市政道路排水沥青混合料路用性能评价

■罗 鑫

（深圳市综合交通设计研究院有限公司湖南分院，长沙 410006）

1 引言

相关研究表明，早期的市政道路建设中约有一半以上为不透水路面，道路的硬化处理施工使得地表水无法渗透到土壤中。 随着“海绵城市”理念的兴起，要求城市开发要提高雨水利用率，形成水资源循环生态系统。 而排水沥青路面是海绵城市建设过程中的重要环节， 应实现路面雨水的快速过滤、渗透，增强城市绿色生态发展能力[1-3]。

杨星皓[4]针对国内排水沥青路面的应用发展进行分析，认为混合料的空隙率是影响渗水效果的关键因素；李明亮[5]研究了混合料抗车辙能力与空隙率的关系，认为路面的车辙病害不影响路表排水效果；高桂海[6]采用了不同纤维材料进行排水沥青路面的性能增强试验研究，认为玄武岩纤维对其性能的提升效果作为显著；刘晖[7]结合室内排水沥青路面试验分析，认为混合料空隙率直接影响到路表噪声吸纳效果；许斌[8]结合刹车制动试验分析了排水沥青路面的抗滑性能，认为排水沥青路面的抗滑性能优于普通沥青路面；马翔[9]结合实际排水沥青路面调研分析，认为采用内低外高的横坡施工技术方案可降低混合料空隙堵塞概率。 陈锋[10]通过有限元数值模拟分析，推荐了不同施工组合方案下混合料空隙率的适宜范围；王东凯[11]结合排水沥青路面的长期性能进行研究，认为空隙率的变化是影响路面排水效果和力学性能的关键因素。 上述研究表明：空隙率是排水沥青路面的关键设计参数，直接影响到排水沥青路面的各项路用性能，建立排水沥青路面空隙率和相关路用性能的数学模型，有利于确定排水沥青路面适宜空隙率的设计范围。

本研究采用两种不同高黏剂分别制备OGFC排水沥青混合料，并分别对其空隙率、渗水系数、高温性能、低温性能及动态模量进行研究，探究不同各路用性能随空隙率的变化规律，旨在进一步科学指导排水沥青路面的施工应用。

2 原材料与配合比设计

2.1 集料

研究选用的粗细集料均为玄武岩，其技术指标如表1 所示。

表1 粗细集料技术指标

2.2 高黏改性沥青

排水沥青路面具有混合料空隙率大，内部结构易失稳的特点， 要求沥青胶结料具备较强的黏聚性，能够有效裹附集料表面，促进骨架结构的长期稳定。 研究常采用高黏剂材料与基质沥青融合制备高黏改性沥青，可有效解决集料与沥青胶浆界面剥落等问题。 本文选用TPS 和HVA 两类高黏剂材料制备高黏改性沥青，沥青改性前后的主要技术指标如表2 所示。

表2 沥青技术指标

通过两类高黏改性沥青性能试验对比分析可知（表2），高黏剂材料可以显著提升材料的黏度等级，而相较于TPS 改性剂，HVA 对沥青的改性效果更为显著。

2.3 纤维

排水沥青路面具有大空隙特征，外掺木质素纤维可以起到吸油稳定作用，其技术指标如下：纤维长度为9 mm、 灰分含量为16.5%、pH 值为7.65、含水率为2.36%、吸油率为5.7%。

2.4 填料

本文选用石灰岩矿粉作为混合料的填料，其表观密度为2.76 g/cm3，含水量为0.23%。

2.5 配合比设计

研究选用OFGC-13 级配作为混合料成型的配合比设计级配，为了进一步探究混合料的空隙率与相关路用性能间的关联作用，以13.2 mm 粒径为关键筛孔，调整了0～13.2 mm 内集料的组成比例，共设计了5 组OGFC-13 目标级配，其级配曲线如图1 所示。

图1 混合料OGFC-13 级配曲线

研究采用析漏损失和飞散损失来计算最佳油石比， 以级配一为代表的TPS 改性沥青混合料为例，其析漏损失和飞散损失随油石比的变化曲线如图2 所示。

图2 TPS 改性沥青混合料（级配一）析漏损失、飞散损失-油石比曲线

通过析漏损失、飞散损失随油石比变化曲线的分析可知，级配一下TPS 高黏改性沥青混合料的最佳油石比为5.1%。 同理，对其余不同级配下混合料的油石比进行确定，并测定马歇尔试件的空隙率和有效空隙率，结果如表3 所示。

表3 TPS 改性沥青混合料马歇尔技术指标

由于5 种不同级配对于13.2 mm 关键筛孔的通过率要求不同，使得级配五的大粒径粗集料含量较多，集料整体的比表面积减少，在混合料拌合成型过程中所需的沥青用量减少。 为进一步对比分析HVA 高黏改性沥青混合料的性能差异，需控制HVA高黏改性沥青混合料的空隙率与TPS 改性沥青混合料一致， 采用与TPS 改性沥青混合料相同的5 种级配设计和最佳油石比进行混合料的拌合制备。

3 排水沥青混合料路用性能研究

3.1 渗水系数

渗水系数是评价排水路面渗水效果的关键指标， 传统密实型和SMA 型级配沥青混合料渗水系数均小于600 mL/min，研究采用标准马歇尔试件在特定渗水装置中进行试验，测试单位时间内通过混合料内部结构空隙的体积， 从而计算得到渗水系数。 将不同空隙率下两类高黏改性沥青混合料的渗水系数值进行汇总，如图3 所示。

图3 混合料渗水系数

由图3 和图4 可知，两类不同沥青混合料的渗水系数随空隙率的增大而逐渐增大，当混合料的空隙率大于20%以上时，渗水系数的增长速率更为明显；其主要原因是混合料空隙率增大的同时，内部结构的有效空隙率增大， 当空隙率达到一定程度时，会使得水在压力下水流朝垂直方向流动，进一步拓展了内部空隙连通率，提升了混合料的渗水系数。 而两类混合料在不同空隙率下对应的渗水系数较为接近，说明混合料的渗水系数主要与空隙率大小有关，受混合料中高黏剂类型的影响较小。 将混合料的渗水系数和空隙率进行曲线拟合，能够形成较好的一元二次拟合方程。

图4 混合料渗水系数-空隙率拟合曲线

3.2 高温稳定性

排水沥青路面的空隙率较普通沥青路面更大，亦会对高温缓环境下车辙变形产生影响。 通过对两种不同高黏剂改性沥青混合料的高温性能进行研究， 分析不同空隙率下混合料的动稳定度变化规律，试验结果如图5 所示，将车辙加载60 min 时混合料试件的车辙深度进行汇总，如图6 所示。

图5 不同空隙率下混合料动稳定度变化情况

图6 不同空隙率下混合料车辙深度变化情况

由图5、6 可知， 随着混合料空隙率的增加，动稳定度呈先上升后下降的趋势，车辙深度呈先下降后上升的趋势。HVA 高黏改性沥青混合料的动稳定度整体高于TPS 高黏改性沥青混合料，在5 种不同空隙率下，HVA 高黏改性沥青混合料的动稳定度较TPS 高黏改性沥青分别增长了17.74%、10.42%、9.97%、4.03%和11.07%。当混合料的空隙率在20%左右时， 两种沥青混合料的动稳定度值均达到最大，其主要原因是：排水沥青混合料的结构强度主要靠集料的骨架支撑、嵌挤作用，当混合料的空隙率较小时，混合料中的细集料较多，粗集料的接触面积削弱，骨架嵌挤作用不够明显；当空隙率大于一定程度时，混合料中的油石比有所降低，会削弱材料整体的黏聚性，也会导致混合料的嵌挤能力减低，结构完整性不足。 20.3%空隙率下，TPS 和HVA改性沥青混合料60 min 的车辙深度分别为2.16 mm 和2.07 mm，也验证了HVA 高黏剂对混合料高温性能的增强效果更为显著。

3.3 低温抗裂性

沥青混合料是感温性材料，随着路表温度的变化，混合料的强度和抗裂性能也会随之改变，考虑到冬季雨雪天气下路表温度常低于0℃， 研究采用低温抗裂试验来评价混合料的低温抗开裂性能，对两种高黏剂改性沥青混合料在不同空隙率下的抗弯拉强度、破坏应变等指标进行汇总，结果如图7～9所示。

图7 混合料抗弯拉强度变化情况

图8 混合料破坏应变情况

图9 混合料劲度模量变化情况

由图7～9 可知， 随着混合料空隙率的变大，混合料的抗弯拉强度和破坏应变逐渐降低，劲度模量逐渐增大， 且HVA 高黏改性沥青混合料的各项指标均略高于TPS 高黏改性沥青混合料，在20%左右空隙率下，前者的破坏应变较后者提升了约2%。这是由于HVA 是一种高分子聚合物高黏改性剂材料，与沥青和集料进行拌合后能够显著提升材料的黏聚性和裹附性，增强集料间的嵌挤作用，尽管混合料的空隙率增大会削弱材料整体的强度，但高黏剂中的有效弹性组分能够增强材料的延展性，能够缓解低温环境下外部荷载的开裂破坏影响。

3.4 动态模量

上述研究表明： 混合料空隙率的增大会增强材料的渗水性能，削弱低温抗裂性能，高温性能呈现先上升后下降的趋势。因此，研究选用目标20%空隙率的两类高黏排水沥青混合料进行动态模量试验，温度参数为5℃、20℃、35℃，加载频率分别为1 Hz、5 Hz、10 Hz、15 Hz， 相关试验结果如图10～11所示。

图10 TPS 高黏改性沥青混合料动态模量情况

由图10 和图11 可知，随着试验加载频率的增加，混合料的动态模量逐渐降低，在低频率下HVA高黏改性沥青混合料的动态模量要显著高于TPS高黏改性沥青混合料， 而加载频率为15 Hz 时，两种沥青混合料的动态模量较为接近。 此外，随着环境温度的提高，混合料的动态模量也会逐渐降低，当试验温度达到35℃时， 两种沥青混合料的动态模量相差不大。 相较于高黏剂种类对混合料动态模量的影响， 加载频率和试验温度对其的影响更为显著。

图11 HVA 高黏改性沥青混合料动态模量情况

4 结语

本研究采用TPS 和HVA 高黏剂分别制备排水沥青混合料并进行试验研究，得到以下结论：（1）混合料空隙率的增加会提升排水沥青路面的渗水系数，相较于高黏剂材料类型，空隙率的大小对沥青路面的渗水效果起到直接关键影响作用。 （2）排水沥青路面的高温稳定性随空隙率的增加呈先上升后下降的趋势，20%左右空隙率下混合料的高温稳定性最优， 且HVA 高黏改性沥青混合料高温稳定性优于TPS 高黏改性沥青混合料。 （3）随着混合料空隙率的增加， 材料的低温抗裂性能逐渐降低，但HVA 高黏改性沥青混合料的低温抗裂性能整体优于TPS 高黏改性沥青混合料。 （4）HVA 高黏改性沥青混合料的动态模量略高于TPS 高黏改性沥青混合料，相较于高黏剂类型，加载频率和试验温度对混合料的动态模量影响更为显著。