空隙率对多孔超薄沥青磨耗层性能和渗水功能的影响

胡 勇，鹿 蓉，黄卫国，杨 斌，鲁贺贺

(1.江西省公路工程检测中心，江西 南昌 330100；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

沥青路面随着服役时间的增长，路表会逐渐出现车辙、松散、裂缝、剥离等病害，严重影响道路的行车安全性和舒适性[1-3]。超薄磨耗层作为预防性养护措施之一，能够直接加铺在原路面上，可以有效解决路面存在的轻微车辙、疲劳裂缝或温度裂缝等问题，改善沥青路面的表面功能[4-8]。

最初法国率先将薄层沥青混合料应用于路面表层，1987年法国提出了应用于高等级沥青路面超薄罩面层，厚度为1.5～2 cm的，特点是通过使用改性沥青和增大黏结层厚度等措施提高路面性能及延长服役寿命[9]。美国在法国的基础上研究出了NovaChip混合料，能够缓解面层轻微车辙、非结构性裂缝以及恢复道路表面功能，这项技术在其他欧洲国家也有广泛应用[10-11]。英国选用空隙率为20%的超薄沥青混合料铺筑面层，其最大粒径为14 mm，沥青用量约5%。因施工质量、外界气候等的影响，所建成的路面质量并不理想[12]。

2003年，我国在广韶高速公路铺筑了2 km的超薄磨耗层试验路，主要用来修复路面的车辙损害[13]；李小松等[14]采用正交试验方法分析混合料设计中的CA比(粗集料的粗料率)、FAc比(细集料的粗料率)、油石比及7.1 mm筛孔通过率对沥青路面抗滑性能的影响，得出CA比对抗滑性能影响最大，油石比次之；施向东等[15]总结了级配类型对薄层罩面抗滑性能的影响，发现开级配抗滑性能最好，半开级配次之，密集配最差。

多孔超薄沥青磨耗层由粒径较小、空隙率较大的沥青混合料铺筑而成，空隙率一般为18～25%，厚度为约为20 mm[16]。这种透水性铺装层能够使雨水沿面层入渗，并通过路面结构内部横向排出，起到减少路表水膜，提高沥青路面抗滑能力和降低交通噪声的作用[17-18]。目前，国内外大部分的研究主要集中于超薄磨耗层的材料方面或者级配设计方面(如密集配、半开级配和间断级配)对路用性能的影响，以开级配多孔超薄沥青磨耗层为研究主体的空隙率对路用性能影响的研究较少。而多孔超薄沥青磨耗层的空隙率越大，排水效果越好，但过大的空隙率容易产生剥落、松散等病害，降低路面的使用寿命[19]。因此，合理的空隙率设计对多孔沥青路面的强度和耐久性具有重要影响。为此，本研究选取4种公称最大粒径为8 mm多孔超薄沥青磨耗层(PUAWL-8)，其空隙率分别为18%，20%，22%和24%，然后进行车辙试验、低温弯曲试验、浸水马歇尔试验和渗水试验，研究空隙率对多孔超薄沥青磨耗层的路用性能的影响，为多孔超薄沥青磨耗层的空隙率与级配设计提供技术依据与参考。

1 材料与试验方法

1.1 原材料

选用高黏改性沥青作为胶结料，其主要技术指标见表1。粗集料采用闪长岩，细集料采用石灰岩机制砂，矿粉选用石灰岩矿粉，并添加3‰的木质素纤维，集料的主要技术指标见表2。

表1 高黏改性沥青的技术指标Tab.1 Technical indicators of high-viscosity modified asphalt

表2 集料的技术指标Tab.2 Technical indicators of aggregates

1.2 试验方案

本研究选用2 cm厚的18%，20%，22%和24% 4种空隙率的PUAWL-8试件进行性能和渗水功能研究，为模拟实际路面结构，成型上面层为2 cmPUAWL-8、下面层为3 cm AC-13的复合板作为试件，并采用车辙试验来评价高温性能，低温小梁弯曲试验评价低温性能，浸水马歇尔试验评价水稳定性能，采用变水头试验测定不同空隙率的PUAWL-8的渗水功能。

2 PUAWL-8材料组成设计方法

2.1 矿料级配设计

由于多孔超薄磨耗层的厚度较薄，一般为2 cm左右，根据规范[20]规定，沥青混合料厚度不宜小于公称最大粒径的2.0～2.5倍。对于PUAWL-8而言，4.75～9.5 mm粒径范围较大，因此，本研究增加了7.1 mm筛孔来控制级配，并通过调整2.36 mm，4.75 mm筛孔通过率来得到空隙率分别为18%，20%，22%和24%共4组不同的矿料级配。混合料矿料级配设计曲线如图1所示。

图1 混合料级配设计曲线Fig.1 Gradation curves of mixture

2.2 最佳沥青用量的确定

首先采用经验公式来试算初始沥青用量，公式如下：

Pb=h×A,

(1)

(2)

式中，Pb为初始沥青用量；h为沥青膜厚度，一般为14 μm；A为集料的总表面积；a，b，c，d，e，f，g分别为4.75，2.36，1.18，0.6，0.3，0.15和0.075 mm筛孔通过百分率。

然后采用谢伦堡析漏损失曲线的拐点和肯塔堡飞散损失曲线的拐点分别确定沥青用量的最大值和最小值，然后按照马歇尔试验确定最佳沥青油石比[21]，各级配的最佳沥青用量见表3。其中，混合料的空隙率(VV)采用体积法计算，并按照《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T 190—2012)[24]中测量连通空隙率的方法，测量各级配多孔超薄磨耗层的连通空隙率(VV′)。

表3 各级配沥青用量Tab.3 Asphalt dosage of each gradation

3 空隙率对路用性能的影响

3.1 空隙率对高温性能的影响

车辙试验是评价沥青混合料高温稳定性的常用试验，能够较好地反映路面的实际受力状态。试验采用尺寸为(300 mm×300 mm×50 mm)的复合车辙试件，其中PUAWL-8厚度为20 mm，AC-13厚度为30 mm，轮压为0.7 MPa，碾压速率为42次/min的条件下。以动稳定度评价PUAWL-8的高温性能。

试验结果见表4和图2。由表4可知，当空隙率为18%时，45 min和60 min变形量最小，动稳定度值最大；随着空隙率增大，45 min和60 min变形量增大，动稳定度逐渐变小，当空隙率为24%时，动稳定度大约为空隙率为18%时的一半。由图2可知，空隙率与动稳定度呈良好的线性关系，并呈负相关。这可能是因为多孔超薄沥青磨耗层为骨架-空隙型结构，粗集料之间良好的嵌挤力和高黏改性沥青与集料之间良好的黏结力保证了混合料的整体强度和稳定性，因此高温稳定性较好；但当空隙率过大时，粗集料过多，但细集料过少，细集料不能填充粗集料之间形成的较大空隙，混合料之间的接触面积减小，流动性变大，因此产生的车辙深度更加明显。

表4 不同空隙率下的车辙试验结果Tab.4 Rutting test result with different air voids

图2 空隙率与动稳定度之间的关系Fig.2 Relationship between air voids and dynamic stability

规范[20]规定，多孔超薄沥青磨耗层用于重及以上交通荷载等级时动稳定度需大于3 000次/mm，用于中等、轻交通荷载等级时动稳定度需大于1 500次/mm。由试验结果可知，当空隙率为18%～20%时，动稳定度均大于3 000次/mm，此时满足重及以上交通荷载等级要求；当空隙率为20%～24%时，动稳定度均大于1 500次/mm且小于3 000次/mm，此时满足中等、轻交通荷载等级的要求。

3.2 空隙率对低温性能的影响

本研究采用低温小梁弯曲试验中破坏时的最大弯拉应变来评价多孔超薄沥青磨耗层低温性能，最大弯拉应变是低温柔韧性指标，反映混合料的变形能力。试验采用长250 mm、宽30 mm、高50 mm的小梁试件，其中PUAWL-8厚度为20 mm，AC-13厚度为30 mm，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min。低温小梁弯曲试验结果见图3。

图3 空隙率与最大弯拉应变之间的关系Fig.3 Relationship between air voids and maximum bending tensile strain

由图3可知，最大弯拉应变随着空隙率的增大呈先减小后增大的趋势，当空隙率为18%～20%时，最大弯拉应变逐渐减小，当空隙率为20%时，最大弯拉应变减小到4 469 με；当空隙率大于20%时，最大弯拉应变逐渐增大；当空隙率为24%时，最大弯拉应变为7 560 με，此时多孔超薄沥青磨耗层的最大弯拉应变最大，变形能力最好。这可能是因为空隙率为18%～20%时，细集料多而粗集料少，较多的细集料会因干涉粗集料之间的嵌挤作用而不能形成骨架-空隙结构，此时多孔超薄沥青磨耗层结构相对比较密实，强度较大而变形能力减小；当空隙率大于20%时，粗集料多并能相互嵌挤形成骨架结构，细集料较少，此时多孔超薄沥青磨耗层强度减小，变形能力增大。

根据规范[22]对不同气候分区的最大弯拉应变的要求可知，对于气温最低的冬严寒区(即温度<-37 ℃)，最大弯拉应变应不小于3 000 με，试验结果表明，4个不同空隙率的多孔超薄沥青磨耗层均能满足规范对冬严寒区的低温性能要求。

3.3 空隙率对水稳定性的影响

多孔超薄沥青磨耗层具有较大的空隙率，水分更容易入渗至集料与沥青的接触面上，造成沥青路面的松散和剥落，因此测定多孔超薄沥青磨耗层的水稳定性极其重要。本研究采用浸水马歇尔试验来评价多孔超薄沥青磨耗层的水稳定性能[4,23-24]。试验采用标准马歇尔试件，尺寸为φ101.6 mm×63.5 mm，在恒温水槽中保温48 h后，以残留稳定度来评价PUAWL-8的水稳定性。不同空隙率下多孔超薄沥青磨耗层的浸水马歇尔试验结果如图4和图5所示。

图4 空隙率与稳定度的关系Fig.4 Relationship between air voids and stability

图5 空隙率与浸水残留稳定度的关系Fig.5 Relationship between air voids and immersion residual stability

由图4可知，浸水与未浸水的马歇尔稳定度与空隙率均呈良好的线性关系，且随着空隙率的增大，稳定度逐渐减小。由图5可知，空隙率为18%～20%时，残留稳定度基本相似；当空隙率为22%时，残留稳定度升至最大，为94%；随后残留稳定度减小，当空隙率为24%时，残留稳定度值降低至84%。这可能是因为当空隙率为24%时，由于空隙率过大，粗集料多能够嵌挤形成骨架结构，细集料过少不能填充空隙，该结构的内摩擦角较大但内黏聚力较低；且由于集料的比表面积减小，集料与沥青的接触面积减少，试件在经过48 h浸水后，沥青与集料间的黏附力大大降低，导致残留稳定度降低。这说明过大的空隙率对PUAWL-8的强度和受水损害时抗剥落能力有不利影响。

根据规范[22]对不同年降雨量下沥青混合料水稳定性的要求，对于年降雨量小于500 mm的地区，浸水马歇尔残留稳定度需不小于80%；对于年降雨量大于500 mm的地区，浸水马歇尔残留稳定度需不小于85%。根据试验结果可知，当空隙率为18%～22%时，满足年降雨量大于500 mm的地区；当空隙率为24%时，满足年降雨量小于500 mm的地区。

4 空隙率对渗水功能的影响

本研究采用渗水系数来评价PUAWL-8的渗水功能。渗水系数的测量方法遵循达西定律，一般分为常水头法和变水头法。其中，常水头法主要用于透水性较强的材料；而变水头法主要用于透水性较差的材料。本研究按照我国规范[21]中沥青混合料变水头试验方法进行渗水系数的测定，仪器选用竖向渗水试验仪，试件选用空隙率为18%，20%，22%和24%，尺寸为(300 mm×300 mm×50 mm)的PUAWL-8车辙板，其中PUAWL-8厚度为20 mm，AC-13厚度为30 mm。不同空隙率对应的渗水试验结果如图6所示。

图6 空隙率与渗水系数的关系Fig.6 Relationship between air voids and permeability coefficient

由试验结果可知，空隙率为18%～24%时，多孔超薄沥青磨耗层均能渗水。经拟合可知，空隙率与渗水系数之间有良好的二次相关关系，相关系数为0.999 3，且空隙率越大渗水效果越好。当空隙率为18%时，渗水系数最小，为1 379 mL/min；当空隙率为24%时，渗水系数最大，为2 175 mL/min。前期，渗水系数随着空隙率的增加幅度较大，但空隙率达到22%以上时，渗水系数增加幅度较小，比较平缓，这是因为当试件空隙率大于一定值后，但受到竖向渗水仪中的水与试件接触的面积限制，此时该空隙率对渗透性能不起主要作用，超过该空隙率后渗水系数的增加趋势平缓。

5 结论

本研究主要分析了18%，20%，22%和24%这4种不同空隙率的PUAWL-8高温性能、低温抗裂性、水稳定性和渗水性能之间的关系，主要结论包括以下几方面：

(1)高温性能方面，PUAWL-8的空隙率与车辙试验的动稳定度呈良好的线性关系，动稳定度随着空隙率的增大而减小。对于重及以上交通荷载等级路段可选用空隙率的范围为18%～20%，对于中等、轻交通荷载等级，可选择的空隙率范围为20%～24%。低温性能方面，随着PUAWL-8空隙率的增大，最大弯拉应变先减小后增大，且4种空隙率的多孔超薄沥青磨耗层的最大弯拉应变均符合极端最低气温条件下所要求的破坏应变。

(2)水稳定性方面，增大PUAWL-8的空隙率对多孔超薄沥青磨耗层的强度和抗水损坏不利。年降雨量大于500 mm的地区，可选择的空隙率范围为18%～22%时；年降雨量小于500 mm的地区，可选择的空隙率为24%。

(3)经多孔超薄沥青磨耗层的渗水试验可知，18%～24%的空隙率均能渗水，且空隙率与渗水系数呈良好的二次相关关系，渗水性能随着空隙率的增大而增大。

(4)综合考虑空隙率对PUAWL-8的高温性能、低温性能、水稳定性和排水性能的影响可知，推荐PUAWL-8的最佳空隙率范围为20%～22%。

(5)PUAWL-8的路面性能均满足极端环境(如高温、低温)条件要求和耐久性(水稳定性要求)，因此PUAWL-8可以作为一种路面表面功能性筑路材料。