大空隙沥青混合料水温损伤特性研究

王 皓

(中交建冀交高速公路投资发展有限公司 石家庄市 050000)

排水路面具有易排水、抗滑、噪音低等优点，但由于其空隙结构较大、细集料较少，除了车辆荷载的反复作用，水和温度等外界环境条件也会对沥青混合料产生影响[1-3]，使大空隙沥青混合料很容易产生松散、剥落等水损害现象，破坏路面结构完整性，降低其使用寿命[4-5]。因此，评价水、温环境对大空隙沥青混合料性能的影响尤为重要。

黄学文等[6]研究显示，同样的大空隙OGFC试件，其浸水飞散损失明显大于常规试件的飞散损失，说明水对大空隙沥青混合料的稳定性有很大的影响。冻融循环是一种典型的水温耦合作用，且沥青混合料的强度及水稳定性受冻融循环作用影响显著[7]。耿韩等[8]认为，冻融劈裂试验时的真空饱水对大空隙沥青混合料作用不明显，推荐以60℃浸水飞散损失作为水稳定性评价指标。

水和温度是导致沥青混合料老化的重要因素，但大部分研究考虑的水温耦合过于单一，难以全面掌握其水损坏机理。因此，对比SBS改性沥青，以高粘沥青和玄武岩为原材料，首先通过水煮法评价沥青与集料的粘附性，然后通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及浸水飞散试验进行大空隙沥青混合料PAC-13的水稳定性评价，研究热水浴和冻融循环两种水温耦合作用对大空隙沥青混合料的影响。

1 原材料指标与级配

本试验所用沥青和集料的参数指标如表1和表2所示，均符合规范要求。

表1 沥青技术指标

表2 集料技术指标

本研究按照20%的目标空隙率设计PAC-13大空隙沥青混合料，其级配如表3所示，研究所采用的最佳油石比为4.8%。

表3 PAC-13级配

2 试验方案

为了深入研究水温耦合作用对大空隙沥青混合料水稳定性的影响，对热水浴和冻融循环分别设置不同的试验条件：在60℃水浴中分别浸泡1d、3d、5d以模拟热水浴的影响；在-18℃至60℃环境中分别冻融5次、10次、15次以模拟冻融循环的影响，其中在-18℃下浸水3h后再在60℃下浸水3h为一个冻融循环。

采用浸水马歇尔试验评价热水浴对大空隙沥青混合料水稳定性的影响，采用冻融劈裂试验评价冻融循环对大空隙沥青混合料水稳定性的影响，采用飞散试验分别评价两种水温耦合作用对大空隙沥青混合料水稳定性的影响。

3 粘附性试验

将经过热水浴及冻融循环处理的各样本采用水煮法评定各沥青与玄武岩的粘附性等级，评定结果如表4所示。

表4 沥青-集料水煮法粘附性等级

从表4中结果可知，随水浴时间延长或冻融次数的增加，各沥青与玄武岩的粘附性均逐渐下降，且高粘沥青较SBS改性沥青与玄武岩有更优的粘附性。

4 水稳定性试验

4.1 浸水马歇尔试验

研究过程中将规范中浸水马歇尔试验的浸水48h同等替换为浸水1d、3d、5d，计算其残留稳定度，结果如表5所示。

表5 热水浴下残留稳定度测试结果

由表5中试验结果可知，热水浴条件下，大空隙沥青混合料的强度会逐渐衰减，这是因为沥青混合料试件浸水过程中水分会进到沥青与集料的界面，减弱其间的界面强度，从而降低混合料的强度。对于热水浴作用下的大空隙沥青混合料而言，其大空隙特征使得水更容易进入试件内部，而高温条件也会加速水分子的运动使其强度衰减更显著。两类大空隙沥青混合料中，高粘沥青组成的大空隙沥青混合料表现出更好的抵抗高温水破坏的能力。

4.2 冻融劈裂试验

大空隙沥青混合料在气温较低的寒冷地区应用时，不可避免面临低温冻融环境的考验，因此，本研究进一步通过冻融劈裂试验评价其水稳定性。本研究的两种大空隙沥青混合料在不同条件下的冻融劈裂强度试验结果如表6所示。

表6 冻融循环下劈裂强度比测试结果

从表6中的结果可知：冻融循环会显著降低大空隙沥青混合料的劈裂强度，随着冻融次数越多强度下降越明显，这是因为，在反复的冻融过程中，结冰而产生的冻胀力会对沥青与集料界面产生损伤，从而降低混合料的强度。相比较而言，冻融循环对SBS改性沥青组成的大空隙沥青混合料影响更为显著，由此可见，高粘沥青组成的大空隙沥青混合料具有更好的抗冻融性能，随着冻融次数的增加，优势更明显。

4.3 飞散试验

飞散试验以30r/min的转速旋转300r后混合料的质量损失来评价其水稳定性，损失质量越小，对应的混合料的水稳定性越好，飞散后的试件如图1所示。

从图1中可以看出，两种类型的大空隙沥青混合料在飞散后存在明显的集料颗粒剥落的现象，随着条件作用次数的增加，掉粒现象更显著。其定量关系如表7、表8所示。

表7 热水浴后飞散损失测试结果

从表7和表8的定量对比关系可以看出，随着水浴时间的延长或冻融次数的增加，飞散损失均逐渐增加，而且两种沥青混合料的飞散损失区别十分明显，即高粘沥青组成试件的飞散损失远小于SBS改性沥青组成的试件，进一步说明高粘沥青具有更好的抗水热性能及抗冻融性能，但两种水温耦合作用对大空隙沥青混合料水稳定性的影响程度并无明显的区别。

图1 浸水飞散试验后试件外观

表8 冻融循环后飞散损失测试结果

4.4 分析与讨论

三种试验方法中，浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验并不能很好地区分两种不同类型沥青成型的大空隙沥青混合料的水稳定差异，而飞散试验结果表明高粘沥青成型的大空隙沥青混合料具有更好的水稳定性，这与已有研究结论[5]保持一致。因此，为了全面评价水温环境对大空隙沥青混合料耐久性的影响，需要分别对60℃水浴浸泡后的试件和冻融循环后的试件进行飞散试验。此外，比较表6、表7、表8中的变异系数，三种评价方法中飞散试验的变异性相对较小，试验结果更加可靠。

5 结论

本研究对水-温作用下的SBS改性沥青和高粘沥青组成的大空隙沥青混合料进行了性能试验，评价外部环境对其损伤特性的影响，主要得到如下结论：

(1)热水浴和冻融循环作用均会降低大空隙沥青混合料的水稳定性，而且随着水浴时间的延长或冻融次数的增加，水稳定性都逐渐下降；两种水温耦合作用对大空隙沥青混合料水稳定性的影响程度并无明显的区别。

(2)相比SBS改性沥青，高粘沥青具有更好的抗水热性能及抗冻融性能，相应的大空隙沥青混合料的水稳定性也更高，在排水结构表层中使用高粘沥青能够明显提高沥青路面的抗松散能力，减少及预防水损害的发生。

(3)对大空隙沥青混合料水稳定性进行评价时，浸水飞散试验可以较大程度地去除粗集料间嵌挤作用的影响，更准确地区分沥青种类对其水稳定性的影响。