大空隙排水瀝青混合料試驗(yàn)研究

彭永恒，何冰山，張智潔，王 慧，唐瓊禎

(大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連116605)

中國年平均降水量約為630 mm，降水量呈由內(nèi)地西北方向至沿海遞增的特點(diǎn)，且海岸線長度較長。普通的瀝青路面通過路面橫坡或縱坡排水，該排水方式使得路面雨水較長時間依附于道路表面，增加了路表水膜厚度，車輛高速運(yùn)行時就很容易發(fā)生水滑或者水漂現(xiàn)象，給行車帶來很大的安全隱患。

排水瀝青路面具有抗滑、排水、降噪等多重優(yōu)點(diǎn)，因其較為優(yōu)良的路用性能，相繼在美國、日本、澳大利亞等國家得到廣泛應(yīng)用［1］。隨著國內(nèi)高等級公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展需要，排水瀝青混合料亦將得到充分應(yīng)用。通過對瀝青混合料各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)研究，得出較為理想的排水性大空隙混合料。

1 原材料與技術(shù)要求

大空隙排水瀝青混合料集料采用粗集料含量較高，細(xì)集料含量較低，結(jié)構(gòu)空隙率比較大的間斷集配，組成結(jié)構(gòu)為骨架空隙結(jié)構(gòu)。混合料孔隙率一般為18% ～22%，瀝青用量為4% ～6.5%。

1.1 瀝青

瀝青作為膠結(jié)料，根據(jù)不同面層結(jié)構(gòu)的需要采用瀝青類型。試驗(yàn)選用高溫穩(wěn)定度較好、粘結(jié)性強(qiáng)的改性瀝青。改性瀝青三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 改性瀝青技術(shù)要求

1.2 混合料集配選擇

排水瀝青混合料以粗集料為主，試驗(yàn)粗集料均采用玄武巖碎石。細(xì)集料和礦粉采用石灰石，集配類型選擇AC-20。

在混合料中添加合適的外加劑能有效的改善混合料的耐久性和穩(wěn)定性。實(shí)踐證明選擇瑪蹄脂作為外加劑不僅有上述兩種優(yōu)良性質(zhì)，還能與瀝青形成的纖維膠泥和骨料之間形成一種嵌瑣結(jié)構(gòu)，有效提高骨料之間的聯(lián)結(jié)。因此選擇兩組對比試驗(yàn)，一組為未添加外加劑的混合料，另外一組以瑪蹄脂作為外加劑添加到混合料中?，斕阒瑩搅繛?0.15%［2］。

2 試驗(yàn)組成材料確定

2.1 礦料集配

根據(jù)大空隙排水路面性能機(jī)理，確定目標(biāo)孔隙率為18% ～22%，通過參考資料確定礦料合成集配，具體技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 礦料合成集配

2.2 最佳瀝青用量

瀝青最佳用量采用析漏和飛散試驗(yàn)綜合法［3-4］確定。析漏試驗(yàn)是將1 kg瀝青混合料和放置瀝青混合料的燒杯一并放入烘箱中，保持180℃恒溫1 h，然后將燒杯內(nèi)混合料倒出，測定粘附在容器上的瀝青量作為析漏損失量，最后根據(jù)公式計算出瀝青損失量。飛散試驗(yàn)是將制作好的瀝青混合料馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件放在20℃水中浸泡20 min后放入洛杉磯磨耗儀中旋轉(zhuǎn)300次，以試件的質(zhì)量損失來評價混合料的粘聚性。分別按照不同的瀝青用量做瀝青析漏和飛散試驗(yàn)，繪制出析漏損失和瀝青用量、飛散損失與瀝青用量的關(guān)系曲線，從前者曲線的突h變點(diǎn)，同時結(jié)合后者曲線的最低瀝青用量，確定出瀝青的最佳用量。通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計瀝青用量以5.0%為中值，取瀝青用量為4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，6.0%，分別做成標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件。通過對不同瀝青用量的馬歇爾試件試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，繪制出馬歇爾高溫(60℃)穩(wěn)定度、流值、密度、孔隙率的關(guān)系，如圖1。由圖中可以看出，高溫穩(wěn)定度、密度與瀝青用量呈拋物線趨勢，均在5.0%前后出現(xiàn)峰值;從流值和孔隙率來看，分別與瀝青用量成正比和反比關(guān)系，但在瀝青用量接近5.0%時，斜率均出現(xiàn)一個較大的波動。故選擇瀝青用量在未達(dá)到5.0%為佳，綜合分析確定出瀝青最佳用量為4.8%。

圖1 瀝青用量與穩(wěn)定度、流質(zhì)、密度和孔隙率的關(guān)系

3 性能試驗(yàn)及分析

在中國，排水瀝青混合料尚未得到廣泛的應(yīng)用，在實(shí)用性、耐用性等方面需要更加深入的了解。本次試驗(yàn)在混合料的排水性能、穩(wěn)定性和耐久性方面進(jìn)行研究。內(nèi)容主要包括:馬歇爾高溫穩(wěn)定度試驗(yàn)、小梁劈裂試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)。為了更好的了解添加瑪蹄脂對其相關(guān)性能的影響，采用兩組進(jìn)行試驗(yàn)對比。

3.1 馬歇爾試件密度試驗(yàn)

密度試驗(yàn)主要驗(yàn)證試件在密度、孔隙率方面是否滿足設(shè)計要求。試件采用101.6 mm×63.5 mm的馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)試件擊實(shí)25次，尺寸誤差±0.2 mm，通過游標(biāo)卡尺量取試件實(shí)際高度，計算得出試件表觀體積。再測定出試件的質(zhì)量和毛體積，以此確定試件的孔隙率和密度。本試驗(yàn)試件密度和孔隙率分別在2.93 g·cm-3～3.44 g·cm-3和18% ～22%，均滿足設(shè)計要求。

3.2 高溫馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

排水混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)分別采用有瑪蹄脂和無瑪蹄脂兩組對比試驗(yàn)，每組對比試驗(yàn)5個試件。馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)是對標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件在規(guī)定的穩(wěn)定和速度下受壓，測定混合料的穩(wěn)定度和流質(zhì)等指標(biāo)。本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法，在試驗(yàn)前，將試件放入60℃恒溫水域中45 min做高溫處理。將從恒溫水域中取出的試件立即試驗(yàn)。得出馬歇爾穩(wěn)定度及流值數(shù)據(jù)見表3。

表3 馬歇爾高溫穩(wěn)定度及流值

根據(jù)中國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，高速、一級I型瀝青混凝土高溫穩(wěn)定度不小于7.5 kN，抗滑表層穩(wěn)定度不小于5 kN;其他公路I型瀝青混凝土穩(wěn)定度不小于5 kN。從本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，瀝青用量為4.8%，同時高速、一級公路流值標(biāo)準(zhǔn)為2.0～4.0 mm;其他公路2.0～4.5 mm，穩(wěn)定度和流值均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，且添加0.15%瑪蹄脂的混合料試驗(yàn)結(jié)果較前者更佳。

3.3 低溫抗裂性能試驗(yàn)

在低環(huán)境溫度下瀝青路面將會有體積收縮變形的情況發(fā)生，同時會產(chǎn)生隨機(jī)大小的溫度應(yīng)力;當(dāng)溫度超過瀝青混合料的低溫應(yīng)力時，由于應(yīng)力來不及松弛就會發(fā)生路面破損。試驗(yàn)確定混合料具有一定的抵抗低溫變形能力。

有研究表明，低溫抗裂性試驗(yàn)(即瀝青混合料彎曲試驗(yàn))是對指定一個標(biāo)準(zhǔn)尺寸小梁試件施加集中荷載至斷裂破壞記錄對應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的試驗(yàn)。選擇車轍試驗(yàn)成型機(jī)制作的試件，將其切割成標(biāo)準(zhǔn)小梁試件尺寸。采用2組×3個試件做對比試驗(yàn)。按照試驗(yàn)要求，溫度為 -10℃，以50 mm·min-1速率加載。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，添加0.15%瑪蹄脂的混合料明顯具有較好的低溫抗裂性能。

3.4 車轍試驗(yàn)

動穩(wěn)定度通過車轍試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算得出，表示瀝青路面受環(huán)境溫度影響的穩(wěn)定性能。在高溫季節(jié)，受路面交通量重復(fù)荷載作用，路面行車將產(chǎn)生車轍。室內(nèi)車轍試驗(yàn)即模擬測定混合料抗車轍能力。車轍試驗(yàn)試件采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸，將試件固定于車轍試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)板上，用固定荷載壓強(qiáng)為0.7 MPa的橡膠輪以42次·min-1反復(fù)輪碾，測定其每增加變形1 mm的碾壓次數(shù)，即動穩(wěn)定度。試驗(yàn)控制溫度60℃，試件采用瀝青用量4.8%，兩組對比試驗(yàn)。

中國瀝青路面施工規(guī)范對動穩(wěn)定度要求為:高速公路 780次·mm-1，一級公路600次·mm-1，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG-2011)要求，混合料試件的動穩(wěn)定度公式為

式中，DS為瀝青混合料的動穩(wěn)定度，d1為對應(yīng)于時間t1的形變量，d2為對應(yīng)于時間t2的形變量，C1為試驗(yàn)機(jī)類型系數(shù)，該試驗(yàn)機(jī)取1.0，C2為試件系數(shù)，試件寬300 mm，按要求取1.0，N為試驗(yàn)輪往返碾壓速度。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算結(jié)果見表5。

表5 混合料車轍性能試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，同等條件下，大空隙瀝青混合料(AC-20)的高溫穩(wěn)定性能同普通密集配AC-13混合料相差不大。說明該混合料并沒有因?yàn)槠浯罂障抖绊懙交旌狭系母邷乜管囖H性能。

3.5 透水試驗(yàn)

排水瀝青混合料，顧名思義最主要的功能就是起到排水的功效。混合料的透水性能主要與空隙率(集料選擇)、瀝青用量有關(guān)。透水性試驗(yàn)其實(shí)很難模擬出不同降水量透水的情況，為提高與實(shí)際路面透水情況吻合度，采用室內(nèi)簡化試驗(yàn)方法。將制成的馬歇爾試件不脫模冷卻后將試件浸水一小時以上，讓時間充分吸水達(dá)到飽和狀態(tài)。將帶模試件取出，然后量取100 mL水，倒入試件上表面，此時開始計時，待試件表面全部滲入試件內(nèi)讀取記錄時間。滲透系數(shù)k為

式中，Q為注入水量，100 mL;A為試件表面積，81.07 cm2;t為滲透時間;h為試件高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6。

表6 透水系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，使用大空隙混合料在排水性能上明顯優(yōu)于普通瀝青混合料。

3.6 殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)

為評價混合料的抗剝落耐久性的指標(biāo)，試驗(yàn)使用3.5中通過滲水試驗(yàn)的試件進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 滲水試件殘留穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，大空隙排水瀝青混合料同普通瀝青混合料在殘留穩(wěn)定度中，雖然有一定差距，但是影響很小。這和控制瀝青用量和添加瑪蹄脂有重要的關(guān)系。

4 結(jié)語

通過對排水瀝青混合料最佳瀝青用量的確定，對混合料強(qiáng)度、穩(wěn)定性、排水性能以及滲水殘留穩(wěn)定度等的試驗(yàn)分析，提出了排水瀝青路面混合料的設(shè)計方法和相關(guān)指標(biāo)。試驗(yàn)采用瀝青用量為4.8%、添加0.15%瑪蹄脂作為外加劑，主要以粗集料為主，空隙率在18% ～22%的大空隙瀝青混合料時，試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足國內(nèi)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，排水效果良好，為今后排水瀝青路面的施工技術(shù)提供了可借鑒的參考數(shù)據(jù)。

［1］黃勇生，項(xiàng)新里.排水瀝青混合料試驗(yàn)研究［J］.國外公路，2001，2(1):42.

［2］張鋒，李林波，李玉龍，等.大空隙排水性瀝青路面配合比設(shè)計與實(shí)施［J］.公路，2008(4):112.

［3］李平.超磨耗層配合比設(shè)計與路用性能研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2011.

［4］鐘科，羅桑.小粒徑大空隙排水瀝青混合料性能試驗(yàn)［J］.公路交通科技，2013(6):3-4.