多孔沥青混合料的低温及抗老化性能研究*

张东超 樊旺生

(1.中交一公局第四工程有限公司 南宁 532400; 2.苏交科集团股份有限公司 南京 211112)

多孔沥青混合料因其良好的排水、降噪、抗滑等性能受到了广泛的关注和应用,是建设海绵城市、降低热岛效应的有效途径,并在全球范围内取得了较好的应用效果[1-2]。唐建锋等[3]研究了多孔沥青混合料的抗冻性能,明确了空隙率和孔隙结构对抗冻性能的影响;胡绪泉[4]研究了多孔沥青混合料的界面特性,认为界面强度对多孔沥青混合料的耐久性起决定作用;何虹霖等[5]研究了多孔沥青混合料的降噪性能,指出连通空隙率和构造深度对降噪性能影响最为显著;孙斌祥等[6-7]研究了多孔沥青混合料的水稳定性和抗冻性,指出改性沥青可以有效改善多孔沥青混合料界面强度,提高水稳定性。上述研究明确了多孔沥青混合料的路用性能,为多孔沥青混合料的推广应用奠定了坚实的基础,但关于多孔沥青混合料老化耐久性的研究较少。鉴于此,本文从低温抗裂性和抗老化性两方面评价多孔沥青混合料的耐久性能,分析多孔沥青路面耐久性的影响因素,并针对性地提出改善多孔沥青混合料耐久性的措施。

1 原材料与级配

1.1 原材料

相对于密级配沥青混合料,多孔沥青混合料路用性能受粗集料骨架强度和沥青黏附性的影响更甚,使用压碎值低的集料和黏附性差的基质沥青制备多孔沥青混合料的路用耐久性能普遍较差,尤其在沥青老化后,路用耐久性能下降过快,难以更直观地评价多孔沥青混合料的耐久性能。因此,本文选择黏附性较好的SBS改性沥青和强度较大的玄武岩集料进行研究。

1) 沥青。研究所用SBS改性沥青技术性能见表1。

表1 SBS改性沥青技术性能

2) 粗集料。研究采用粗集料为玄武岩碎石,其技术指标见表2。

表2 粗集料技术性能

3) 细集料。研究采用细集料为石灰岩机制砂,其技术指标见表3。

表3 细集料技术性能

4) 纤维。研究采用纤维为木质素纤维,其技术性能见表4。

表4 纤维技术性能

1.2 级配

本文采用的多孔沥青混合料的级配为JTG F 40-2004 《公路沥青路面施工技术规范》中OGFC-13级配[8],级配筛孔通过率见表5。

表5 多孔沥青混合料各粒径筛孔通过率

2 试验方案

1) 研究多孔沥青混合料低温性能影响因素,在级配完全一致的前提下,分别改变混合料的油石比、空隙率和纤维掺量,采用小梁弯曲试验研究三者对多孔沥青混合料低温性能的影响。

2) 研究多孔沥青混合料老化状态对路用性能的影响,通过烘箱加热法及延时烘箱加热法模拟多孔沥青混合料的老化状态,进行磨耗试验、车辙试验、冻融劈裂试验及小梁弯曲试验,研究不同老化状态下多孔沥青混合料的磨耗性能、高温稳定性、抗冻性和低温抗裂性[9]。

3 试验结果与讨论

3.1 低温性能

研究多孔沥青混合料低温性能的影响因素,在不同油石比、空隙率和纤维掺量下多孔沥青混合料的低温性能见图1。

图1 多孔沥青混合料低温性能影响因素

由图1可知,油石比、空隙率,以及纤维掺量对多孔沥青混合料的低温性能均存在一定的影响,但其影响规律不尽相同。

图1a)表明,随着油石比的增大,多孔沥青混合料的弯拉强度和最大弯拉应变均逐渐增大,说明适当增加油石比有利于提高多孔沥青混合料的低温性能。在油石比为4.9%时存在转折点,当油石比小于4.9%时,弯拉强度和最大弯拉应变增长速率更快,油石比大于4.9%时,低温性能增长趋缓,说明在低油石比时提高沥青用量,混合料低温性能收益更高。原因在于在随着沥青用量的增加,多孔混合料的应力松弛能力增加,低温劲度模量降低,有助于提高多孔沥青路面的延展性和低温抗裂性。当油石比超过一定限度时,低温性能虽仍有改善但强度增长不明显,经济效益较差。因此,多孔沥青混合料设计时应综合考虑性能与经济效益的平衡。

图1b)表明,随着空隙率的增大,多孔沥青混合料的弯拉强度和最大弯拉应变均逐渐降低,两者变化规律基本相似,但性能降低幅度不大,空隙率由18%提升到24%,低温性能降低约9%。原因在于沥青混合料的低温性能主要与沥青自身的韧性及沥青-集料间的黏聚力有关,而多孔沥青混合料空隙率较大,粗集料相互嵌挤而细集料较少,集料间接触面积较小,且沥青胶浆多悬浮于空隙中,难以提供足够的黏聚力,在承受拉应力时裂缝的形成和扩展克服沥青和集料之间的黏结力所需的能量较少;其次,低温开裂往往从混合料的薄弱界面开始发生,多孔沥青混合料中的空隙均匀性较差,这些区域在承受荷载时容易产生应力集中,从而加速了裂缝的发展。因此,多孔沥青混合料在设计时应选取合适的空隙率,确保低温抗裂性能。

图1c)表明,纤维对多孔沥青混合料的低温性能有明显的积极作用,随着纤维掺量的增大,混合料弯拉强度和最大弯拉应变均先增大后减小,纤维掺量为0.3%时,低温性能达到峰值,弯拉强度约提升11%。究其原因在于以下几方面:①纤维的掺加吸附了部分沥青,增大了多孔沥青混合料的最佳油石比,提高了混合料的韧性;②纤维与混合料中自由沥青结合后吸附在集料表面,增大了沥青薄膜厚度,间接增加了混合料结构沥青用量,补偿了多孔沥青混合料空隙率大、结构沥青数量少的缺点;③聚酯纤维具有良好的抗拉强度,在混合料中错综分布,起到一定的加筋作用,在薄弱界面可吸收部分应力,可以延缓裂缝产生和发展,且增加了混合料的弹性恢复能力及微裂缝的自愈能力。而纤维掺量过量时,对低温性能造成负面效果,原因在于过量的纤维难以在混合料中均匀分布,容易产生结团现象,成为混合料中抵抗低温抗裂的薄弱点。

3.2 抗老化性能

通过模拟沥青路面的短期和长期老化,研究多孔沥青混合料抗老化性能,试验结果见图2。

图2 老化状态对多孔沥青混合料性能的影响

由图2可知,多孔沥青混合料在不同老化状态下的路用性能差异较大,主要原因在于老化后沥青性质发生了巨大的变化,从而影响了沥青混合料的路用性能。且多孔沥青混合料较小的密度及较大的空隙率,使得外界的水、氧气、光照等更容易进入混合料的内部,混合料更易产生老化。

图2a)、b)表明,随着老化程度的加深,多孔沥青混合料的磨耗损失率和动稳定度显著增大,原因在于沥青老化变脆,针入度、延度逐渐降低,黏附性和集料抗剥落能力下降。动稳定度增大的原因在于老化后沥青变硬,混合料也随之变硬,承受车轮碾压时抵抗性能更强。

图2c)、d)表明,随着老化程度的加深,多孔沥青混合料的冻融劈裂强度比和低温弯曲应变逐渐降低,说明老化后多孔沥青混合料的抗冻性和低温抗裂性严重降低。主要原因在于老化后沥青混合料逐渐变硬,韧性降低,同时沥青集料间的黏附性下降,在抵抗拉应力时更容易产生裂缝破坏。

4 结语

综上,实验制备了不同条件下的混合料车辙板试件,采用小梁弯曲试验和烘箱老化试验,分别研究了多孔沥青混合料的低温性能和抗老化性能,研究结果表明:

1) 研究多孔沥青混合料低温性能影响因素,随着油石比增大,混合料低温抗裂性增加,随空隙率增大,低温性能下降,随着纤维掺量的增大,混合料低温性能先增大后减小,纤维掺量为0.3%时,低温性能达到峰值。因此,在多孔沥青混合料设计时,可通过提高油石比、降低空隙率和添加纤维等措施改善混合料的低温抗裂性能。

2) 研究多孔沥青混合料老化状态对路用性能的影响,老化状态对混合料路用性能影响显著,随着老化程度的加深,多孔沥青混合料耐磨耗性降低,高温性能得到改善,抗冻性和低温抗裂性能降低。因此,多孔沥青路面应根据路面服役年限和实际老化情况及时采取预养护措施。