郭會(huì)明 魏 星 譚恒程 邱 林 謝紅平

排水瀝青混合料設(shè)計(jì)及其性能研究

郭會(huì)明1魏 星1譚恒程1邱 林2謝紅平2

（1.西南交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，云南 昆明 650051；2.云南省建設(shè)投資控股集團(tuán)有限公司路橋總承包部，云南 昆明 650051）

基于對(duì)排水瀝青混合料應(yīng)用于多雨、雨天積水等環(huán)境特點(diǎn)的理解，充分把握排水瀝青混合料強(qiáng)度形成機(jī)理，對(duì)輝綠巖、高粘改性瀝青等原材料進(jìn)行性能測(cè)試，基于粗骨料空隙填充法（CAVF法）進(jìn)行不同目標(biāo)空隙率18%、23%、25%多孔排水瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，進(jìn)行高、低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性等路用性能驗(yàn)證。

排水瀝青混合料；CAVF法；路用性能

0 概述

為提高雨天環(huán)境路面行車安全性，排水瀝青路面具有極強(qiáng)的適用性。通常所指排水路面是高速、一級(jí)公路或城市道路的上面層，降雨時(shí)路面范圍內(nèi)的水流直接透過(guò)混合料內(nèi)部的連通空隙，達(dá)到不透水下臥層再橫向排出到路面邊緣。骨架-空隙結(jié)構(gòu)的排水瀝青混合料不同于密級(jí)配瀝青混合料的關(guān)鍵在于材料的接觸主要依靠集料之間的點(diǎn)接觸。為解決點(diǎn)接觸帶來(lái)的混合料粘結(jié)性能不足的問題，日本、新加坡、中國(guó)等多采用高粘度瀝青和使用較多的瀝青用量來(lái)提高排水瀝青混合料的強(qiáng)度、抗飛散剝落能力、穩(wěn)定性和耐久性?；趯?duì)排水瀝青混合料強(qiáng)度形成機(jī)理的把握，本研究基于CAVF法進(jìn)行不同目標(biāo)空隙率18%、23%、25%骨架-空隙結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計(jì)，對(duì)排水瀝青混合料進(jìn)行高、低溫穩(wěn)定性及水穩(wěn)定性等路用性能驗(yàn)證。

1 原材料

1.1 粗集料

骨架-空隙結(jié)構(gòu)的排水瀝青混合料其結(jié)構(gòu)受力很大程度依靠骨料與骨料之間的嵌擠，所以粗集料本身的強(qiáng)度和形狀都應(yīng)滿足要求。本研究粗集料統(tǒng)一使用某石料廠生產(chǎn)的4.75mm~16mm優(yōu)質(zhì)輝綠巖，不同粒徑輝綠巖技術(shù)性能指標(biāo)結(jié)果如表1所示。

表1 輝綠巖性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 細(xì)集料

本研究細(xì)集料依托項(xiàng)目就地取材，選用某碎石加工廠所生產(chǎn)的0.075mm~4.75mm石灰?guī)r機(jī)制砂，不同粒徑的細(xì)集料性能檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 不同粒徑石灰?guī)r主要性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 礦粉

瀝青混合料中的礦粉分散在瀝青中，形成膠漿對(duì)集料產(chǎn)生粘結(jié)作用，以此改善多孔瀝青混合料路用性能。本研究選用的是無(wú)團(tuán)粒結(jié)塊的石灰?guī)r礦粉，技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 石灰?guī)r礦粉技術(shù)指標(biāo)

2.4 高粘改性瀝青

對(duì)于排水瀝青混合料來(lái)說(shuō)，因?yàn)榧?xì)集料較少而粗集料占比高達(dá)80%，形成的是一種骨架空隙結(jié)構(gòu)，在這種級(jí)配和結(jié)構(gòu)下，瀝青與集料接觸的比表面積減少，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足。高粘改性劑的摻入可以增強(qiáng)瀝青與石料的粘合強(qiáng)度，大幅度提高排水瀝青路面的抗水損害、抗飛散和抗車轍等性能，彌補(bǔ)集料接觸面積減少所帶來(lái)的強(qiáng)度損失。

本研究使用排水瀝青路面專用高粘度瀝青改性劑（HVA），呈黃色顆粒狀，試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 HVA高粘瀝青改性劑技術(shù)指標(biāo)

把SBS瀝青通過(guò)HVA改性得到高粘改性瀝青，通過(guò)熒光顯微發(fā)現(xiàn)自制高黏度改性瀝青具有致密、穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，SR粒子作為高彈性嵌擠單元均勻分布在SBS交聯(lián)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中，瀝青分散介質(zhì)相對(duì)減少，瀝青更加黏稠，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的作用力得到增強(qiáng)，形成均一穩(wěn)定體系。高粘改性瀝青技術(shù)性能指標(biāo)如表5所示。

表5 SBS高粘改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知：SBS高黏改性瀝青動(dòng)力黏度高達(dá)75×104Pa·s，遠(yuǎn)高于規(guī)范要求的30×104Pa·s。瀝青分子間具有很強(qiáng)的作用力，可形成更厚的瀝青薄膜來(lái)有效黏附石料。對(duì)于經(jīng)降雨和行車動(dòng)載作用的排水瀝青路面，高動(dòng)力粘度的改性瀝青能有效裹覆粗細(xì)集料，增加集料的粘附性能，減少路面剝落掉粒，增強(qiáng)抗水損害和抗飛散能力，增加排水路面結(jié)構(gòu)耐久性。

2.5 聚酯纖維

排水瀝青混合料中通常需要加入模量高、延伸變形能力強(qiáng)的纖維。通常排水瀝青路面相對(duì)密級(jí)配瀝青混合料油石比較高，纖維的加入不僅可以增加摩擦起到加筋作用，還可以防止產(chǎn)生低溫裂縫，同時(shí)吸收瀝青中的油分來(lái)增大改性瀝青的用量提高耐久性能。

各研究使用最多的是木質(zhì)素纖維、聚合物纖維以及玄武巖纖維，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究三種纖維老化后質(zhì)量損失以及纖維的吸濕率可以得到：聚合物纖維性能比較好。聚酯纖維呈白色絮狀，本研究采用的聚酯纖維物理指標(biāo)如表6所示。

表6 聚酯纖維物理指標(biāo)

3 排水路面級(jí)配設(shè)計(jì)

3.1 空隙率計(jì)算方法

瀝青混合料理論最大相對(duì)密度試驗(yàn)主要有：真空法、溶劑法和體積法。國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為真空法測(cè)試的最大理論密度更為準(zhǔn)確但是對(duì)瀝青混合料的分散程度要求比較高，多孔排水瀝青混合料使用的SBS高粘改性瀝青粘度過(guò)大，導(dǎo)致混合料里面的空氣不容易排出，真空法測(cè)定的結(jié)果容易偏小。溶劑法的計(jì)算需要扣除混合料內(nèi)部開口空隙的體積，計(jì)算出來(lái)的空隙率比實(shí)際空隙率偏大。本研究采用體積法計(jì)算多孔排水瀝青混合料空隙率。

3.2 基于CAVF法級(jí)配設(shè)計(jì)

骨架-空隙結(jié)構(gòu)排水瀝青路面空隙率取決于粗集料級(jí)配組成，混合料有開口空隙、閉口孔隙和連通空隙，雨水通過(guò)混合料之間連通空隙從路表流出到路側(cè)。為解決耐久性與排水性之間的矛盾，肖鑫等[1]提出一種適用于排水瀝青混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)方法——粗骨料空隙填充法（CAVF），這種方法的設(shè)計(jì)思路是用相對(duì)較少的細(xì)集料、瀝青膠漿、礦粉填充粗集料空隙，其填入的體積等于骨架空隙率減去設(shè)計(jì)空隙率。CAVF法可以直接確定瀝青的用量，避免膠結(jié)料對(duì)骨架-空隙結(jié)構(gòu)的影響；還可以通過(guò)滿足嵌擠要求來(lái)提高抗車轍性能。粗細(xì)集料按式（1）、（2）計(jì)算：

式中：

根據(jù)上述級(jí)配設(shè)計(jì)方法結(jié)合工程實(shí)際常用的優(yōu)化級(jí)配范圍，設(shè)計(jì)三種礦料級(jí)配（表7）。

表7 級(jí)配設(shè)計(jì)

基于CAVF體積法配合比設(shè)計(jì)，通過(guò)馬歇爾旋轉(zhuǎn)雙面擊實(shí)50次得出PAC-13(1)設(shè)計(jì)空隙率為23%，PAC-13(2)為18%，PAC-13(3)為25%。研究指出油石比過(guò)小會(huì)造成瀝青對(duì)集料的裹覆性不足，造成集料之間的粘結(jié)性較低，容易引起疲勞開裂；而油石比過(guò)大會(huì)造成瀝青膜較厚，多余的瀝青造成流淌現(xiàn)象，增大瀝青與集料之間的滑移，同樣降低疲勞性能[2]。

瀝青用量預(yù)估模型見式（3）、（4）。

估算瀝青用量=假定膜厚×集料表面積 （3）

集料表面積=0.41+0.41a+0.82b+1.64c+2.87d+6.14e+12.29f+32.77g （4）

式中：a、b、c、d、e、f、g分別表示4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.6mm、0.3mm、0.15mm和0.75mm篩孔的通過(guò)率百分?jǐn)?shù)。

瀝青膜厚度為13.5μm時(shí)，計(jì)算得油石比PAC-13(1)為4.8%，PAC-13(2)為5.3%，PAC-13(3)為4.7%。對(duì)HVA與SBS改性瀝青進(jìn)行配伍性研究，確定HVA摻量為瀝青摻量的8%，聚酯纖維摻量為混合料總質(zhì)量的0.1%。

4 路用性能驗(yàn)證

有學(xué)者對(duì)PAC與SMA路用性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明材料和級(jí)配良好的排水瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，粗型級(jí)配的多孔瀝青混合料反映出來(lái)的抗車轍性能也更優(yōu)[3]。路用性能驗(yàn)證如下。

4.1 高溫穩(wěn)定性

每種級(jí)配成型3個(gè)車轍板試件進(jìn)行平行試驗(yàn)，60℃車轍試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 PAC-13車轍試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

從表8可以看出：三種級(jí)配PAC車轍變形量小，在60℃環(huán)境下動(dòng)穩(wěn)定度高于規(guī)范要求。其中設(shè)計(jì)空隙率為18%的級(jí)配對(duì)應(yīng)動(dòng)穩(wěn)定度最高為6605次/mm，說(shuō)明三種級(jí)配的排水瀝青混合料抗車轍能力突出，具備優(yōu)秀的高溫穩(wěn)定性。

4.2 低溫穩(wěn)定性

為了避免在溫度變化條件下出現(xiàn)路面開裂，對(duì)多孔排水瀝青混合料制成小梁試件，試驗(yàn)溫度控制在-10℃±5℃，采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 PAC-13低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果

從表2.19可以看出，三種級(jí)配多孔排水瀝青混合料破壞時(shí)最大彎拉應(yīng)變大于規(guī)范要求，具有良好的低溫穩(wěn)定性。

4.3 水穩(wěn)定性

在高降雨環(huán)境下，雨水填充排水路面空隙，若水分不能及時(shí)排除，在動(dòng)荷載作用下車輛輪胎對(duì)多孔路面產(chǎn)生動(dòng)水壓力和泵吸作用。水流滲入石料與瀝青間粘結(jié)界面，致使瀝青對(duì)集料粘附性降低，瀝青膜逐步從集料表面脫落，從而降低路面的使用壽命[4]。對(duì)排水瀝青混合料進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)，結(jié)果見表10。

表10 PAC-13浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

從表2.20可以看出，三種級(jí)配的PAC殘留穩(wěn)定度都滿足規(guī)范要求，水穩(wěn)定性能較好。

5 總結(jié)

對(duì)排水瀝青混合料原材料進(jìn)行了性能測(cè)試，采用體積法計(jì)算空隙率，基于CAVF方法對(duì)目標(biāo)空隙率為23%、18%、25%的排水瀝青混合料進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)及路用性能的驗(yàn)證，結(jié)論如下：

（1）結(jié)合排水瀝青混合料應(yīng)用項(xiàng)目所在地高溫多雨的特征，本研究粗集料選用輝綠巖表觀相對(duì)密度大于3，性能良好。細(xì)集料選用石灰?guī)r表觀相對(duì)密度大于2.7。采用交通部公路研發(fā)的HVA高粘改性劑和SBS改性瀝青，其中高粘瀝青動(dòng)力粘度可以達(dá)到752292Pa·s，高于規(guī)范要求。

（2）采用體積法計(jì)算多孔排水瀝青混合料的空隙率，基于CAVF法進(jìn)行級(jí)配設(shè)計(jì)，PAC-13(1)、PAC-13(2)、PAC-13(3)目標(biāo)空隙率分別為23%、18%、25%，確定三種級(jí)配的油石比分別4.8%、5.3%、4.7%。SBS改性瀝青中HVA高粘改性劑的摻量，經(jīng)過(guò)配伍后測(cè)定膠結(jié)料的三大指標(biāo)最終確定為8%。聚酯纖維的摻量確定為瀝青混合料質(zhì)量的0.1%。隨后對(duì)三種設(shè)計(jì)級(jí)配進(jìn)行驗(yàn)證，60℃的動(dòng)穩(wěn)定度都高于6300次/mm、-10℃最大彎拉應(yīng)變大于2000με、水穩(wěn)定性均大于90%，都具有良好的路用性能。

[1]肖鑫,張肖寧.基于CAVF法的排水瀝青混合料組成設(shè)計(jì)[J].公路交通科技,2016,33(10):7-12.

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