不同高黏沥青对降噪排水铺装材料性能影响试验研究*

朱志远 周橙琪 周 欣 张 辉

(1.江苏扬子大桥股份有限公司 靖江 214521； 2.江苏中路工程技术研究院有限公司 南京 211806；3.江苏省交通工程建设局 南京 210004)

高速公路的路面要为车辆提供较高的行车安全性，路面结构应具有优异的防滑性能，特别是在雨天。雨天路面容易出现溅水和喷雾现象，给车辆带来很大的安全隐患。降噪排水铺装具有良好的排水、降噪功能，可显著减少雨天行车的水飘、水雾，提高路面抗滑性能，同时可以有效减轻高速行车过程中产生的噪声从而显著提高路面服务水平[1-3]。目前路面工程界对大空隙率的沥青混合料面层，美国称之为开级配磨耗层(open graded friction course，OGFC)，其铺设厚度多为1.5～3.5 cm，作为功能层使用；欧洲称之为多孔隙沥青混合料(porous asphalt，PAC)或排水层(drainage course)，日本则称之为排水性铺面，一般铺设厚度为4～5 cm，作为结构层使用[4-7]。降噪排水铺装是典型的开级配沥青混合料，粗集料的用量占80%以上，在形成粗集料骨架的同时缺乏细集料填充，如果使用普通沥青，则难以使粗集料的骨架产生足够的限制约束作用，必然会造成沥青混合料的感温性差，抵抗车辙、变形的能力差，和易性差等弱点。因此，为了防止沥青热熔滴落堵塞孔隙，同时防止车轮荷载冲击作用下表面骨料飞散，多使用改性后的高黏度沥青。高黏改性沥青一般是指在60 ℃时沥青的黏度大于20 000 Pa·s的沥青，日本于1996年11月颁布了《排水性铺装技术指针(案)》作为其设计施工的规范蓝本，对高黏沥青提出了详细的控制指标，并在全国范围内推广排水性路面的使用，技术成熟。本文采用日本TPS(TAFPACK-Super)改性剂生产的高黏沥青和国产高黏沥青分别制备了2种PAC-13混合料，并对2种混合料的路用性能及复合铺装结构的耐久性进行了相关研究。

1 材料及试验

1.1 高黏沥青材料及配合比设计

1.1.1高黏沥青材料特性

采用12%TPS改性剂对基质沥青进行改性。其中，基质沥青采用SK70号道路石油沥青，相关技术指标检测结果见表1，改性后的高黏沥青的试验结果见表2。国产高黏沥青采用市面上采购的成品高黏沥青，相关技术指标检测结果见表3。

表1 SK70沥青技术要求与测试结果

表2 TPS高黏沥青技术指标与测试结果

表3 国产高黏沥青技术指标与测试结果

由表2、表3对比TPS高黏沥青和国产高黏沥青的技术指标发现，国产高黏沥青的针入度和软化点略高于TPS高黏沥青，而60 ℃动力黏度则比TPS高黏沥青高出31.2%。动力黏度大的沥青在荷载作用下产生的剪切变形相对较小，残留的永久塑性变形小，表明国产高黏沥青在高温下抗永久变形能力要优于TPS高黏沥青，后续还将通过混合料的试验研究进行进一步的验证。

1.1.2配合比设计

集料采用南京六合的玄武岩制石料，矿粉采用石灰岩矿粉，水泥采用建筑用水泥普通硅酸盐水泥P·O 32.5，水泥的表观密度为3.100 kg/m3。

1) 矿料级配设计。高黏沥青PAC-13混合料的矿料质量分数比为：1号料(10～15 mm)∶2号料(5～10 mm)∶4号料(0～3 mm)∶矿粉∶水泥=53%∶34%∶9%∶2%∶2%，具体矿料合成级配见表4。

表4 PAC-13混合料矿料合成级配

2) 最佳油石比。PAC-13沥青混合料的马歇尔试件空隙率满足要求为前提，混合料的最佳沥青用量结合谢伦堡沥青析漏试验、肯塔堡飞散试验及混合料的施工和易性综合确定，试验结果见图1。其中，空隙率要求为18%～25%，析漏损失<0.3%，飞散损失<20%。

图1 TPS高黏沥青PAC-13混合不同油石比下的空隙率、析漏百分率、飞散率

综合上述混合料空隙率、谢伦堡沥青析漏试验、肯塔堡飞散试验各设计技术指标要求的情况下，TPS高黏沥青PAC-13混合料最佳油石比采用4.3%。为进一步对比TPS高黏沥青PAC-13混合料和国产高黏沥青PAC-13混合料的路用性能，国产高黏沥青PAC-13混合料拟定油石比为4.3%，采用表4中确定的矿料合成级配，然后对其混合料相关性能指标进行检测，相关试验结果见表5。

表5 不同高黏沥青PAC-13混合料性能指标检测结果

从马歇尔试验、析漏试验和飞散试验结果看，国产高黏沥青采用目前的级配和沥青用量满足设计要求。

1.2 试验方法

参照规程[8-9]采用车辙试验、弯曲试验和浸水马歇尔试验分别对TPS高黏沥青PAC-13混合料和国产高黏沥青PAC-13混合料的高温稳定性、低温抗裂性和水稳定性进行研究。参照规程[10]采用渗水试验和摆式摩擦系数分别对2种高黏沥青PAC-13混合料的渗水性能和抗滑性能进行研究。

制备3 cm国产高黏沥青PAC-13降噪排水面层+6 cm AC-20复合结构车辙板试件(长300 mm×宽300 mm×高90 mm)，并将试件经过5次温度范围为-18～30 ℃反复饱水冻融循环后，在试件表面上一分为四画格(长150 mm×宽150 mm)，并用钻芯机钻取4个深度为1.5 cm、直径为10 cm的圆，再用黏结剂将拉拔头黏贴到钻芯位置，最后在20 ℃温度下测试其拉拔强度，所得拉拔强度可以较好地表征混合料层间的黏聚力，成型过程见图2。

图2 3 cm PAC-13+6 cm AC-20复合结构拉拔试验试件成型

2 结果分析

2.1 高温稳定性

TPS高黏沥青PAC-13混合料和国产高黏沥青PAC-13混合料的高温车辙试验结果见表6。

表6 不同高黏沥青PAC-13混合料高温车辙试验结果

由表6可见，国产高黏沥青PAC-13混合料的动稳定度大于TPS高黏沥青PAC-13混合料，前者混合料的高温稳定性优于后者，这与其沥青胶结料的性能研究结论相吻合。

2.2 低温抗裂性能

2种高黏沥青PAC-13混合料的低温弯曲试验结果见表7。由表7可见，相比国产高黏沥青PAC-13混合料，TPS高黏沥青PAC-13混合料的跨中挠度较大，劲度模量较小，破坏应变较高，具有更好的低温抗裂性能。

表7 2种高黏沥青PAC-13混合料低温小梁弯曲试验

2.3 水稳定性

2种高黏沥青PAC-13混合料的浸水马歇尔试验结果见表8。

表8 2种高黏沥青PAC-13混合料浸水马歇尔试验结果

对比2种混合料的标准养生条件下的稳定度，2种混合料的强度相接近。从2种混合料的浸水残留稳定度来看，两者相接近，分析原因，主要是由于2种混合料采用的级配和油石比都一样，空隙率也较为接近，因而水稳定性差异不大。

2.4 渗水性能

大孔隙开级配沥青混合料最重要的特性是透水性。采用常规渗透仪测试室内成型的车辙板测试渗透系数，评价2种高黏沥青PAC-13混合料的渗水性能见表9。

表9 2种高黏沥青PAC-13混合料渗水性能试验结果 mL/ 15 s

由表9可见，国产高黏沥青PAC-13混合料的渗水性能略优于TPS高黏沥青PAC-13混合料。分析原因认为，前者的空隙率是22.9%，后者的空隙率是22.5%，前者的空隙率略大于后者，而混合料内部的连通空隙越大，渗水能力就越强[11]。

2.5 抗滑性能

采用摆式摩擦系数测定仪对2种高黏沥青PAC-13混合料的抗滑性能进行评价，试验结果见表10。

表10 2种高黏沥青PAC-13混合料抗滑性能试验结果

从表10摩擦系数来看，2种高黏沥青PAC-13混合料的抗滑性能差异不大。

2.6 复合件抗冻融性能

降噪排水铺装由于其大空隙结构，冬季结冰对结构是否有损伤，损伤的程度如何，一直备受关注，本文对国产高黏沥青PAC-13+AC-20复合试件的抗冻融性能的研究结果见表11。

表11 复合试件冻融前后混合料拉拔强度

由表11可见，复合试件经过5次饱水冻融循环后，进行复合件拉拔强度检测，由于PAC-13混合料黏聚力不足，破坏界面均出现在PAC-13混合料中，拉拔强度从0.97 MPa降到了0.72 MPa，降低了26%，说明连续的饱水冻融循环对大空隙沥青混合料的抗冻融性能影响很大。在降噪排水铺装设计过程中应加强防排水设计，在使用过程中应减少铺装层内空隙的阻塞，减少表面水在铺装层内的存留，减少饱水冻融对铺装层使用性能的影响。

3 结论

1) 通过对TPS高黏沥青和国产高黏沥青的性能研究发现，国产高黏沥青在高温下时抗永久变形能力优于TPS高黏沥青。

2) 通过对2种高黏沥青PAC-13混合料路用性能的研究发现，2种混合料均具有良好的路用性能，相关指标均满足国内规范要求。

3) 通过复合件拉拔试验评价降噪排水铺装结构的抗饱水冻融性能，国产高黏沥青PAC-13+AC-20的复合试件经过5次饱水冻融循环后，拉拔强度下降26%，连续的饱水冻融循环对大空隙沥青混合料的抗冻融性能影响很大，建议在降噪排水铺装设计过程中加强防排水设计。