基于海綿城市理念的排水瀝青路面設(shè)計研究

歐來文

摘要：文章以某市公路工程為依托，基于海綿城市理念設(shè)計了一種PAC-13排水瀝青混凝土路面上面層材料：對原材料進行了檢驗與測定;完善了排水瀝青混凝土路面的設(shè)計方法;確定了混合料為間斷級配結(jié)構(gòu)，混合料組成結(jié)構(gòu)類型為骨架空隙結(jié)構(gòu);確定了高粘改性劑的摻配比例;確定了最佳油石比，得到了排水瀝青混合料的目標配合比。

關(guān)鍵詞：配合比設(shè)計;病害;排水瀝青混凝土;海綿城市

中圖分類號：U416.217文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.016

文章編號：1673-4874（2019）09-0053-04

0引言

海綿城市理念，又被稱作低影響開發(fā)（LID），指的是將整個城市看作“海綿”，從而有效地吸收、利用城市雨水，從而在一定程度上消減城市化進程對生態(tài)環(huán)境的破壞作用。有關(guān)海綿城市建設(shè)理念，國內(nèi)專家學(xué)者已有了一定的研究。劉雙為降低城市洪澇災(zāi)害的發(fā)生，將透水混凝土應(yīng)用于海綿城市建設(shè)工程中，結(jié)合工程建設(shè)實際，提出了透水混凝土的制備工藝。余海燕等人研究了孔隙率、水灰比對透水混凝土路用性能的影響，并研究了粉塵粒徑對其堵塞情況的影響。上述學(xué)者在研究海綿城市建設(shè)路面材料的過程中，多考慮水泥混凝土的應(yīng)用，而涉及到排水瀝青混凝土的研究還有著一定的空白。在排水瀝青混合料的研究方面，李飛揚研究了高粘瀝青的制備，重點研究了混合料水穩(wěn)定性能影響規(guī)律，而對具體的設(shè)計方法并未過多涉及。

本文所述排水瀝青混合料指的是多孔瀝青混合料（PAC）。針對排水瀝青混合料的特征，對其混合料配合比優(yōu)化設(shè)計進行了研究，設(shè)計了一種PAC-13排水瀝青混凝土路面上面層材料，完善了排水瀝青混凝土路面的設(shè)計方法，對原材料進行了檢驗與測定。確定了混合料為間斷級配結(jié)構(gòu)，混合料組成結(jié)構(gòu)類型為骨架空隙結(jié)構(gòu);確定了高粘改性劑的摻配比例;確定了最佳油石比，得到了排水瀝青混合料的目標配合比。

1原材料選擇

排水性PAC-13瀝青混合料中的各項原材料種類及其性能指標對混合料使用性有著決定性的影響，本文涉及到的原材料有：SBS改性瀝青、高粘改性劑、礦粉、細集料、粗集料。

1.1瀝青

本文所述的排水PAC-13瀝青混合料選用的瀝青種類為SBS改性瀝青，該種瀝青應(yīng)用于混合料中可以有效提升道路的高溫性能以及低溫性。本文涉及到的SBS改性瀝青生產(chǎn)廠家及批次均一致，并且其中的SBS改性劑摻加量都達到了5%以上。依照《規(guī)程》對其進行檢測并得到檢測結(jié)果。本文所用的SBS改性瀝青各項指標均達到《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）的要求。其具體檢測數(shù)據(jù)見表1。

1.2 礦粉

為了充分填充排水性PAC-13瀝青混合料中的多余空隙，選用礦粉作為其填料。此外，礦粉還能促進混合料穩(wěn)定性和強度的提升。本文涉及到的礦粉含水量為0.93%、無團聚結(jié)塊的現(xiàn)象、相對表觀密度為2.828、粒徑<0.075mm的占比達95.6%，均滿足規(guī)范要求。

1.3細集料和粗集料

本文所選的集料表面具有干燥、無各類雜質(zhì)、質(zhì)地堅硬和耐風(fēng)化性能好的特征，去除了各類有害物質(zhì)，且其表面粗糙、棱角性較好、無細長顆粒、無集料形狀扁平的情況。

原材料中集料要優(yōu)先選用憎水性的集料，另外其表面更不能粘附部分夾層等，否則會影響粘結(jié)作用，尤其是在集料和瀝青之間的作用，最嚴重的后果是會引起排水性PAC-13瀝青混合料的松散。

排水性PAC-13瀝青混合料中的粗集料是非常重要的組成材料，通過粗骨科之間的擠壓以及嵌接作用，能夠搭建起骨架體系，從而確保路面的穩(wěn)定。排水性PAC-13瀝青混合料中的細集料顆粒粒徑應(yīng)<4.75mm，質(zhì)量占比大約在20%。混合料中的粗集料和細集料性能檢測數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

1.4 纖維

本文所述的排水性PAC-13瀝青混合料類型為骨架空隙型，為了提升填料和瀝青間粘結(jié)力并增強混合料穩(wěn)定性，可以在其中摻加適量的木質(zhì)纖維素，其摻量確定為混合料質(zhì)量的0.35%。

1.5高粘改性劑

本文所述排水性PAC-13瀝青混合料中的高粘劑選用高粘添加劑。這種高粘添加劑是由高分子聚合物構(gòu)成的，能夠顯著提升SBS改性瀝青的動力黏度，提高礦質(zhì)集料以及高粘改性瀝青之間的粘結(jié)力，最終達到增強混合料高低溫性能、水穩(wěn)性、強度以及耐疲勞和抗分散等多方面性能的目的。

2混合料的級配組成設(shè)計方法

2.1優(yōu)選設(shè)計方法

瀝青混合料力學(xué)性質(zhì)和路用性能由礦質(zhì)集料間內(nèi)摩阻力以及瀝青膠漿粘結(jié)力直接決定。美國SHRP對瀝青混合料路用性能的影響因素進行過分析，包括有混合料級配、礦質(zhì)集料、瀝青膠漿等。不難發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法對此類新型路面材料有著決定性的影響作用。

采用間斷型級配設(shè)計方案可以充分利用粗集料之間的嵌擠作用，為混合料提供一個穩(wěn)定的骨架支撐，由此方案設(shè)計出來的排水性瀝青混合料有著很好的抗車轍性能。故本文選用粗集料間斷級配的設(shè)計方案，用于研究排水性PAC-13瀝青混合料配合比的優(yōu)化設(shè)計。

2.2 模型建立

本文所采用的排水性PAC-13瀝青混合料間斷型級配設(shè)計方法相較于連續(xù)型級配設(shè)計方法，其最大的不同之處在于礦料級配的搭配方案，而且采用粗集料斷級配設(shè)計方法的瀝青混合料有著很好的路用性能。

在級配的構(gòu)建過程中，采用雙級配曲線合成的方案，也就是“兩線三點”的混合料級配設(shè)計模型，而非直接取用寬級配范圍。

首先需要將各個關(guān)鍵篩孔尺寸及每個篩孔尺寸的通過率確定好，規(guī)定礦料的公稱最大粒徑以及公稱最大粒徑的通過率;隨后規(guī)定混合料中集料粒徑≥4.75mm的碎石含量;再規(guī)定混合料中的礦粉占比，隨后得到兩條集料的級配曲線，將二者連接起來成為新的間斷級配曲線.從理論上來說，通過兩個關(guān)鍵點的曲線可以構(gòu)造出無數(shù)條。按以往的經(jīng)驗及應(yīng)用實例，現(xiàn)階段常用的是三類曲線模型，分別為對數(shù)函數(shù)模型、指數(shù)函數(shù)模型以及冪函數(shù)模型。采用的級配曲線模型種類不同，得到的各篩孔礦料通過率也隨之改變，最終得到的瀝青混合料性能也會有明顯的差異.本文所述排水性PAC-13瀝青混合料的級配模型選擇冪函數(shù)模型，最終擬定的0.075-4.75mm冪函數(shù)公式為y=16.745x，4.75-13.2mm冪函數(shù)公式為y=4.8145x。

3高粘復(fù)合改性瀝青

3.1高粘改性劑摻配比例

首先確定高粘改性劑摻配比例為6%（質(zhì)量占比），對形成的高粘復(fù)合改性瀝青進行動力黏度檢測，得到動力黏度檢測數(shù)值為1.86×10Pa·s，無法滿足規(guī)范中2×10Pa·s的要求，因此需調(diào)整高粘改性劑和SBS改性瀝青之間的質(zhì)量比。

最終得到的高粘改性劑摻配比例為7%，對形成的高粘復(fù)合改瀝青進行動力黏度檢測，得到的動力黏度檢測數(shù)值為2.64×10Pa·s，滿足規(guī)范要求。

3.2 高粘復(fù)合改性瀝青制備

高粘復(fù)合改性瀝青的制備方式：將SBS改性瀝青及高粘改性劑混合后高速剪切20min，設(shè)定剪切的速度為5000轉(zhuǎn)/min、剪切溫度為180℃。待剪切完成后，將剪切后的瀝青置于190℃的烘箱中保存20min即可。

4配合比設(shè)計結(jié)果

4.1級配參照

為滿足排水性PAC-13瀝青混合料路用性能要求，保證瀝青混合料的飽和度，減少水的滲入和高溫季節(jié)的泛油現(xiàn)象。在其礦質(zhì)集料級配設(shè)計過程中參照的是常規(guī)PAC-13瀝青混合料間斷級配的設(shè)計方案，其要求如表4所示。

4.2礦質(zhì)集料級配設(shè)計

初擬了3種礦質(zhì)集料級配方案，將礦質(zhì)集料按照礦粉、0-5mm、5-10mm以及10-15mm成4組，針對每組礦料選用不同的搭配比例，形成三種礦質(zhì)集料具體設(shè)計方案。其搭配比例方案分別為12：18：29：41;12：16：30：42以及10：12：28：50。

初擬油石比為5.0%，對3種方案分別進行馬歇爾擊實試驗，以體積指標為參照，選取最佳級配方案為方案3。

礦質(zhì)集料的設(shè)計結(jié)果見表5，為選定最佳級配方案測定的各數(shù)據(jù)結(jié)果如表6所示。

4.3最佳油石比

為得到排水性PAC-13瀝青混合料的最佳油石比，以上述方案3的礦質(zhì)集料級配為基準，對油石比為4.0%、5.0%以及6.0%的混合料采用馬歇爾法進行測定與計算，具體試驗結(jié)果如下頁表7所示。

結(jié)果表明：隨著油石比的不斷提升，理論相對密度整體呈現(xiàn)出下降的趨勢，但其下降趨勢并不明顯;與之類似，毛體積相對密度的變化值總體呈現(xiàn)略微上升趨勢，變化同樣不明顯;VV的變化率最大，從4.7%下降到了4.0%;VMA和VCA較為穩(wěn)定，而VFA則呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，下降率達到了4.5%;穩(wěn)定度總體呈現(xiàn)出上升趨勢，而流值變化相對較小。

因此得出結(jié)論，以礦粉、0-5mm、5-10mm以及10-15mm四類礦質(zhì)集料按照10：12：28：50的比例設(shè)計級配方案，得到的排水性PAC-13瀝青混合料最佳瀝青用量為6.0%。測定過程中的各項指標均達到了規(guī)范要求。

5 工程應(yīng)用

將排水性PAC-13瀝青混合料實鋪于某市公路改造工程，該路段總長16.7km.

選用礦粉、0-5mm、5-10mm以及10-15mm四類礦質(zhì)集料按照10：12：28：50的比例設(shè)計級配方案，同時規(guī)定排水性PAC-13瀝青混合料瀝青用量為6.0%，并以此為基準進行鋪筑。

依照《規(guī)程》對瀝青進行檢測并得到檢測結(jié)果。所用的SBS改性瀝青各項指標均達到《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。優(yōu)選的礦粉，無團聚結(jié)塊的現(xiàn)象;粗細集料表面均具有干燥、無各類雜質(zhì)、質(zhì)地堅硬、耐風(fēng)化性能好的特征，去除了其中各類有害物質(zhì)，并且表面粗糙、棱角性較好、無細長顆粒、無集料形狀扁平的情況;摻加適量的木質(zhì)纖維素，其摻量確定為混合料質(zhì)量的0.35%。

鋪筑施工流程一般首先對局部基面進行銑刨，然后清理路面，再撒布乳化瀝青及攤鋪瀝青，最后對路面進行碾壓處理，待自然降溫后即可開放交通.在攤鋪路段的中底層施工后，在其上加鋪4.0cm（高粘改性劑占比為7%）排水性PAC-13瀝青混合料。完成鋪筑、碾壓成型等工作后，得到的路面施工質(zhì)量滿足《城市道路工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范（CJJ1-2008）》標準。后續(xù)進行了抗滑值和滲透系數(shù)測定，抗滑值達到68%-73%，滿足設(shè)計值及路面使用要求。

6 結(jié)語

（1）排水性PAC-13瀝青混合料類型為骨架空隙型，礦質(zhì)集料級配類型為間斷級配。

（2）木質(zhì)纖維素摻量確定為混合料質(zhì)量的0.35%，高粘改性劑摻配比例為7%。

（3）礦粉、0-5mm、5-10mm以及10-15mm最佳比例為10：12：28：50。

（4）以最佳礦質(zhì)集料比例為基準，得到的最佳油石比為6.0%。