排水沥青混合料路用性能研究

张 建

(福州市规划设计研究院 福建福州 350000)

0 引言

随着我国经济社会的发展，我国交通运输事业发展迅猛，城市地表逐渐被建筑物和硬化路面等不透水材料覆盖。虽然，硬化路面给人们的出行和交通运输带来极大方便，但也给生态环境带来极大影响。

实践表明，以排水沥青混合料铺筑而成的排水沥青路面是一种安全、舒适、环保的典型路面结构，若推广该路面结构，将有效减少对生态环境的影响。然而，目前针对排水沥青混合料的性能研究与设计仍存在诸多问题。若能对排水沥青混合料的路用性能展开深入研究，进而提升排水沥青混合料的性能，无疑具有重要的研究价值。

本研究将通过一系列试验，了解孔结构对排水沥青混合料路用性能的影响，并参照相关文献调研和试验研究成果，为福建省排水沥青混合料的各项路用性能指标提出技术建议。

1 基本物理指标

1.1 马歇尔稳定度和流值试验

我国规范对于不同的混合料类型均提出相应的稳定度和流值要求。对于排水沥青混合料，规范要求其稳定度≥3.5kN，但未给出具体的流值要求[1]。

鉴此，本研究选用高粘改性沥青进行马歇尔稳定度和流值试验，试验结果如表1所示。

表1 排水沥青混合料马歇尔试验结果

由表1可知，当空隙率增大时，其马歇尔稳定度降低，而流值增大。马歇尔稳定度基本在5～7kN范围内，均满足我国规范要求。流值基本在15～30(0.1mm)范围内，除了空隙率为18%外，均符合我国规范对于普通沥青混合料的流值要求。

1.2 飞散试验

飞散试验用于评价由于沥青用量不足或者沥青粘结力不足而导致路表面集料在车辆荷载作用下脱落的程度。本研究选用高粘改性沥青进行飞散试验，试验结果如图1所示。

图1 排水沥青混合料飞散损失试验结果

由图1可知，飞散损失率随空隙率的增大而增大，且飞散损失率均小于10%，满足我国规范针对排水沥青混合料的要求(飞散损失率≤20%)。同时说明，本试验所采用的高粘改性沥青，其沥青含量高，能够形成较厚的沥青膜，保证其具有足够的粘聚力。

1.3 析漏试验

析漏试验用于检测高温状态下从沥青混合料中析出多余沥青的数量。本研究选用高粘改性沥青进行析漏试验，试验结果如图2所示。

图2 排水沥青混合料析漏试验结果

由图2可知，对于排水沥青混合料，析漏损失率随着空隙率的增大而减少。我国现行规范要求其析漏损失率≤0.3%，因此只有空隙率为22%析漏损失率满足要求。经文献调研发现，析漏试验最初用于确定SMA是否会发生流淌，其析漏损失率≤0.3%标准也是根据SMA制定。曹东伟[2]、杨军[3]等人也指出，该标准应用于排水沥青混合料不合理。故实际应用时，需要通过试验来确定其适合的析漏值。

2 高温稳定性

福建省地区夏季路面温度常常超过60℃，有时甚至可达到70℃以上。如果排水沥青路面的高温稳定性不足，其在重载和高温作用下，极易发生车辙等病害，将严重影响路面的使用性能。

2.1 试验方法

评价沥青混合料高温稳定性的方法很多，主要有：车辙试验、马歇尔试验、贯入度试验。由于车辙试验更接近实际的情况，能更好地反映出路面的高温稳定性，故本研究采用车辙试验来评价排水沥青混合料的高温稳定性[4]。

2.2 试验结果分析

本研究选用高粘改性沥青进行车辙试验，试验结果如图3～图4所示。

图3 排水沥青混合料车辙试验曲线

图4 排水沥青混合料车辙试验结果

由图3～图4可知，当空隙率增大时，其变形量增大，而动稳定度减少。3种级配的变形量在前200s差别较小，但在200s后开始出现较大的差别，且差别越来越大。

针对排水沥青路面，我国规范要求一般交通路段的动稳定度≥1500次/mm，重交通量路段的动稳定度≥3000次/mm。对于交通量小且重载少的市政道路，建议采用动稳定度不小于1500次/mm的标准。从图4可以看出，只有空隙率为18%和20%时，满足规范要求。

3 水稳定性

当排水沥青混合料的空隙率达到15%以上时，相比于一般沥青混合料，其内部结构更容易与水接触，也更容易发生水损坏。因此，有必要研究其水稳定性，进而提高其使用寿命。

3.1 试验方法

评价排水沥青混合料水稳定性的方法很多，主要有：浸水飞散试验、浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验、浸水车辙试验和冻融劈裂试验方法等。由于排水沥青混合料具有大空隙率，极易发生松散和飞散等问题，故本研究采用浸水飞散试验来研究排水沥青混合料的水稳定性。该试验通过不浸水与浸水试件的飞散损失率比值来评价其水稳定性，该比值越大其水稳定性越好。

3.2 试验结果分析

本研究选用高粘改性沥青进行浸水飞散试验，试验结果如表2所示。

表2 排水沥青混合料浸水飞散损失试验结果 %

由表2可知，随着空隙率增大，排水沥青混合料的浸水飞散损失率增大，而不浸水与浸水的飞散损失率比值未表现出明显的规律。对比飞散试验，可以发现，浸水飞散损失率普遍比不浸水飞散损失率大。

对于排水沥青混合料的浸水飞散损失率，我国规范未给出相应的技术要求。文献调研发现，西班牙和美国等国家要求其浸水飞散损失率≤30%，而表2的试验结果均满足国外的技术要求。

4 抗滑性

福建省地区夏季高温多雨，为保证路面的行驶安全，要求路面应具有较好的抗滑性。因此，有必要研究排水沥青混合料的抗滑性。

4.1 试验方法

评价沥青路面的抗滑性主要有两个指标：摩擦系数和构造深度。前者可采用便携式摩擦仪测定，后者可采用铺砂法测定。本研究采用铺砂法测定排水沥青混合料的构造深度。

4.2 试验结果分析

本研究选用高粘改性沥青，采用铺砂法研究其构造深度及其抗滑性。试验结果如图5所示。

图5 排水沥青混合料构造深度

由图5可知，随着空隙率增大，其构造深度逐渐增大，说明其抗滑性也逐渐提高。我国规范要求一般沥青路面的抗滑标准为构造深度>0.55mm，而本试验结果远高于该要求，表明排水沥青混合料具有良好的抗滑性。

5 路用性能与孔结构关系

孔结构特征参数主要包括：粗集料占有率、粗集料级配、空隙面积占有率、空隙等效直径和级配分形维数等。排水沥青混合料的路用性能主要包括：高温稳定性、水稳定性、渗水性和抗滑性等。研究发现，影响排水沥青混合料路用性能的孔结构特征参数主要有空隙面积占有率、空隙等效直径和级配分形维数等。

前面研究表明，空隙率能显著影响排水沥青混合料的路用性能，但相同的空隙率也可能对应不同的级配。故本研究将研究级配分形维数对排水沥青混合料路用性能的影响。试验结果如表3所示。

表3 级配分形维数与路用性能的关系

分析表3可知，随着级配分形维数增大，马歇尔稳定度和动稳定度均减少，而浸水飞散损失率增大，即其高温稳定性和水稳定性均呈下降趋势。由于集料粒径越大，级配分形维数越大，因此要提高排水沥青混合料的路用性能，集料级配在满足空隙率要求的前提下，应尽量减少集料的级配分形维数，即降低大粒径集料比例。

由于孔结构参数如空隙面积占有率和空隙等效直径在不同方向上的差别较小，表现出各项同性。故本研究忽略方向对孔结构参数的影响，选取竖向空隙面积占有率和空隙等效直径作为孔结构参数，对比不同空隙面积占有率和空隙等效直径对路用性能影响，对比结果如表4所示。

表4 空隙特征与路用性能的关系

分析表4可知，随着空隙面积占有率和空隙等效直径的增大，马歇尔稳定度和动稳定度均减少，而浸水飞散损失率增大，即其高温稳定性和水稳定性均呈下降趋势。由于大粒径集料所占比例越多，空隙等效直径越大，因此，为提高排水沥青混合料的路用性能，在满足空隙率要求的前提下，应尽量减少空隙等效直径，即降低大粒径集料的比例。

6 工程技术建议

6.1 路用性能指标统计分析

本研究通过总结国内针对排水沥青混合料的相关研究[5-9],并结合试验研究成果对福建省排水沥青混合料的各项路用性能指标提出技术建议。

6.1.1马歇尔稳定度

国内排水沥青混合料马歇尔稳定度与空隙率之间的关系，如图6所示。

图6 马歇尔稳定度与空隙率关系

分析图6可知，采用不同的改性沥青和级配，其稳定度变化范围为4～10kN。即使空隙率相同时，其稳定度也存在较大差别。随着空隙率的增加，马歇尔稳定度大致呈下降趋势。国内试验测得马歇尔稳定度较高，其均值约为7kN，均能够满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)[1]要求。分析认为，造成马歇尔稳定度较高的主要原因，是由于采用了高粘改性沥青，从而提高了沥青与集料之间的粘结力。另外，即使是采用普通的SBS改性沥青，其稳定度也约为3.8kN，亦能满足现有的规范要求。该现象表明，我国规范规定的马歇尔稳定度值≥3kN偏低。

综合考虑试验实测成果以及国内研究结果，本研究建议，福建省排水沥青混合料的马歇尔稳定度值选取≥5kN。

6.1.2飞散损失与析漏损失

国内排水沥青混合料的飞散损失率和析漏损失率分别与空隙率之间的关系，如图7～图8所示。

图7 飞散损失率与空隙率关系

图8 析漏损失率与空隙率关系

分析图7可知，由不同改性沥青拌和而成的排水沥青混合料随着空隙率增大，其飞散损失率也逐渐增大。采用不同的改性沥青对其飞散损失率影响显著，在相同的空隙率下，其变化范围可达到3%～13%。排水沥青混合料的飞散损失率均值为7.5%，满足现有规范要求。当空隙率达到25%时，飞散损失率也小于15%，说明高粘改性沥青的抗飞散性能优越。

综合以上研究，建议福建省排水沥青混合料采用高粘沥青，且要求其飞散损失率<15%。

分析图8可知，在不同空隙率甚至是相同的空隙率下，排水沥青混合料的析漏损失率均有较大的差别。如空隙率为20%的排水沥青混合料，其析漏损失率从0.3%变化到0.6%。从统计结果显示，排水沥青混合料析漏损失率均值为0.35%，而我国规范要求其析漏损失率≤0.3%。综合前面研究发现，由于析漏试验最初用于确定SMA是否会发生流淌，其析漏损失率≤0.3%的标准也是根据SMA制定的，但直接应用于排水沥青混合料无充分的依据。

本研究建议，福建省排水沥青混合料的析漏损失率选取<0.8%。

6.1.3高温稳定性

国内排水沥青混合料的动稳定度与空隙率之间的关系，如图9所示。

图9 动稳定度率与空隙率关系

分析图9可知，在不同空隙率甚至是相同空隙率下，由不同改性沥青拌和而成的排水沥青混合料的动稳定度均有较大的差别。其动稳定度变化范围从2000次/mm变化到9000次/mm，动稳定度均值为5630次/mm。特别是当空隙率为20%时，其动稳定度从972次/mm变化到9000次/mm，变化幅度大。该现象表明，排水沥青混合料的动稳定度受改性沥青性质的影响很大，故建议采用高粘改性沥青，以提高动稳定度。

由于福建省属于高温地区，相比其他地区更容易产生车辙病害，因此建议福建省排水沥青混合料的动稳定度选取≥1500次/mm。

6.1.4水稳定性

国内排水沥青混合料的浸水飞散损失率与空隙率之间关系如图10所示。

图10 浸水飞散损失率与空隙率关系

分析图10可知，不同空隙率的排水沥青混合料，其浸水飞散损失率差别很大，变化范围为5%～ 30%。即使是在相同空隙率下，其浸水飞散损失率差别也较大。经综合考虑试验实测成果以及国内研究结果，本研究建议福建省排水沥青混合料浸水飞散损失率选取<20%。

6.1.5构造深度

国内排水沥青混合料的构造深度与空隙率之间的关系，如图11所示。

图11 构造深度与空隙率关系

分析图11可知，随着排水沥青混合料空隙率增大，其构造深度呈增大趋势。排水沥青混合料的构造深度主要集中在1.8mm～2mm，其均值为1.96mm，均满足>0.55mm的规范要求。由于排水沥青混合料具有大空隙率，所以有良好的抗滑稳定性。

经综合考虑试验实测成果以及国内研究结果，本研究建议福建省排水沥青混合料的构造深度选取≥1.6mm。

6.2 排水沥青混合料路用性能指标技术建议

综合以上研究分析，本研究得到了孔结构对排水沥青混合料各项路用性能(高温稳定性、水稳定性、渗水性和抗滑性)的影响。同时，还通过相关文献调研与本研究试验研究结合，提出了福建省排水沥青混合料的各项技术建议，如表5所示。

表5 排水沥青混合料的技术建议

7 结论

本文通过对排水沥青混合料的路用性能进行相关研究，得到以下主要结论：

(1)当空隙率增大时，其马歇尔稳定度与析漏损失率降低，而流值与飞散损失率增大。

(2)随着空隙率增大，其高温稳定性与水稳定性呈下降趋势。采用高粘改性沥青拌和而成的排水沥青混合料具有较好的水稳定性。

(3)随着空隙率增大，其构造深度逐渐增大，因而具有良好的抗滑性。同时，沥青性质对其抗滑性影响较小。

(4)随着级配分形维数、空隙面积占有率和空隙等效直径增大，其高温稳定性和水稳定性呈下降趋势。因此，为提高排水沥青混合料路用性能，在集料级配满足空隙率要求前提下，应尽量降低大粒径集料的比例。

(5)基于相关文献调研和试验研究成果，本研究提出了福建省排水沥青混合料的技术建议，对工程实践有一定的借鉴意义。