排水沥青路面抗冻融循环性能研究

刘少华 潘宝峰 许 斌 王丽丽 李耘宇 曹东伟

(大连理工大学交通运输学院1) 大连 116024) (中路高科(北京)公路技术有限公司2) 北京 100088)(交通运输部公路科学研究院3) 北京 100088) (石家庄市交建高速公路建设管理有限公司4) 石家庄 050085)(武汉理工大学交通与物流工程学院5) 武汉 430063)

0 引 言

在我国北方地区，冬季寒冷且昼夜温差大，沥青路面长期处于冻融循环环境中，路面性能受到冻融循环作用的较大影响[1].冻融循环对沥青混合料的作用主要体现在水分对沥青膜的置换作用会影响沥青与集料间的黏结力以及水分凝结成冰后体积增大对沥青混合料产生的膨胀力.冻融循环作用导致沥青面层性能衰减，出现松散、开裂甚至大面积坑槽，极大的影响了沥青路面的使用寿命.

有关沥青混合料的冻融循环试验方法与性能研究，主要分为三个方面：①对于试验规程中的单次冻融循环试验改进，进行多次的冻融循环试验，主要关于冻融温度及冻融时间，如王抒音等[2-4]；②关于冻融循环后沥青混合料路用性能以及力学性能衰减方面的研究，如虎见等[5-8]；③关于沥青混合料冻融损伤以及破坏机理的研究，如赵立东等[9-11].大部分研究内容集中于密级配沥青混合料，对于开级配类型的排水沥青混合料，目前研究较少.排水沥青混合料冻融循环的破坏形式宏观上表现为飞散，微观上分析为沥青与集料界面粘结性能失效，以及胶浆自身的断裂破坏[12].通过室内冻融循环试验研究分析不同级配、不同空隙率的排水沥青混合料冻融循环后的抗飞散能力，同时研究分析聚酯纤维对排水沥青混合料抗冻融循环性能的影响及排水沥青混合料抗无水冻融循环的性能，为排水沥青路面在北方的推广使用提供试验及理论依据.

1 试验材料及方法

1.1 原材料

1.1.1沥青及高黏度改性剂(HVA)

采用SBS改性沥青，加入高黏度改性剂(HVA)制备高黏度改性沥青，其中SBS改性沥青∶高黏度改性剂(HVA)=92∶8(质量比)，性能指标检测结果见表1～3.

表1 SBS改性沥青技术指标检测结果

表2 高粘度改性剂(HVA)技术指标检测结果

表3 高粘度改性沥青技术指标检测结果

1.1.2填料

填料采用石灰岩矿粉，性能指标检测结果见表4.

表4 矿粉技术指标检测结果

1.1.3集料

细集料采用石灰岩，粗集料采用玄武岩，性能指标检测结果见表5～6.

表5 细集料技术指标检测结果

表6 粗集料技术指标检测结果

1.1.4纤维

采用聚酯纤维，性能指标检测结果见表7.

表7 聚酯纤维检测结果

1.2 级配及油石比

本文涉及PAC-13、PAC-16两种级配，其中PAC-13设计了4种不同的空隙率，空隙率分别为18%、20%、22%以及24%.PAC-13采用的油石比为4.6%，PAC-16采用的油石比为4.5%，各级配见表8.

表8 排水沥青混合料级配

1.3 试验方法

1.3.1试件准备

为了研究不同级配和不同空隙率对排水沥青路面抗冻融循环性能的影响、聚酯纤维对排水沥青路面抗冻融循环的性能影响以及排水沥青路面无水抗冻融循环性能，本文设计了5种排水沥青混合料，具体见表9.

表9 排水沥青混合料试件类型

其中，PAC-13A、PAC-13B、PAC-13C、PAC-13D研究分析空隙率对排水沥青路面抗冻融循环性能的影响，PAC-13C、PAC-16研究分析级配对排水沥青路面抗冻融循环性能的影响，在PAC-13C中外掺聚酯纤维0.1%研究分析聚酯纤维对排水沥青路面抗冻融循环性能的影响，PAC-13C研究分析排水沥青路面无水抗冻性能.

1.3.2冻融循环试验设计

参考JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(以下简称《规程》)中T0733-2011的沥青混合料冻融劈裂试验中的冻融试验方法，结合国内外冻融试验研究方法，对冻融循环试验进行相应改进，确定以低温-20 ℃和高温水浴60 ℃交替冻融循环用来模拟冬季、夏季的气候及温度循环，然后进行肯塔堡飞散试验，测试肯塔堡飞散损失.

具体的试验方法如下.

步骤1成型符合要求的标准马歇尔试件，4个试件为一组.

步骤2马歇尔试件饱水浸泡0.5 h，然后真空饱水15 min，恢复常压浸水0.5 h，完成试件饱水.

步骤3将饱水后的试件在-20 ℃下冰冻16 h，然后将试件放入60 ℃水浴箱融化8 h，此为一次循环.

步骤4重复步骤3，将试件反复冰冻及融化，直到达到试验所需循环次数为止.

步骤5将完成冻融循环试验后的马歇尔试件参照JTG E20-2011《规程》T0733-2011中肯塔堡飞散试验方法进行试验，得到肯塔堡飞散损失值.

1.3.3无水冻融循环试验设计

在无雨雪的天气情况，对于排水沥青路面，会在无水情况下发生冰冻现象.因此本文设计开发室内试验，将马歇尔试件在无水状态下进行冻融循环，参考2.3.2中的冻融循环试验，进行对比试验，仍然确定以低温-20 ℃和高温60 ℃交替冻融循环用来模拟冬季、夏季的气候及温度循环，然后进行肯塔堡飞散试验，测试肯塔堡飞散损失.

具体的试验方法如下.

步骤1成型符合要求的标准马歇尔试件，4个试件为一组.

步骤2将试件在-20 ℃下冰冻16 h，然后将试件放入60 ℃烘箱融化8 h，此为一次循环.

步骤3重复步骤2将试件反复冰冻及融化，直到达到试验所需循环次数为止.

步骤4将完成冻融循环试验后的马歇尔试件参照《规程》T0733-2011中肯塔堡飞散试验方法进行试验，得到肯塔堡飞散损失值.

2 结果及讨论

2.1 空隙率对排水沥青路面抗冻融循环性能的影响研究

采用PAC-13排水沥青混合料研究空隙率对排水沥青混合料抗冻融循环性能的影响，设计了18%、20%、22%、24%四种不同的空隙率，经过10次冻融循环试验研究分析不同空隙率排水沥青混合料抗冻融循环性能，试验结果见图1.

图1 不同空隙率排水沥青混合料飞散损失

从图1可知：同等次数冻融循环后，排水沥青混合料空隙率越大，肯塔堡飞散损失越大，总体飞散损失PAC-13A(18%)

2.2 级配对排水沥青路面抗冻融循环性能的影响研究

采用PAC-13、PAC-16两种常用级配的排水沥青混合料经过10次冻融循环试验研究分析级配对排水沥青混合料抗冻融循环性能的影响，试验结果见图2.

图2 不同级配排水沥青混合料飞散损失

由图2可知:两种级配的排水沥青马歇尔试件肯塔堡飞散损失随着冻融循环次数的增加而增加，总体飞散损失PAC-13

2.3 聚酯纤维对排水沥青路面抗冻融循环性能的影响研究

采用PAC-13排水沥青混合料研究聚酯纤维对排水沥青混合料抗冻融循环性能的影响，根据课题组以往研究，设计了添加0.1%聚酯纤维的PAC-13排水沥青混合料，经过10次冻融循环试验研究分析聚酯纤维对排水沥青混合料抗冻融循环性能的影响，试验结果见图3.

图3 不同聚酯纤维含量排水沥青混合料飞散损失

由图3可知:添加聚酯纤维的排水沥青混合料冻融循环后的肯塔堡损失整体在未添加聚酯纤维的排水沥青混合料之下，飞散损失变化也更趋于平缓，更接近线性变化，两者之间的差值总体趋势也在变大.聚酯纤维在沥青胶浆中起到骨架作用，纵横交错分布，能够起到吸附、稳定以及多向加筋的作用，增强粘结力，改善混合料的低温以及高温性能，能有效的抵抗应力，减少冻融损伤以及飞散破坏.因此，添加聚酯纤维可以有效改善排水沥青混合料冻融循环后的抗飞散能力.

2.4 排水沥青路面无水抗冻融性能研究

采用PAC-13排水沥青混合料经过10次冻融循环试验研究分析排水沥青混合料抗无水冻融循环性能的影响，试验结果见图4.

图4 排水沥青混合料无水冻融循环飞散损失

由图4可知:排水沥青混合料无水冻融循环后的肯塔堡损失整体在饱水冻融循环后的排水沥青混合料之下，且两者的差值随着冻融循环次数的增加逐渐拉大，无水冻融循环后的飞散损失变化更平缓，趋于线性变化.在没有冰荷载以及水浸作用后，水分对沥青膜的置换以及冰荷载对混合料的作用随之消失，进而排水沥青混合料冻融循环后的飞散损失更小.因此，在北方冬季，及时排除排水沥青路面积水以及冰雪可以有效延缓排水沥青路面出现冻融破坏.

3 结 论

1)在相同的空隙率下，对于不同级配的沥青混合料，级配越细，最大粒径越小，混合料冻融循环后抗飞散能力越好；对于同种级配的沥青混合料，空隙率越小，混合料冻融循环后抗飞散能力越好；聚酯纤维可以有效改善排水沥青混合料冻融循环后的抗飞散能力.

2)相对于饱水冻融循环，无水冻融循环条件下的飞散损失更小.在北方冬季，及时排除排水沥青路面积水以及冰雪可以有效延缓排水沥青路面出现冻融破坏.

3)在北方地区修建排水沥青路面，可以通过控制排水沥青路面级配最大粒径、控制空隙率以及添加聚酯纤维提高排水沥青路面抗冻融循环性能，推荐级配为PAC-13，空隙率为20%～22%.