張春喜,游進前,王根寶,金 平

(云南省建設(shè)投資控股集團有限公司,云南 昆明 650501)

0 引 言

排水瀝青路面是指在不透水結(jié)構(gòu)層上鋪設(shè)具有大空隙且多孔型瀝青混合料層所形成的路面結(jié)構(gòu),一般具有良好的排水性能、抗滑性能以及降噪功能,可大大提高行車安全性,在我國具有廣泛的應(yīng)用前景。我國南方多雨,修建公路多采用大孔隙排水瀝青混合料,這種材料內(nèi)部的大孔隙可及時將雨水排出,提高雨天車輛的行駛安全性,也可降低噪聲,大孔隙排水瀝青混合料在城市道路中具有較好的應(yīng)用前景[1]。城市路網(wǎng)逐漸完善,但全球氣候變化導(dǎo)致城市內(nèi)澇繼而造成的城市道路雨季積水問題一直未得到有效解決。排水瀝青混合料雖可緩解雨季城市道路積水問題,但經(jīng)過長期實踐可知,原有排水瀝青混合料路面往往存在瀝青含量偏高,瀝青路面高溫穩(wěn)定性較差等問題,運營一段時間后路面易出現(xiàn)較多車轍,排水效果較差,道路使用年限減少,在一定程度上造成資源浪費[2-3]。因此適用性較好的排水瀝青混合料配合比設(shè)計方法尤為重要。

目前,針對排水瀝青混合料配合比設(shè)計,肖鑫等[4]采用CAVF法對排水瀝青混合料進行配合比設(shè)計;盧旭[5]采用CAVF法對廣東地區(qū)排水瀝青混合料進行配合比設(shè)計研究分析,采用粗集料粗值βc作為評價粗集料級配質(zhì)量的指標(biāo),在現(xiàn)有OGFC-13礦料級配基礎(chǔ)上進行優(yōu)化;關(guān)博文等[6]在借鑒貝雷法的基礎(chǔ)上引入VMA,同時結(jié)合體積法的填充原則,提出基于VMA的排水瀝青混合料配合比設(shè)計方法;查旭東等[7]為研究特種玄武巖纖維對排水瀝青混合料路用性能的影響,選取OGFC-13作為試驗級配,分別添加不同劑量的特種玄武巖纖維采用我國規(guī)范法進行配合比設(shè)計;王昌引等[8]采用改進后的CAVF法對排水瀝青混合料進行配合比設(shè)計。

排水瀝青混合料配合比設(shè)計方法與普通瀝青混合料配合比設(shè)計方法不盡相同,且國內(nèi)外排水瀝青混合料配合比設(shè)計方法不盡相同。通過對比國內(nèi)外常用排水瀝青混合料配合比設(shè)計方法,主要從高空隙率、良好的抗松散性能、良好的膠漿性能以及良好的力學(xué)強度與耐久性能四方面考慮。為使排水瀝青混合料具有良好的路用性能和經(jīng)濟性、耐久性,提高排水瀝青混合料的實際路用效果,在現(xiàn)有排水瀝青混合料結(jié)構(gòu)類型的基礎(chǔ)上,考慮礦料級配進而對排水瀝青混合料進行配合比設(shè)計,以期獲得最佳設(shè)計級配和油石比,提高排水瀝青混合料路用性能,基于間斷級配優(yōu)化排水瀝青混合料配合比設(shè)計。

1 原材料試驗

1.1 瀝青

排水瀝青混合料具有較大空隙率,選用瀝青為高黏瀝青以保證礦料之間具有較大的粘結(jié)力,以便具有良好的抗飛散、抵抗變形以及耐水耐久性能。選用的高黏度改性瀝青相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

表1 高黏瀝青質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)

1.2 粗集料

排水瀝青路面混合料為骨架空隙結(jié)構(gòu),混合料中粗集料占比例較大,約占集料總量的75%以上。選用粗集料為石灰?guī)r,具有良好的耐磨性、耐破碎性以及與瀝青的粘附性。相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表2所示。

表2 試驗用粗集料檢測結(jié)果

1.3 細(xì)集料

排水瀝青混合料中,細(xì)集料一般用來調(diào)整混合料的空隙率,選用細(xì)集料為石灰?guī)r,潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì),并有適當(dāng)?shù)念w粒級配。細(xì)集料篩分試驗結(jié)果如表3所示,所用細(xì)集料檢測結(jié)果如表4所示。

表3 試驗用細(xì)集料篩分結(jié)果

表4 試驗用細(xì)集料檢測結(jié)果

1.4 填料

排水瀝青混合料所用填料必須采用石灰?guī)r或巖漿巖等憎水性石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉,所用的原石料應(yīng)保持潔凈、無污染。選用石灰?guī)r礦粉作為填料,相關(guān)技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表5所示。

表5 試驗用礦粉檢測結(jié)果

2 配合比優(yōu)化設(shè)計

2.1 設(shè)計級配

在對排水瀝青混合料進行配合比設(shè)計時,所選側(cè)重點不同也會造成所用配合比設(shè)計方法不同。就目前而言,排水瀝青混合料配合比設(shè)計國際上主要以美國和日本的方法為主,我國的排水瀝青混合料配合比設(shè)計方法是綜合考慮其他配合比設(shè)計方法得來的,加上我國地域廣闊且道路環(huán)境各有異同,采用其他設(shè)計方法往往不能滿足實際要求,為求達(dá)到實際工程效果,排水瀝青混合料配合比設(shè)計方法仍采用我國規(guī)范法[9],選擇采取間斷級配設(shè)計方法并選取三種級配A、B、C,三種試驗級配范圍見表6。

表6 試驗用級配

結(jié)合以往排水瀝青路面混合料配合比設(shè)計經(jīng)驗,擬定設(shè)計油石比為5.1%,采并用A、B、C三種試驗級配分別成型試件,按照相關(guān)規(guī)范進行相關(guān)指標(biāo)的測試,三種試驗級配的試驗技術(shù)指標(biāo)見表7。

表7 三種試驗級配試驗技術(shù)指標(biāo)

傳統(tǒng)排水瀝青混合料配合比設(shè)計時,混合料路用性能受目標(biāo)空隙率的影響較大,排水瀝青混合料具有較大孔隙率,主要是因為粗集料含量較多,細(xì)集料較少,以4.75 mm作為粗細(xì)集料的分界點,得出級配A、B、C粒徑大于9.5 mm集料用量占總用量分別為4.8%、5.0%、5.1%;根據(jù)表7可以得出,粗骨料占比越多得到的孔隙率越大,同時結(jié)合以往排水瀝青混合料配合比設(shè)計指標(biāo)經(jīng)驗,混合料的空隙率一般為18%～25%,故選用A級配作為本次配合比設(shè)計的最佳試驗級配。

2.2 最佳油石比確定

選用上述試驗確定的最佳試驗級配A作為設(shè)計級配,同時結(jié)合以往排水瀝青混合料設(shè)計經(jīng)驗,選取5.0%為初始油石比,以0.5%的間隔選取五組油石比(4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%)作為本次試驗用油石比,按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范在試驗室分別成型五組試件,按照試驗要求分別進行瀝青混合料謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗[10],五組試驗結(jié)果見表8。

表8 五組試驗級配試驗結(jié)果

結(jié)合瀝青混合料配合比設(shè)計方法,同時根據(jù)表8的的試驗結(jié)果,最終得出滿足本次排水瀝青混合料各種指標(biāo)的最佳油石比為4.9%。

3 排水瀝青混合料配合比設(shè)計驗證

結(jié)合上述配合比優(yōu)化設(shè)計分析,主要從高溫性能、水穩(wěn)定性、低溫性能三方面內(nèi)容進行配合比設(shè)計效果驗證。沒有依托具體實際工程,故采用在試驗室內(nèi)進行試驗以求驗證其優(yōu)化設(shè)計效果,以便能更好地指導(dǎo)后續(xù)實際工程的施工。

3.1 高溫性能分析

為對該配合比進行驗證,利用上述確定的最佳油石比制作車轍試件,按照瀝青混合料車轍試驗規(guī)范方法進行車轍試驗,選用SBS改性瀝青混合料進行對比試驗[11],兩組試驗結(jié)果如表9所示。

表9 車轍試驗結(jié)果

由表9可以看出,優(yōu)化后的排水瀝青混合料的動穩(wěn)定度比SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度增加12.7%,大大提高了排水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,這是因為排水瀝青混合料因其自身的骨架-空隙結(jié)構(gòu),強度主要靠集料之間形成的嵌擠結(jié)構(gòu)和瀝青與礦粉之間形成的膠粘結(jié)作用,而SBS改性瀝青混合料沒有良好的嵌擠行為,在荷載的作用下易發(fā)生推移進而造成動穩(wěn)定度下降,為提高排水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,在進行配合比設(shè)計時可以考慮適當(dāng)增加混合料中粗集料含量來改善混合料的高溫性能。

3.2 水穩(wěn)定性分析

為驗證該配合比下的排水瀝青混合料水穩(wěn)定性能,采用SBS改性瀝青混合料和優(yōu)化后的排水瀝青混合料進行對比[12],在最佳油石比下成型試件進行凍融劈裂試驗,試驗結(jié)果如表10所示。

表10 凍融劈裂試驗結(jié)果

根據(jù)表10,優(yōu)化后的排水瀝青混合料的水穩(wěn)性能大于SBS改性瀝青混合料,優(yōu)化后的排水瀝青混合料凍融劈裂強度比較SBS瀝青混合料增加2.7%。因為排水瀝青混合料具有較大的孔隙,可以將路面降雨積水透入到排水功能層,并通過功能層內(nèi)將雨水橫向排出,降低了路面水損害、松散、坑槽及開裂的風(fēng)險,在同等條件下具有較好的水穩(wěn)性能。說明經(jīng)過優(yōu)化后的排水瀝青混合料具有良好的水穩(wěn)定性。

3.3 低溫性能分析

為驗證該配合比下的排水瀝青混合料低溫性能,參照瀝青混合料不同氣候條件下的低溫性能要求[13-14],利用上述試驗確定的最佳油石比來制作排水瀝青混合料小梁試件,根據(jù)相關(guān)要求進行低溫彎曲試驗。選取SBS改性瀝青混合料進行對比試驗,試驗結(jié)果如表11所示。

表11 低溫彎曲試驗結(jié)果

根據(jù)表11的試驗結(jié)果可知:優(yōu)化后的排水瀝青混合料的低溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料,優(yōu)化后的排水瀝青混合料最大伸縮應(yīng)變相比SBS改性瀝青混合料增加3.8%,同時可以看出排水瀝青混合料的硬度大于SBS改性瀝青混合料,在低溫條件下趨于穩(wěn)定,抗老化性能提高,具有較好的低溫性能。

4 小 結(jié)

在現(xiàn)有排水瀝青混合料配合比設(shè)計的基礎(chǔ)上,對其礦料級配進行優(yōu)化選擇,開展排水瀝青混合料配合比設(shè)計,確定最佳油石比,并在該配合比下驗證了其路用性能。

(1)優(yōu)化后的排水瀝青混合料其動穩(wěn)定度比SBS改性瀝青混合料的動穩(wěn)定度增加12.7%,提高了排水瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

(2)優(yōu)化后的排水瀝青混合料的水穩(wěn)性能大于SBS改性瀝青混合料,優(yōu)化后的排水瀝青混合料凍融劈裂強度相比SBS瀝青混合料增加2.7%。

(3)優(yōu)化后的排水瀝青混合料的低溫性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料,優(yōu)化后的排水瀝青混合料最大伸縮應(yīng)變相比SBS改性瀝青混合料增加3.8%。