劉東美葉慶凡于曉霞耿立濤

(1.山東高速路橋養(yǎng)護(hù)有限公司，山東濟(jì)南250032；2.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101)

0 引言

城市雨洪災(zāi)害和水污染是制約我國(guó)城市生態(tài)發(fā)展的主要問(wèn)題[1-4]。為此，近年來(lái)我國(guó)開(kāi)始推廣建設(shè)海綿城市項(xiàng)目?；谧罴压芾泶胧?、低影響開(kāi)發(fā)和綠色基礎(chǔ)設(shè)施等理論[5-8]，通過(guò)“滲、滯、蓄、凈、用、排”等方式對(duì)雨水進(jìn)行自然的積存、滲透和凈化，以實(shí)現(xiàn)城市在面對(duì)環(huán)境變化和應(yīng)對(duì)雨水等方面的良好彈性[9]。

排水瀝青路面實(shí)現(xiàn)是海綿城市建設(shè)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。與傳統(tǒng)的密級(jí)配瀝青混凝土路面相比，排水瀝青路面除具備排水功能外，還具有抵抗車輛滑移、減輕行車水霧、降低道路噪音等眾多優(yōu)點(diǎn)[10-12]。由于采用了骨架空隙結(jié)構(gòu)(空隙率約為20%)以實(shí)現(xiàn)排水功能，排水瀝青混合料中粗集料多、細(xì)集料少，而粗集料含量＞70%，在以粗集料為骨架的同時(shí)缺乏細(xì)集料的填充，其強(qiáng)度主要依靠瀝青膠結(jié)料的粘結(jié)作用實(shí)現(xiàn)[13]。使用普通改性瀝青材料無(wú)法保證排水瀝青混合料的強(qiáng)度和耐久性，因此，使用高黏瀝青是排水瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)的首選方案[14]。近年來(lái)，眾多科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了高黏瀝青的研發(fā)、評(píng)價(jià)及工程應(yīng)用工作，高中軍等[15]采用新型高黏改性劑SINOTPS制備高黏瀝青，并在噪排水路面、應(yīng)力吸收層和彩色降噪排水路面等應(yīng)用中展開(kāi)研究；任瑞波等[16]研發(fā)了一種SMA-5高黏瀝青混合料并測(cè)定了其各項(xiàng)性能；劉學(xué)亮等[17]研究了不同改性劑對(duì)瀝青的影響，并對(duì)瀝青性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析；鄭求才等[18]在工程實(shí)踐中對(duì)比分析了2種不同高黏瀝青產(chǎn)品的特性及區(qū)別。

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的高黏瀝青作為膠結(jié)料，設(shè)計(jì)了OGFC-13型高黏排水瀝青混合料并考查了其各項(xiàng)性能。在選定礦料級(jí)配和目標(biāo)空隙率的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算集料單位表面積的瀝青有效用量確定初始瀝青用量，基于試件空隙率與瀝青用量的變化關(guān)系確定最佳瀝青用量，以析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)檢驗(yàn)最佳瀝青用量的合理性，完成高黏排水瀝青混合料設(shè)計(jì)；通過(guò)車轍試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)高黏排水瀝青混合料的路用性能。

1 排水路面高黏瀝青制備

試驗(yàn)采用自主研發(fā)的高黏瀝青改性劑ESBS制備高黏瀝青。改性劑成分為改性聚烯烴樹(shù)脂、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SBS)、沙林樹(shù)脂、脂肪族硅油、增黏劑及其他助劑。常溫下顏色為黑色，直徑為2～3 mm的圓餅狀固體顆粒，密度為0.8 g/cm3。改性劑主要用于提高瀝青黏度，從而提升瀝青的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性及耐疲勞性能等一系列路用性能。制備高黏瀝青所用基質(zhì)瀝青為齊魯70＃道路石油瀝青。

制備高黏瀝青工藝為:將基質(zhì)瀝青加熱至180℃，加入ESBS(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%，外摻)低速攪拌10 min，再以3 000 r/min的速度剪切1 h，所得樣品置入烘箱中恒溫發(fā)育1.5 h。高黏瀝青、齊魯70＃瀝青及前期研發(fā)的穩(wěn)定型橡膠改性瀝青(SRMA)[19]的技術(shù)性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 高黏瀝青、基質(zhì)瀝青及穩(wěn)定型橡膠改性瀝青技術(shù)性能對(duì)比表

動(dòng)力黏度是評(píng)價(jià)高黏瀝青性能的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，對(duì)排水瀝青混合料的強(qiáng)度和耐久性起著關(guān)鍵作用，國(guó)內(nèi)外對(duì)其均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，如日本規(guī)范要求高黏瀝青的60℃動(dòng)力黏度＞2×104Pa·s[13]。我國(guó)現(xiàn)行的規(guī)范中對(duì)排水路面用高黏瀝青的技術(shù)要求多參考了日本的標(biāo)準(zhǔn)。文章采用的試驗(yàn)方法是T0620—2000《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的瀝青動(dòng)力黏度試驗(yàn)(真空減壓毛細(xì)管法)。在規(guī)定的溫度下，真空度達(dá)到40±66.5 kPa的壓力時(shí)，測(cè)量一定體積的瀝青流經(jīng)真空減壓毛細(xì)管所需要的時(shí)間。由表1可知，制備的高黏瀝青，其60℃動(dòng)力黏度達(dá)到了9.6×104Pa·s，可保證排水瀝青混合料中集料的粘結(jié)，從而提高排水瀝青混合料的強(qiáng)度和抗沖擊飛散性能。此外，高黏瀝青的軟化點(diǎn)和延度指標(biāo)均較理想，可保證排水瀝青混合料的高溫抗車轍能力和低溫抗開(kāi)裂能力。

2 排水路面高黏瀝青混合料設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用S10、S12和S16規(guī)格的玄武巖作為粗、細(xì)集料，以石灰?guī)r礦粉作為填料，以高黏瀝青作為膠結(jié)料進(jìn)行OGFC-13型排水瀝青混合料設(shè)計(jì)。高黏瀝青的黏度較大，混合料的制備溫度相對(duì)較高，拌和溫度約為190℃，成型溫度約為185℃。排水瀝青混合料的設(shè)計(jì)空隙率較大，無(wú)法采用傳統(tǒng)的馬歇爾方法設(shè)計(jì)。選擇細(xì)、中、粗3種OGFC混合料級(jí)配(代號(hào)分別為OGFC-13F、OGFC-13M和OGFC-13C)及相應(yīng)的目標(biāo)空隙率，根據(jù)集料表面積計(jì)算值和合理的瀝青膜厚度，最終選擇確定初始瀝青用量。據(jù)此調(diào)整瀝青用量成型馬歇爾試件，依據(jù)試件空隙率與瀝青用量的變化關(guān)系確定最佳瀝青用量，并以謝倫堡析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果檢驗(yàn)最佳瀝青用量的合理性。3個(gè)設(shè)計(jì)級(jí)配和對(duì)應(yīng)的目標(biāo)空隙率見(jiàn)表2。

表2 排水瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配及目標(biāo)空隙率表

預(yù)估排水瀝青混合料中集料的總表面積為A，由式(1)表示為

式中:a、b、c、d、e、f和g分別為 4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15和0.075 mm篩孔的通過(guò)百分率，%。

根據(jù)期望的瀝青膜厚度計(jì)算初試瀝青用量，由式(2)[20]表示為

式中:Pb為初試瀝青用量，%；h為瀝青膜厚度，μm。

對(duì)于OGFC型瀝青混合料，合適的瀝青膜厚度通常為14 μm。利用表2的數(shù)據(jù)計(jì)算3個(gè)合成級(jí)配的初試瀝青用量，分別為4.5%(OGFC-13F)、4.2%(OGFC-13M)和 3.7%(OGFC-13C)。

圍繞3個(gè)設(shè)計(jì)級(jí)配中各自計(jì)算所得的初試瀝青用量，進(jìn)行上下浮動(dòng)調(diào)整，拌制不同瀝青用量的瀝青混合料，并成型馬歇爾試件，試件空隙率與瀝青用量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示。由圖可知，對(duì)應(yīng)于目標(biāo)空隙率，3個(gè)設(shè)計(jì)級(jí)配的最佳瀝青含量為分別為4.6%(OGFC-13F)、4.1%(OGFC-13M)和 3.9%(OGFC-13C)。

再次調(diào)整瀝青用量拌制瀝青混合料，并成型馬歇爾試件，以謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)確定瀝青用量上限；以肯塔堡瀝青混合料飛散試驗(yàn)確定瀝青用量下限，由此檢驗(yàn)所確定的最佳瀝青用量的合理性。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。利用析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)的曲線拐點(diǎn)確定了3種級(jí)配高黏瀝青混合料的瀝青用量上、下限，分別為4.4%和4.9%(OGFC-13F)、3.8%和4.4%(OGFC-13M)、3.7%和 4.2%(OGFC-13C)，取值均涵蓋了經(jīng)由目標(biāo)空隙率確定的最佳瀝青含量值。進(jìn)而測(cè)試了最佳用量下各級(jí)配OGFC-13型高黏排水瀝青混合料的空隙率，分別為17.8%(OGFC-13F)、20.2%(OGFC-13M)和 21.9%(OGFC-13C)。

圖1 排水瀝青混合料空隙率與瀝青含量的變化關(guān)系圖

圖2 排水瀝青混合料析漏損失、飛散損失與瀝青含量的變化關(guān)系圖

3 排水路面高黏瀝青混合料性能測(cè)試

在最佳瀝青用量下，拌制3種級(jí)配的高黏排水瀝青混合料。以車轍試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性和疲勞性能。鑒于橡膠改性瀝青膠結(jié)料在排水瀝青路面中應(yīng)用廣泛[21-22]，以表1中的穩(wěn)定型橡膠改性瀝青作為膠結(jié)料，成型了相同級(jí)配組成的排水瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度、彎曲試驗(yàn)破壞應(yīng)變、凍融劈裂試驗(yàn)劈裂強(qiáng)度比的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。高黏排水瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度＞6 000次/mm，約為穩(wěn)定型橡膠改性瀝青混合料的2倍，破壞應(yīng)變和凍融劈裂強(qiáng)度比也均高于后者，表明出良好的高溫、低溫和水穩(wěn)定性。由表3可知，采用較小的設(shè)計(jì)空隙率和較高的瀝青用量有助于排水瀝青混合料獲得較大的動(dòng)穩(wěn)定度和破壞應(yīng)變值，但對(duì)路面排水不利。進(jìn)行排水瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)，路用性能和排水功能的協(xié)調(diào)取舍是需要考慮的問(wèn)題。

表3 動(dòng)穩(wěn)定度、破壞應(yīng)變和劈裂強(qiáng)度比測(cè)試結(jié)果表

在20℃條件下進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，用以測(cè)試高黏排水瀝青混合料的疲勞壽命。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制模式，施加半正弦重復(fù)荷載，荷載頻率為10 Hz，采用600、800和1 000微應(yīng)變的應(yīng)變水平[10]。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。排水瀝青混合料的疲勞壽命受應(yīng)變水平、空隙率和瀝青膠結(jié)料的性質(zhì)影響。疲勞壽命與應(yīng)變水平呈半對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的直線關(guān)系，隨著應(yīng)變水平的增加而降低，這與常規(guī)瀝青混合料具有相似的規(guī)律。設(shè)計(jì)空隙率增大，疲勞壽命降低；相同的空隙率水平下，采用高黏瀝青作為膠結(jié)料時(shí)，排水瀝青混合料的疲勞壽命明顯高于穩(wěn)定型橡膠改性瀝青。

圖3 排水瀝青混合料疲勞壽命與應(yīng)變水平的變化關(guān)系圖

4 結(jié)論

通過(guò)分析，得到以下結(jié)論:

(1)自主研發(fā)的高黏瀝青具有優(yōu)良的技術(shù)性能，60℃動(dòng)力黏度達(dá)到了9.6×104Pa·s，對(duì)提高排水瀝青混合料的強(qiáng)度有利，從而提高了混合料的抗沖擊飛散能力、抗高溫車轍能力和抗低溫開(kāi)裂能力。

(2)排水瀝青混合料的疲勞壽命與微應(yīng)變水平呈對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的直線關(guān)系，隨著應(yīng)變水平的增加而降低。相同的空隙率水平下，采用高黏瀝青作為膠結(jié)料時(shí)，排水瀝青混合料的疲勞壽命明顯高于穩(wěn)定型橡膠改性瀝青，高黏瀝青用于排水瀝青混合料各項(xiàng)路用性能優(yōu)勢(shì)顯著，具有應(yīng)用潛力。