沥青混合料的水稳定性。

（4）根据表3和表9可以看出，沥青胶结料的动力黏度、软化点及黏韧性越高，排水沥青混合料的抗飞散性能、高温稳定性及水稳定性越好。以软化点、60℃动力黏度及黏韧性作为沥青胶结料选择的关键控制指标可有效改善排水沥青混合料的路用性能。

4 结语

（1）矿料级配对排水沥青混合料体积指标有显著影响。2.36mm筛孔通过率与空隙率具有良好的相关性，对优化设计的矿料级配进行验证后，得出最佳油石比下的空隙率为20.7%的结果，与设计的目标空隙率较一致，说明采用此方法进行排水沥青混合料的礦料级配设计具有可行性。

（2）采用沥青析漏损失及飞散损失“拐点”的方法确定排水沥青混合料的油石比范围，综合考虑透水功能性及高抗飞散性后确定排水沥青混合料最佳油石比为4.4%，并验证了此油石比下高粘沥青B混合料具有良好的路用性能。

（3）根据高粘沥青A和高粘沥青B的性能及混合料路用性能的对比，表明沥青胶结料对排水沥青混合料性能有显著影响。在进行排水沥青混合料设计时，应以软化点、60℃动力黏度及黏韧性作为主要技术指标进行控制，有利于改善排水沥青混合料路用性能。

参考文献：

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[8]JTGF40-2018，公路沥青路面施工技术规范[S].