蘇 忠 高

(福建博海工程技術(shù)有限公司，福建 福州，350009)

不同類型超薄層瀝青混合料的水穩(wěn)定性研究

蘇 忠 高

(福建博海工程技術(shù)有限公司，福建 福州，350009)

采用浸水車轍試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)分別評價(jià)了Type-B(美國級配)、改良型SMA-10、OGFC-10 這3種級配和SBS改性瀝青、普通瀝青+8%抗車轍劑和高黏彈瀝青3種結(jié)合料組成的9種超薄層瀝青混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明：有5種超薄層瀝青混合料，即Type-B SBS改性瀝青混合料、改良型SMA-10 SBS改性瀝青混合料、Type-B高黏彈瀝青混合料、改良型SMA-10高黏彈瀝青和OGFC-10高黏彈瀝青混合料滿足現(xiàn)有規(guī)范對水穩(wěn)定性的要求，其中改良型SMA-10高黏彈瀝青混合料的綜合性能最優(yōu)，其條件前后的車轍動(dòng)穩(wěn)定度不僅分別是其他8種混合料的2.0～4.5倍和2.0～4.7倍。推薦該混合料用于重要的城市主干道、高速公路或重交通道路路面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)或維修。

道路工程；超薄層瀝青混合料；水穩(wěn)定性；浸水車轍試驗(yàn)；凍融劈裂試驗(yàn)

0 引 言

超薄層瀝青路面具有良好的抗滑性、排水性、降噪性并可以在雨天減少水霧，提高行車明視度等特點(diǎn)并具有抗變形能力好，使用耐久，施工維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在高速公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)和城市道路路面功能恢復(fù)等用途中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但超薄層瀝青路面由于厚度僅為1.5～2.5 cm,空隙率大，一般10%以上，骨料露于表面，在汽車荷載作用下，浸入瀝青混合料骨料間的水會(huì)不斷產(chǎn)生水壓和泵吸循環(huán)作用，從而淘洗和剝離黏附在集料表面的黏結(jié)材料，使瀝青混合料散失黏結(jié)性而松散、掉粒，形成坑槽、坑洞甚至大面積的破壞。因此超薄層瀝青路面的水穩(wěn)定性問題越來越引起路面工作者的高度重視[4-6]。

對瀝青混合料或超薄層瀝青混合料的抗水損害能力的評價(jià)，目前國內(nèi)外主要采用傳統(tǒng)的非定量的水煮法、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂法或Lottman(AASHTO T283方法)。比如：P．J．Frazier等[6]、劉朝暉等[7]、薛國強(qiáng)[8]、程永春等[9]均只采用浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂法研究了超薄層瀝青混合料的水穩(wěn)定性。雖然T．Aschenbrener[10]和李進(jìn)等[11]采用Hamburg車轍儀研究了瀝青混合料的永久變形，但并沒有比較未浸水和浸水兩種條件下的變化趨勢。國外學(xué)者F．J．Pretorius等[12]、H．Musty等[13]、T．M．Gilbert等[14]和I．I．AI-Qadi等[15]也只根據(jù)工程應(yīng)用現(xiàn)狀評價(jià)了超薄層瀝青路面的抗開裂性能、抗滑性能、抗疲勞性能和水損害性能。而采用浸水車轍試驗(yàn)方法研究超薄層瀝青混合料的水穩(wěn)定性只有少量報(bào)道，如石蕾[16]、楊毅[17]和李雙艷[18]采用浸水車轍試驗(yàn)方法分別研究了不同結(jié)合料類型、不同荷載強(qiáng)度和不同空隙率對橡膠瀝青混合料的水穩(wěn)定性的影響。

浸水車轍試驗(yàn)的水穩(wěn)定性評價(jià)方法是以試件條件前后的物理或力學(xué)指標(biāo)的衰變程度來表征，是模擬汽車在雨天瀝青路面有水或積水情況下反復(fù)碾壓，汽車輪壓擠壓水產(chǎn)生動(dòng)水壓力并對裹覆在骨料上的黏結(jié)材料受到?jīng)_刷作用，使黏結(jié)材料膜被剝離，從而導(dǎo)致瀝青混合料松散、骨料脫落等現(xiàn)場狀況來評價(jià)瀝青混合料抗水損害的能力。

筆者結(jié)合福州市近年的舊路路面提升改造工程需要，分別采用凍融劈裂法和浸水車轍試驗(yàn)方法研究了Type-B、改良型SMA-10、OGFC-10 等3種級配和SBS改性瀝青、普通瀝青+8%抗車轍劑和高黏彈瀝青3種結(jié)合料組成的9種瀝青混合料的抗水損害性能，以便為工程優(yōu)選出一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)和性能優(yōu)良的超薄層瀝青混合料。

1 材料性能及試驗(yàn)

1.1 材料性能

3種黏結(jié)材料的性能列于表1。3種混合料用集料均為玄武巖，填料為石灰?guī)r磨細(xì)礦粉，其性能指標(biāo)均滿足JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)[19]的要求。纖維采用木質(zhì)素纖維，質(zhì)量滿足《規(guī)范》要求。

1.2 關(guān)于級配的選用

筆者選用的3種公稱粒徑10的級配都偏粗，目的是為確保超薄層瀝青混合料的空隙率大于10%，有利于排水、降低行車水霧、降噪和提高抗滑能力等方面的性能。同時(shí)粗集料集中，鋪筑出的路面看起來會(huì)均勻美觀。

表1 研究用3種結(jié)合料的性能指標(biāo)Table 1 Properties of 3 binders for research purpose

1.3 級配及最佳油石比

瀝青混合料用級配見表2。不同結(jié)合料與級配組合的9種混合料的馬歇爾性能及最佳油石比見表3。

表2 研究用3種級配Table 2 3 gradings for research purpose

注：Type-B為美國級配。

表3 9種瀝青混合料的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果及最佳油石比Table 3 The Marshall results and optimum asphalt-aggregate proportion for the 9 asphalt mixtures

1.4 常規(guī)車轍試驗(yàn)和浸水車轍試驗(yàn)

浸水車轍試驗(yàn)(稱為條件后)是將試件置于車轍試驗(yàn)儀中在 60 ℃空氣溫度下保溫 6 h，再放入60 ℃水槽中，試件浸水深度1.5 cm，恒溫 30 min后進(jìn)行浸水車轍試驗(yàn)。浸水車轍試驗(yàn)的步驟和數(shù)據(jù)采集與常規(guī)車轍試驗(yàn)(稱為條件前)一致。9種混合料條件前后的車轍試驗(yàn)結(jié)果匯總于表4。

表4 車轍試驗(yàn)和浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 4 Summary of results from normal rutting test and immersion rutting test

注：空隙率為輪碾試件的空隙率。

1.5 凍融劈裂試驗(yàn)

凍融劈裂試驗(yàn)按照規(guī)范要求進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Freeze-thaw splitting test results

注：空隙率為擊實(shí)試件空隙率。

2 分析與討論

2.1 油石比及其影響

從表3結(jié)果看出，3種級配的油石比差別較大，改良型SMA-10的油石比最高，OGFC-10的油石比最低，Type-B的油石比則介于兩者之間。但級配相同時(shí)，不同結(jié)合料的油石比差異不大。顯然，從動(dòng)穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度結(jié)果表明，改良型SMA-10高的油石比不僅對高溫穩(wěn)定性沒有影響，還顯著提高了抗水損害能能力。從而說明為了提高超薄路面的耐久性，有必要選擇合適的級配以提高結(jié)合料的用量。

2.2 級配類型的影響

從表4的結(jié)果表明，無論是條件前還是條件后的動(dòng)穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度，級配類型對高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性都有影響。當(dāng)結(jié)合料相同時(shí)，改良型SMA-10的動(dòng)穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度都最高，其次是Type-B，OGFC-10最低。而且不同級配的混合料條件后的動(dòng)穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度降低幅度差異相對較大，其中OGFC-10混合料的降低最顯著，其次是Type B混合料，改良型SMA-10混合料的最小。這表明級配類型對水損害的影響較大。其原因是改良型SMA-10混合料由于級配組成最佳，加之纖維的增強(qiáng)增韌作用以及能容納較高的結(jié)合料用量，結(jié)構(gòu)組成的空隙率處于合理狀態(tài)，所以表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合路用性能；而OGFC-10混合料恰恰不具備改良型SMA-10混合料的上述優(yōu)點(diǎn)，所以表現(xiàn)出的綜合路用性能較差。

2.3 結(jié)合料的影響

當(dāng)級配相同時(shí)，在最佳油石比下，高黏彈瀝青結(jié)合料的動(dòng)穩(wěn)定度最高，動(dòng)穩(wěn)定度接近后兩者的5倍。SBS改性瀝青的其次，而70#重交瀝青+0.8%抗車轍劑復(fù)合結(jié)合料的最低。后兩者結(jié)合料由于黏度差不多，動(dòng)穩(wěn)定度差異不大。

在水穩(wěn)定性方面，也是結(jié)合料黏度越高的混合料，條件前后的動(dòng)穩(wěn)定度絕對值越大，而且降低幅度越??；劈裂強(qiáng)度雖然絕對值不高，但條件前后的降低幅度也越小。這充分反映了黏度高、彈性好的瀝青結(jié)合料和改良的SMA級配相組合可獲得顯著的抗車轍能力和抗水損害性能。

但總體上，兩種實(shí)驗(yàn)方法評價(jià)的結(jié)果表明有5種超薄層瀝青混合料即Type BSBS改性瀝青混合料、改良型SMA-10SBS改性瀝青混合料、Type-B高黏彈瀝青混合料、改良型SMA-10高黏彈瀝青混合料和OGFC-10高黏彈瀝青混合料的水穩(wěn)定性滿足現(xiàn)有規(guī)范要求。其中改良型SMA-10高黏彈瀝青混合料的綜合性能最優(yōu)，比如條件前后的車轍動(dòng)穩(wěn)定度分別是其他8種混合料的2.0～4.5倍和2.0～4.7倍。

因此，建議對超薄路面的混合料設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要重視選用適合的結(jié)合料，還要重視級配類型的設(shè)計(jì)和選用。并通過合理的級配類型設(shè)計(jì)和結(jié)合料選用來提高混合料的油石比，從而提高超薄路面的耐久性。

3 結(jié) 論

通過浸水車轍試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)，研究了3種結(jié)合料和3種級配組成的9種混合料的水穩(wěn)定性能，結(jié)果表明：

1)級配類型和結(jié)合料種類是影響超薄層瀝青混合料水穩(wěn)定性的主要因素。根據(jù)兩種實(shí)驗(yàn)方法評價(jià)的結(jié)果，滿足現(xiàn)有規(guī)范對水穩(wěn)定性要求的超薄層瀝青混合料有5種類型，分別是Type BSBS改性瀝青混合料、改良型SMA-10SBS改性瀝青、Type-B高黏彈瀝青混合料、改良型SMA-10高黏彈瀝青和OGFC-10高黏彈瀝青混合料。其中改良型SMA-10高黏彈瀝青混合料的綜合性能最優(yōu)，比如條件前后的車轍動(dòng)穩(wěn)定度分別是其他8種混合料的2.0～4.5倍和2.0～4.7倍。

2)對超薄路面的混合料設(shè)計(jì)，不僅要重視選用適合的結(jié)合料，還要重視級配類型的設(shè)計(jì)和選用。并通過合理的級配類型設(shè)計(jì)和結(jié)合料選用來提高混合料的油石比，從而提高超薄路面的耐久性。

3)鑒于滿足現(xiàn)有規(guī)范對水穩(wěn)定性要求的超薄層瀝青混合料有5種。因此在實(shí)際工程中，可根據(jù)道路的重要性、交通量和交通荷載、氣候條件和投資等，合理選用超薄層瀝青混合料。比如對重要的城市主干道、高速公路或重交通道路的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)或維修，可選擇綜合性能優(yōu)的改良型SMA-10高黏彈瀝青混合料。

4)鑒于采用浸水車轍試驗(yàn)方法來評價(jià)瀝青混合料的抗水損害性能的研究報(bào)道不多，考慮到目前采用浸水車轍試驗(yàn)方法設(shè)置的條件不夠嚴(yán)酷，無法顯著區(qū)分瀝青混合料的結(jié)合料和級配變化產(chǎn)生的影響。因此用浸水車轍試驗(yàn)方法來評價(jià)瀝青混合料的試驗(yàn)方法有待進(jìn)一步研究。

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Study of Water Stability of Different Asphalt Mixtures for Ultra-Thin Surfacing Layer

SU Zhonggao

(Fujian Bohai Engineering Technology Co., Ltd, Fuzhou 350009, Fujian, P. R. China)

By performing immersion rutting test and freeze-thaw splitting test, the water stability of nine different asphalt mixtures for ultra-thin surfacing layer was studied. The said nine asphalt mixtures were made respectively by three gradations (namely Type-B with USA gradation, improved SMA-10 and OGFC-10) and with three binders (namely SBS modified asphalt, common asphalt + 8% anti-rutting agent and highly viscoelastic asphalt). The test results show that five types of asphalt mixture for ultra-thin surfacing layer (namely Type-B SBS modified asphalt mixture, improved SMA-10 SBS modified asphalt mixture , Type-B highly viscoelastic asphalt mixture, improved SMA-10 highly viscoelastic asphalt mixture and OGFC-10 highly viscoelastic asphalt mixture ) meet China’s prevailing specification for water stability of asphalt mixtures.Among them the improved SMA-10 highly viscoelastic asphalt mixture demonstrated optimal general performance with both rut dynamic stability and the immersion rutting dynamic stability 2.0～4.5 times and 2.0～4.7 times that of other eight mixtures and is thus recommended for use in pavement protective maintenance or repair of key urban artery, expressway or road of heavy traffic.

road engineering; ultra-thin layer asphalt mixture; water stability; water immersion rutting test; freeze-thaw splitting test

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.10

2015-01-07；

2015-03-11

蘇忠高(1965—)，男，福建建甌人，教授級高級工程師，碩士研究生，主要從事建設(shè)工程質(zhì)量管理和路橋結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail：RCJC@sina.com。

U416.217

A

1674-0696(2016)02-040-05