不同类型超薄层沥青混合料的水稳定性研究
摘要
采用浸水车辙试验和冻融劈裂试验分别评价了Type-B(美国级配)、改良型SMA-10、OGFC-10这3种级配和SBS改性沥青、普通沥青+8%抗车辙剂和高黏弹沥青3种结合料组成的9种超薄层沥青混合料的水稳定性。试验结果表明:有5种超薄层沥青混合料，即Type-BSBS改性沥青混合料、改良型SMA-10SBS改性沥青混合料、Type-B高黏弹沥青混合料、改良型SMA-10高黏弹沥青和OGFC-10高黏弹沥青混合料满足现有规范对水稳定性的要求，其中改良型SMA-10高黏弹沥青混合料的综合性能最优，其条件前后的车辙动稳定度不仅分别是其他8种混合料的2.0～4.5倍和2.0～4.7倍。推荐该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预防性养护或维修。
关键词
道路工程 | 超薄层沥青混合料 | 水稳定性 | 浸水车辙试验 | 冻融劈裂试验
超薄层沥青路面具有良好的抗滑性、排水性、降噪性并可以在雨天减少水雾，提高行车明视度等特点并具有抗变形能力好，使用耐久，施工维护成本低等优点，在高速公路沥青路面预防性养护和城市道路路面功能恢复等用途中得到广泛应用<1-3>。但超薄层沥青路面由于厚度仅为1.5~2.5cm，空隙率大，一般10%以上，骨料露于表面，在汽车荷载作用下，浸入沥青混合料骨料间的水会不断产生水压和泵吸循环作用，从而淘洗和剥离黏附在集料表面的黏结材料，使沥青混合料散失黏结性而松散、掉粒，形成坑槽、坑洞甚至大面积的破坏。因此超薄层沥青路面的水稳定性问题越来越引起路面工作者的高度重视<4-6>。
对沥青混合料或超薄层沥青混合料的抗水损害能力的评价，目前国内外主要采用传统的非定量的水煮法、浸水马歇尔试验和冻融劈裂法或Lottman(AASHTOT283方法)。比如:P.J.Frazier等<6>、刘朝晖等<7>、薛国强<8>、程永春等<9>均只采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂法研究了超薄层沥青混合料的水稳定性。
虽然T.Aschenbrener<10>和李进等<11>采用Hamburg车辙仪研究了沥青混合料的永久变形，但并没有比较未浸水和浸水两种条件下的变化趋势。国外学者F.J.Pretorius等<12>、H.Musty等<13>、T.M.Gil-bert等<14>和I.I.AI-Qadi等<15>也只根据工程应用现状评价了超薄层沥青路面的抗开裂性能、抗滑性能、抗疲劳性能和水损害性能。而采用浸水车辙试验方法研究超薄层沥青混合料的水稳定性只有少量报道，如石蕾<16>、杨毅<17>和李双艳<18>采用浸水车辙试验方法分别研究了不同结合料类型、不同荷载强度和不同空隙率对橡胶沥青混合料的水稳定性的影响。
浸水车辙试验的水稳定性评价方法是以试件条件前后的物理或力学指标的衰变程度来表征，是模拟汽车在雨天沥青路面有水或积水情况下反复碾压，汽车轮压挤压水产生动水压力并对裹覆在骨料上的黏结材料受到冲刷作用，使黏结材料膜被剥离，从而导致沥青混合料松散、骨料脱落等现场状况来评价沥青混合料抗水损害的能力。
笔者结合福州市近年的旧路路面提升改造工程需要，分别采用冻融劈裂法和浸水车辙试验方法研究了Type-B、改良型SMA-10、OGFC-10等3种级配和SBS改性沥青、普通沥青+8%抗车辙剂和高黏弹沥青3种结合料组成的9种沥青混合料的抗水损害性能，以便为工程优选出一种既环保又经济和性能优良的超薄层沥青混合料。
一、材料性能及试验
1.1材料性能
3种黏结材料的性能列于表1。3种混合料用集料均为玄武岩，填料为石灰岩磨细矿粉，其性能指标均满足JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》(以下简称《规范》)<19>的要求。纤维采用木质素纤维，质量满足《规范》要求。
1.2关于级配的选用
笔者选用的3种公称粒径10的级配都偏粗，目的是为确保超薄层沥青混合料的空隙率大于10%，有利于排水、降低行车水雾、降噪和提高抗滑能力等方面的性能。同时粗集料集中，铺筑出的路面看起来会均匀美观。
1.3级配及最佳油石比
沥青混合料用级配见表2。不同结合料与级配组合的9种混合料的马歇尔性能及最佳油石比见表3。
1.4常规车辙试验和浸水车辙试验
浸水车辙试验(称为条件后)是将试件置于车辙试验仪中在60℃空气温度下保温6h，再放入60℃水槽中，试件浸水深度1.5cm，恒温30min后进行浸水车辙试验。浸水车辙试验的步骤和数据采集与常规车辙试验(称为条件前)一致。9种混合料条件前后的车辙试验结果汇总于表4。
1.5冻融劈裂试验
冻融劈裂试验按照规范要求进行试验。试验结果见表5。
二、分析与讨论
2.1油石比及其影响
从表3结果看出，3种级配的油石比差别较大，改良型SMA-10的油石比最高，OGFC-10的油石比最低，Type-B的油石比则介于两者之间。但级配相同时，不同结合料的油石比差异不大。显然，从动稳定度和冻融劈裂强度结果表明，改良型SMA-10高的油石比不仅对高温稳定性没有影响，还显著提高了抗水损害能能力。从而说明为了提高超薄路面的耐久性，有必要选择合适的级配以提高结合料的用量。
2.2级配类型的影响
从表4的结果表明，无论是条件前还是条件后的动稳定度和冻融劈裂强度，级配类型对高温稳定性和水稳定性都有影响。当结合料相同时，改良型SMA-10的动稳定度和冻融劈裂强度都最高，其次是Type-B，OGFC-10最低。而且不同级配的混合料条件后的动稳定度和冻融劈裂强度降低幅度差异相对较大，其中OGFC-10混合料的降低最显著，其次是TypeB混合料，改良型SMA-10混合料的最小。这表明级配类型对水损害的影响较大。其原因是改良型SMA-10混合料由于级配组成最佳，加之纤维的增强增韧作用以及能容纳较高的结合料用量，结构组成的空隙率处于合理状态，所以表现出优良的综合路用性能;而OGFC-10混合料恰恰不具备改良型SMA-10混合料的上述优点，所以表现出的综合路用性能较差。
2.3结合料的影响
当级配相同时，在最佳油石比下，高黏弹沥青结合料的动稳定度最高，动稳定度接近后两者的5倍。SBS改性沥青的其次，而70#重交沥青+0.8%抗车辙剂复合结合料的最低。后两者结合料由于黏度差不多，动稳定度差异不大。
在水稳定性方面，也是结合料黏度越高的混合料，条件前后的动稳定度绝对值越大，而且降低幅度越小;劈裂强度虽然绝对值不高，但条件前后的降低幅度也越小。这充分反映了黏度高、弹性好的沥青结合料和改良的SMA级配相组合可获得显著的抗车辙能力和抗水损害性能。
但总体上，两种实验方法评价的结果表明有5种超薄层沥青混合料即TypeBSBS改性沥青混合料、改良型SMA-10SBS改性沥青混合料、Type-B高黏弹沥青混合料、改良型SMA-10高黏弹沥青混合料和OGFC-10高黏弹沥青混合料的水稳定性满足现有规范要求。其中改良型SMA-10高黏弹沥青混合料的综合性能最优，比如条件前后的车辙动稳定度分别是其他8种混合料的2.0~4.5倍和2.0~4.7倍。
因此，建议对超薄路面的混合料设计时，不仅要重视选用适合的结合料，还要重视级配类型的设计和选用。并通过合理的级配类型设计和结合料选用来提高混合料的油石比，从而提高超薄路面的耐久性。
三、结论
通过浸水车辙试验和冻融劈裂试验，研究了3种结合料和3种级配组成的9种混合料的水稳定性能，结果表明:
1)级配类型和结合料种类是影响超薄层沥青混合料水稳定性的主要因素。根据两种实验方法评价的结果，满足现有规范对水稳定性要求的超薄层沥青混合料有5种类型，分别是TypeBSBS改性沥青混合料、改良型SMA-10SBS改性沥青、Type-B高黏弹沥青混合料、改良型SMA-10高黏弹沥青和OGFC-10高黏弹沥青混合料。其中改良型SMA-10高黏弹沥青混合料的综合性能最优，比如条件前后的车辙动稳定度分别是其他8种混合料的2.0~4.5倍和2.0~4.7倍。
2)对超薄路面的混合料设计，不仅要重视选用适合的结合料，还要重视级配类型的设计和选用。并通过合理的级配类型设计和结合料选用来提高混合料的油石比，从而提高超薄路面的耐久性。
3)鉴于满足现有规范对水稳定性要求的超薄层沥青混合料有5种。因此在实际工程中，可根据道路的重要性、交通量和交通荷载、气候条件和投资等，合理选用超薄层沥青混合料。比如对重要的城市主干道、高速公路或重交通道路的预防性养护或维修，可选择综合性能优的改良型SMA-10高黏弹沥青混合料。
4)鉴于采用浸水车辙试验方法来评价沥青混合料的抗水损害性能的研究报道不多，考虑到目前采用浸水车辙试验方法设置的条件不够严酷，无法显著区分沥青混合料的结合料和级配变化产生的影响。因此用浸水车辙试验方法来评价沥青混合料的试验方法有待进一步研究。
全文完首发于《重庆交通大学学报( 自然科学版)》2016年4月。
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