透水沥青混合料老化特性分析

于保阳，孙宗光，齐 琳

(1.大连海事大学交通运输工程学院，辽宁 大连 116026；2.沈阳建筑大学交通工程学院，辽宁 沈阳 110168；3.沈阳城市建设学院土木工程系，辽宁 沈阳 110167)

透水沥青混合料与普通密级配沥青混合料相比，具有改善路面排水、有效降低路表积水引起的水雾以及降低噪声等诸多优势[1-2]。透水沥青混合料因空隙大，易产生老化，致使沥青变脆，在行车荷载和冰胀力作用下发生松散、剥落等路面病害，进一步引起其耐久性衰变[3]。另外，若空隙率偏小，会直接妨碍路面排水。因此，选择合适空隙率减轻透水沥青混合料的老化问题显得格外重要。目前很多学者从高黏改性沥青和掺加聚脂纤维角度出发探究透水沥青混合料的老化特性。赵少宗[4]以新型TPS、SBS、日本TPS进行沥青改性，并通过对比分析证明了新型TPS提升沥青抗老化性能与混合料耐久性的高效性。马翔等[5]以SBS改性沥青、高黏沥青以及掺入聚酯纤维的改性沥青制备混合料，并对比研究热老化对透水沥青混合料的影响。通过高黏剂、聚酯纤维进行沥青改性均能实现一定程度的抗老化，且对水稳定性能进一步改善。

透水沥青路面除了可靠的结构设计外，还应为路面的及时养护实现其耐久性变化规律的预测，以期延长路面使用寿命[6]。目前路面性能预测方法主要有神经网络法、贝叶斯方法、灰色理论法、马尔科夫模型等[7-9]。基于此，笔者考虑其大空隙率特点，以不同老化时长进行透水沥青混合料的路用性能研究，对预测模型进行适用性研究后，建立基于灰色-马尔科夫预测模型，预测经过老化作用后透水沥青混合料的路用性能。

1 透水沥青混合料原材料及配合比设计

1.1 原材料

由于透水沥青路面与紫外线、氧、水等环境因素的直接接触，同时受到车辆荷载作用使得沥青结合料与集料的粘结力削弱，加快了松散和剥落等一系列问题的发生，最终导致路面发生损坏。粗集料的吸水率对透水沥青混合料的低温、水稳定性的影响很大[10]。因此在选用粗集料时，在其他指标满足要求的前提下，应当着重考虑含水率指标。粗集料选用石灰岩，含水率为0.93%。细集料的种类包括机制砂、天然砂和石屑。天然砂表面粗糙度小与沥青的粘附性弱。石屑中粉尘含量过高，扁平状含量较大，不易于施工压实。机制砂表面粗糙且质地坚硬，同时沥青与石料的粘附性好坏和石料的酸碱性有关[11-13]，因此细集料选用碱性的机制砂。基质沥青选用辽河90#沥青。改性剂为国产OLB-1型高黏改性剂，形态外观为淡黄色半透明球状颗粒，改性剂的加入对基质沥青具有加筋、增粘、抗老化等多重改良效果，用外掺法选取改性剂掺量为12%。测试高黏沥青各项指标均符合要求。

1.2 混合料配合比设计

为了得到具有较佳排水功能并拥有良好性能的矿料级配，参考安徽省六潜高速公路选用的OGFC-13级配[13]，确定所用级配如图1所示。以此级配结合3种油石比4.5%、5.1%、5.7%成型试样，并测量试样空隙率依次为19%、21%、24%。

图1 透水沥青混合料(OGFC-13)级配Fig.1 The permeable asphalt mixture gradation(OGFC-13)

2 不同老化时长下透水沥青混合料的路用性能

通过结合密级配沥青混合料老化的研究，对透水沥青混合料老化试验的老化时间、温度做出调整。将混合料均匀摊铺在搪瓷盘上，摊铺量为21～22 kg/m2，老化温度为165 ℃，老化时长采用2、4、6、8、10 h。以此方案探究不同空隙率的混合料随老化时间增加所引起的路用性能变化。

2.1 高温稳定性

根据笔者提出的老化实现方法，对19%、21%、24%不同空隙率透水沥青混合料进行老化，并进行车辙试验，以动稳定度为评价指标，试验结果如图2所示。从图2可以看出，前6 h老化后的透水沥青混合料动稳定度有明显增加，6～10 h的动稳定度有进一步的增加。空隙率为24%的透水沥青混合料的增加幅度最大，空隙率为19%的增加幅度最小，空隙率透水沥青混合料老化后的高温稳定性由大到小排序为24%、21%、19%。

图2 动稳定度随老化时间的变化规律Fig.2 Variation of dynamic stability with aging time

2.2 低温稳定性

对空隙率为19%、21%、24%老化后的透水沥青混合料，进行小梁低温弯曲试验，评价透水沥青混合料的低温抗变形能力。试验结果如图3所示。分析图3可知，透水沥青混合料经过不同老化时间后，透水沥青混合料的抗弯拉强度和最大弯拉应变随老化时间的延长呈递减趋势。空隙率24%试样的低温性能随老化时间无显著变化。而空隙率19%试样随老化时间增加，低温性能显著下降。表明空隙率19%的试样具有较佳的抗老化能力。透水沥青混合料老化后的低温稳定性由大到小排序为：19%、21%、24%。

图3 低温性能指标变化规律Fig.3 Variation of low temperature stability with aging time

2.3 水稳定性

基于冻融劈裂试验研究透水沥青混合料在老化后的水稳定性能变化规律，结果如图4所示。

图4 水稳定性随老化时间的变化规律Fig.4 Variation of water stability with aging time

分析图4(a)可知，未冻融的试样在老化过程中前6 h，透水沥青混合料随老化时间增加，其劈裂强度不断增加，在6 h之后出现大幅度下降。分析图4(b)可知，冻融的试样在老化过程中前4 h，透水沥青混合料随老化时间增加，其劈裂强度不断增加，而4 h后发生显著下降。通过观察发现，空隙率24%的试样由于长时间老化，局部发生松散破坏。通过图4(a)、图4(b)对比分析发现，长时间老化后会使混合料的水稳定性能下降。分析图图4(c)可知，空隙率为19%、21%、24%的试样初始冻融劈裂比依次为93.9%、84.1%、79.9%。不同空隙率的试样由于时长的增加呈现出不同的状态。尤为突出的是，时长增至10 h时，空隙率19%的试样冻融劈裂强度比下降了14.9%。其水稳定性能显著性下降主要是因为沥青含量较高，且持续老化。另外，此时空隙率为19%的冻融劈裂比大于其他空隙率。综上所述，透水沥青混合料老化后水稳定性能由大到小排序为：19%、21%、24%。

3 不同老化时长的透水沥青混合料的微观形貌分析

对经过不同老化时长的试样用夹具取出其内部直径约为0.3～0.5 cm的试样。以便结构面的观测，需对试样喷射金粉。图5为喷金处理后的试样。

图5 喷金处理后的试样Fig.5 Specimens after golden spraying process

不同老化时长的试样放大500倍的SEM图像如图6～图8所示。通过SEM电镜放大500倍后所得的图6～图8可观察到，初始时的沥青膜较为光滑。集料与集料界面处的沥青膜随老化时长的增加变得更为粗糙，颜色变深。该现象是由于老化作用减少了沥青中饱和酚、芳香分含量，沥青质增加，导致界面处外露沥青变脆硬且易剥落，在光滑的沥青膜表面形成深浅不一的坑穴。

图6 空隙率19%的试样对应不同老化时长的微观形貌图Fig.6 Microscopic morphology of permeable asphalt mixture with a porosity of 19% after different aging time

图7 空隙率21%的试样对应不同老化时长的微观形貌图Fig.7 Microscopic morphology of permeable asphalt mixture with a porosity of 21% after different aging time

图8 空隙率24%的试样对应不同老化时长的微观形貌图Fig.8 Microscopic morphology of permeable asphalt mixture with a porosity of 24% after different aging time

运用图像分析软件Image J对SEM图像处理，提取剥落面积进行定量分析。沥青膜剥落面比例比为沥青膜剥落面积除SEM图像总面积，计算结果如图9所示。

图9 沥青膜剥落面积随老化时间变化规律Fig.9 Variation of spalling area of asphalt film with aging time

从图9可以看出，自始至终，空隙率为24%的试样沥青膜剥落面积比例随老化时间迅速上升。该现象的出现主要是因为未老化时，与其他空隙率试样相比空隙率24%试样的沥青膜较薄，在老化作用下更易剥落，致使集料凸显，且随老化时长的增加而发生大面积剥落。与空隙率21%、24%的试样相比，空隙率19%的试样沥青膜较厚。观察整个老化过程，沥青膜形貌变化程度较小，表明沥青膜厚度对混合料抗老化性能有重要影响，抗老化性能随沥青膜变薄而变差。

4 老化作用下透水沥青混合料路用性能的衰变规律

灰色-马尔科夫模型兼具灰色模型与马尔科夫模型的优势，因此以灰色-马尔科夫模型进行性能预测研究。先以试验数据构建灰色模型，并拟合出方程。然后通过残差相对值对耐久性能状态进行合理划分，并构建状态转移矩阵。最后，验证状态是否满足马氏性检验，若满足，修正灰色模型的预测值。

4.1 灰色-马尔科夫模型预测

综合考虑经过老化作用后透水沥青混合料路用性能的平衡，选用抗老化效果较强的空隙率为19%试样进行模型预测研究。首先基于其路用性能指标构造灰色模型，以0、2、4、6、8 h以上5个老化时长的冻融劈裂比构造GM(1,1)模型，并以此模型对试验数据扩充。以累计试验数据进行马尔科夫模型的建立，并通过修正灰色模型的预测值提高预测精度。

(1)构造原始数据数列

X(i)=(94.3,92.4,90.31,87.63,83.31).

(19)

(2)累加处理后数据序列

Y(k)=(94.3,186.7,277.01,364.64,447.95).

(20)

(3)构造数据向量Y和数据矩阵B

Y=(92.4,90.31,87.63,83.31).

(21)

BT=

(22)

(4)基于MATLAB计算待定系数a=0.030 9、b=97.092 9。

进而得到冻融劈裂强度比灰色预测方程：

(23)

(5)不同老化时长对应残差相对值所处状态如表1所示。

表1 不同老化时长对应残差相对值所处状态Table 1 Status of residual relative values with different aging time

(6)由不同老化时长对应残差相对值所处状态，构造一步转移概率矩阵：

(24)

表2 边际概率值Table 2 Marginal probability values

表3 统计量计算表Table 3 Statistical calculation table

4.2 模型精度验证

透水沥青混合料老化时间9 h和10 h的冻融劈裂比计算。

构建转移矩阵后，基于某一老化时长相应状态对下一时刻相应状态进行预测。由老化时长8 h时所处状态E1确定其残差相对值初始向量为v0=(1,0,0)，并由一步转移概率得到老化9 h的状态分布为

(25)

计算可得两步转移概率矩阵为

(26)

5 结 论

(1)透水沥青混合料混合料经过老化作用后，动稳定度呈现增大的趋势；对比混合料老化前后的抗弯拉强度和冻融劈裂强度比均有不同程度的降低。基于高温低温、水稳定性的综合考量，建议可采用抗老化性较佳的透水沥青混合料空隙率为19%。

(2)从微观层面上解释了透水沥青混合料宏观路用性能的差异。相比于空隙率21%、24%，当空隙率为19%时，混合料沥青膜具有较小的微观形貌变化，有利于透水沥青混合料抵抗老化。

(3)基于老化时长与路用性能所构建的灰色-马尔科夫模型，能较准确的由状态转移矩阵预测透水沥青混合料的性能衰变程度，模型预测精度较高。