山地海綿城市透水瀝青混合料配合比設(shè)計研究*

吳國雄 余 樂 陳 灝 葉新雨 張興梅

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院1) 重慶 400074) (重慶建筑工程職業(yè)學(xué)院2) 重慶400039) (重慶工商職業(yè)學(xué)院3) 重慶 400052)

0 引 言

2014年重慶兩江新區(qū)悅來新城被選為全國海綿城市試點地區(qū)之一，根據(jù)總體規(guī)劃要求，悅來新城年徑流總量控制率指標(biāo)要求達(dá)到80%，10 000 m2的硬地調(diào)蓄容量應(yīng)達(dá)到130 m3以上.道路作為城市面源污染最主要的來源，是減少徑流源頭的主要對象.但城市道路建設(shè)面積有限，普通路面鋪裝難以滿足徑流控制要求[1]，因此，研究具有滲水、蓄水和排水功能的透水瀝青路面混合料在海綿城市建設(shè)中具有重要意義.

目前，常規(guī)的透水瀝青混合料配合比設(shè)計基本采用體積法測定試件的空隙率，其中用真空實測法確定理論最大相對密度[2-3]，而透水瀝青混合料多選用高粘改性瀝青，使得試驗中很難對集料進(jìn)行分散，測量結(jié)果偏低，導(dǎo)致試驗結(jié)果準(zhǔn)確性降低.蔣瑋[4]在透水瀝青混合料配合比設(shè)計中提出一種確定最佳瀝青用量的新方法，但計算結(jié)果相對偏高；趙亮[5]提出了一種基于滲透設(shè)計和承載力驗證的設(shè)計方法，但未考慮不同地區(qū)的地形情況；阮鹿鳴[6]認(rèn)為在坡度、荷載及海拔耦合作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)的受力情況均比平原地區(qū)平坡段更加不利，要求路面提供更高的承載力.而雨季時山地城市降雨歷時短、徑流速度快、雨水易沿著縱坡向低洼處匯集[7].同時由于山地城市縱坡較大，相較于平原地區(qū)透水瀝青路面的滲透率可以適當(dāng)降低.鑒于以上原因，基于“以承載能力為主，兼顧滲水性能”的設(shè)計思路，可以結(jié)合體積法和計算法進(jìn)行山地海綿城市透水瀝青混合料配合比設(shè)計.

1 原材料選擇

1.1 瀝青

透水路面在使用過程中瀝青與水接觸時間較長，會降低瀝青與集料間的粘度從而發(fā)生剝離.因此，宜使用高粘度改性瀝青來增加混合料的抗水損壞性和抗剝落性[8].設(shè)計選擇SBS I-C高粘度改性瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)見表1.

表1 SBS I-C瀝青基本技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.2 粗集料

對于透水瀝青混合料而言，粗骨料應(yīng)選擇有較高的強(qiáng)度，耐磨性和抗沖擊性的堿性石料作為骨架，如玄武巖、安山巖、鐵砂巖等.選用四川宜賓的玄武巖作為粗集料，粗集料的各項主要技術(shù)指標(biāo)見表2.

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.3 細(xì)集料

透水瀝青混合料中細(xì)集料一般不采用開采成本較高的天然砂，而采用成品更加規(guī)則的機(jī)制砂.選用重慶本地的石灰?guī)r作為細(xì)集料，細(xì)集料的各項主要技術(shù)指標(biāo)見表3.

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

1.4 填料與添加劑

透水瀝青混合料的填料采用石灰?guī)r礦粉，并加入0.3%的木質(zhì)素纖維作為添加劑，以提高透水瀝青混合料的久性.填料與添加劑的主要技術(shù)指標(biāo)見表4～5.

表4 木質(zhì)素纖維性能檢測結(jié)果

表5 礦粉性能檢測結(jié)果

2 配合比設(shè)計流程

2.1 目標(biāo)空隙率確定

在透水瀝青路面配合比設(shè)計時，需要明確滲水能力與承載能力之間的主次關(guān)系.確定山地海綿城市透水瀝青混合料目標(biāo)空隙率時，應(yīng)以承載力為主，兼顧滲透功能.徐皓等[9]研究表明排水性瀝青混合料的空隙率與滲透系數(shù)有著良好的相關(guān)性為

k=0.505 3n2-0.014 5n+0.003 4

(1)

式中：n為空隙率，%；k為滲透系數(shù)，cm/s.

可見空隙率越大，混合料的滲透系數(shù)也隨之變大.參看文獻(xiàn)[10]可以知道排水性瀝青混合料的空隙率與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系為

Rc=-0.235 6n+9.717 3

(2)

式中：n為空隙率，%；Rc為抗壓強(qiáng)度，MPa.

由式(2)可知，隨著混合料空隙率的增大，其抗壓強(qiáng)度隨之減小.通過空隙率的聯(lián)系，可以知道滲透系數(shù)與抗壓強(qiáng)度間的關(guān)系，即滲透系數(shù)增大，抗壓強(qiáng)度會降低.因此，過度增大空隙率以提高滲透能力的作法不合理，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降.根據(jù)文獻(xiàn)[11]中的要求，透水瀝青混合料空隙率范圍應(yīng)在18%～25%之間，在滿足相關(guān)規(guī)范的前提下，目標(biāo)空隙率宜靠近規(guī)范下限，減小滲透系數(shù)，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度，所以將目標(biāo)空隙率擬定為18%.

2.2 擬選級配

級配設(shè)計參考日本大孔隙排水瀝青路面比較成熟的設(shè)計方法，同時結(jié)合文獻(xiàn)[11]中對透水瀝青混合料礦料級配范圍規(guī)定，將3組具有不同2.36 mm篩孔通過率的礦料級配作為初選級配，結(jié)合2.4中空隙率的測定過程對其他篩孔的通過率進(jìn)行微調(diào)后見表6.

表6 礦料級配組成情況

2.3 初試瀝青用量計算

根據(jù)選取的三組礦料級配，通過瀝青膜厚度來計算初試瀝青用量Pb.透水瀝青膜厚度h一般為10～14 μm，本設(shè)計取14 μm，初試瀝青用量為

A=(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+

0.3e+0.6f+1.6g)/48.74

(3)

Pb=h×A

(4)

式中：A為集料總的表面積.a，b，c，d，e，f及g分別為4.75，2.36，1.18，0.6，0.3，0.15及0.075 mm篩孔的通過的質(zhì)量分?jǐn)?shù).根據(jù)式(3)和式(4)計算出設(shè)計級配1的初試瀝青用量為4.5%，設(shè)計級配2為5.0%，設(shè)計級配3為4.6%，對應(yīng)的油石比分別為4.7%，5.2%，4.8%.

2.4 空隙率測定

根據(jù)計算出的初試瀝青用量，在拌和溫度為180 ℃，擊實溫度為160 ℃左右的條件下，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實法成型馬歇爾試件.由于改性瀝青黏度大，僅靠人工分散難以達(dá)到小于6 mm的要求，有纖維時分散更難，而且在小于6 mm的集料中仍有許多氣泡，相同的真空和振動情況下集料不能繼續(xù)分散，封閉在集料間的空氣不能跑出.因此采用真空法的測量結(jié)果偏小，故通過計算法求取測理論最大相對密度，其計算式為

γse=C×γsa+(1-C)×γsb

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：γse為合成礦料的有效相對密度；C為瀝青吸收系數(shù)取0.7；γsa為礦料的合成表觀相對密度；γsb為礦料的合成毛體積相對密度；P1，P2，…，Pn為各種礦料占礦料總質(zhì)量的百分率；1，γ＇2，…，γ＇n為各種礦料的表觀相對密度；γ1，γ2，…，γn為各種礦料的相對密度；γt為計算瀝青混合料對應(yīng)油石比的理論最大相對密度；Pa為油石比；Px為纖維用量取0.3%；γx為25 ℃時纖維的相對密度，取0.802；γb為25 ℃時瀝青的相對密度，取0.958.

體積法測定試件的毛體積密度前，應(yīng)先清理試件的表面，去除試件表面殘留的混合料及雜質(zhì)使試件表面保持干凈平整，然后采用十字對稱測量試件高度4次，取其平均值，測量上下2個斷面的長度取其平均值作為直徑，其計算式為

(9)

γs=ρs/0.997 1

(10)

(11)

式中：d為試件的直徑；h為試件的高度；ρs為試件的毛體積密度；ma為干燥試件的空中質(zhì)量；γs為試件的25 ℃時的毛體積相對密度；VV為試件的空隙率.根據(jù)式(9)～(11)得到的計算結(jié)果見表7.

表7 理論最大相對密度和空隙率計算結(jié)果

由表7可知，三種設(shè)計級配的空隙率都在目標(biāo)空隙率附近.其中設(shè)計級配2制作的試件空隙率為18.038%，最符合目標(biāo)空隙率18%的要求，所以選擇確定設(shè)計級配2的最佳瀝青用量.采用體積法測定空隙率時，因試件的直徑和高度對毛體積相對密度影響較大，必須嚴(yán)格控制試件尺寸的精度以保證空隙率的準(zhǔn)確性.

2.5 確定最佳瀝青用量

根據(jù)相規(guī)范的試驗方法，透水瀝青混合料的最佳瀝青用量由Schellenberg瀝青析漏試驗和Cantabro飛散結(jié)果試驗共同確定，析漏試驗?zāi)軌虼_定瀝青膠漿不產(chǎn)生離析的最大瀝青用量，飛散試驗?zāi)軌虼_定集料不發(fā)生脫落的最小瀝青用量.設(shè)計級配2的初試瀝青用量為5.0%，從4.0%～6.0%按0.5%變換5組不同的油石比成型，每組3個試件進(jìn)行試驗，結(jié)果見表8和圖1.

表8 肯塔堡飛散和謝倫堡析漏試驗結(jié)果 %

圖1 瀝青用量范圍

根據(jù)飛散試驗和析漏試驗結(jié)果擬合出回歸曲線，從曲線兩端引切線確定出“拐點”即曲線變化速率明顯改變的點，將飛散試驗的“拐點”作為最小瀝青用量的限值，析漏試驗的“拐點”作為最大瀝青用量的限值，從圖1中可見瀝青用量的區(qū)間為4.6%～5.2%，選取區(qū)間中值4.9%作為設(shè)計級配2的最佳瀝青用量.

3 路用性能驗證

3.1 高溫穩(wěn)定性

重慶屬于夏季炎熱區(qū)，主城區(qū)夏季平均溫度達(dá)30 ℃以上，極端氣候下可超過40 ℃，必須對山地海綿城市透水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行驗證.采用車轍試驗的動穩(wěn)定度DS對其高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評價，制作4塊輪碾法成型的試件進(jìn)行平行試驗，檢測結(jié)果取4次試驗的平均值見表9.

表9 車轍試驗結(jié)果(試驗溫度，60 ℃，輪壓，0.7 MPa)

由表9可知，在試驗溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa 的條件下，山地海綿城市透水瀝青混合料的動穩(wěn)定度遠(yuǎn)大于3 500次/mm，具有較好的高溫穩(wěn)定性能.

3.2 水穩(wěn)定性

瀝青混合料的水穩(wěn)定性評價常用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗.現(xiàn)有的研究表明，堿性集料的浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度一般都較高，滿足規(guī)范要求.因此采用凍融劈裂試驗來評價透水瀝青混合料在浸水情況下的水穩(wěn)定性，用劈裂強(qiáng)度比來評價混合料水穩(wěn)定性的好壞.經(jīng)受凍融和未凍融的試件每組各三個，檢測結(jié)果取平均值見表10.

由表10可知，在試驗溫度為25 ℃，加載速率為50 mm/min的條件下，凍融劈裂比高于85%，水穩(wěn)定性良好，滿足規(guī)范要求.

表10 凍融劈裂試驗結(jié)果(試驗溫度，25 ℃，加載速率，50 mm/min)

3.3 滲水性

山地海綿城市透水瀝青混合料的滲水性，可通過瀝青混合料的滲水試驗進(jìn)行評價，采用滲透系數(shù)作為評價指標(biāo)，滲透系數(shù)越大，混合料的滲水性越好.制作3塊輪碾法成型的試件，冷卻12 h后脫模，放在路面滲水儀下，需要特別注意將試件與儀器底座之間緊密密封，否則會對試驗的準(zhǔn)確性造成較大影響.3組試件檢測結(jié)果的平均值見表11.

表11 滲水試驗結(jié)果

由表11可知，山地海綿城市透水瀝青混合料的滲水系數(shù)遠(yuǎn)大于800 mL/15 s，滲水性能良好，能夠滿足規(guī)范要求.

4 結(jié) 論

1) 山地海綿城市透水瀝青混合料配合比設(shè)計應(yīng)以保證承載力為主，兼顧滲水性能為原則.確定目標(biāo)空隙率時，應(yīng)盡量靠近規(guī)范中空隙率的下限取值，推薦選取18%作為目標(biāo)空隙率.

2) 測定試件的空隙率時，利用計算法和體積法分別求得理論最大相對密度和毛體積相對密度，計算結(jié)果表明，設(shè)計級配2成型試件的空隙率為18.038%，符合目標(biāo)空隙率的要求.

3) 通過Schellenberg析漏試驗和Cantabro飛散試驗，確定了設(shè)計級配2的成型試件的瀝青用量范圍為4.6%～5.2%，可選取中值4.9%作為其最佳瀝青用量.

4) 在設(shè)計級配2的最佳瀝青用量的條件下，對混合料的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和滲水性進(jìn)行了試驗.結(jié)果表明，山地海綿城市透水瀝青混合料的各項路用性能良好，適用于山地城市道路建設(shè).