大空隙排水瀝青混合料試驗研究

彭永恒，何冰山，張智潔，王 慧，唐瓊禎

(大連民族學院土木建筑工程學院，遼寧大連116605)

中國年平均降水量約為630 mm，降水量呈由內地西北方向至沿海遞增的特點，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，車輛高速運行時就很容易發生水滑或者水漂現象，給行車帶來很大的安全隱患。

排水瀝青路面具有抗滑、排水、降噪等多重優點，因其較為優良的路用性能，相繼在美國、日本、澳大利亞等國家得到廣泛應用［1］。隨著國內高等級公路建設事業的發展需要，排水瀝青混合料亦將得到充分應用。通過對瀝青混合料各項技術指標的試驗研究，得出較為理想的排水性大空隙混合料。

1 原材料與技術要求

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

1.1 瀝青

瀝青作為膠結料，根據不同面層結構的需要采用瀝青類型。試驗選用高溫穩定度較好、粘結性強的改性瀝青。改性瀝青三項技術指標見表1。

表1 改性瀝青技術要求

1.2 混合料集配選擇

排水瀝青混合料以粗集料為主，試驗粗集料均采用玄武巖碎石。細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定性。實踐證明選擇瑪蹄脂作為外加劑不僅有上述兩種優良性質，還能與瀝青形成的纖維膠泥和骨料之間形成一種嵌瑣結構，有效提高骨料之間的聯結。因此選擇兩組對比試驗，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。瑪蹄脂摻量為 0.15%［2］。

2 試驗組成材料確定

2.1 礦料集配

根據大空隙排水路面性能機理，確定目標孔隙率為18% ～22%，通過參考資料確定礦料合成集配，具體技術指標見表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綜合法［3-4］確定。析漏試驗是將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，最后根據公式計算出瀝青損失量。飛散試驗是將制作好的瀝青混合料馬歇爾標準試件放在20℃水中浸泡20 min后放入洛杉磯磨耗儀中旋轉300次，以試件的質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，繪制出析漏損失和瀝青用量、飛散損失與瀝青用量的關系曲線，從前者曲線的突h變點，同時結合后者曲線的最低瀝青用量，確定出瀝青的最佳用量。通過實踐經驗，設計瀝青用量以5.0%為中值，取瀝青用量為4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，6.0%，分別做成標準的馬歇爾試件。通過對不同瀝青用量的馬歇爾試件試驗得出的數據，繪制出馬歇爾高溫(60℃)穩定度、流值、密度、孔隙率的關系，如圖1。由圖中可以看出，高溫穩定度、密度與瀝青用量呈拋物線趨勢，均在5.0%前后出現峰值;從流值和孔隙率來看，分別與瀝青用量成正比和反比關系，但在瀝青用量接近5.0%時，斜率均出現一個較大的波動。故選擇瀝青用量在未達到5.0%為佳，綜合分析確定出瀝青最佳用量為4.8%。

圖1 瀝青用量與穩定度、流質、密度和孔隙率的關系

3 性能試驗及分析

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

3.1 馬歇爾試件密度試驗

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

3.2 高溫馬歇爾穩定度試驗

排水混合料馬歇爾穩定度試驗分別采用有瑪蹄脂和無瑪蹄脂兩組對比試驗，每組對比試驗5個試件。馬歇爾穩定度試驗是對標準馬歇爾試件在規定的穩定和速度下受壓，測定混合料的穩定度和流質等指標。本試驗采用標準擊實法，在試驗前，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。得出馬歇爾穩定度及流值數據見表3。

表3 馬歇爾高溫穩定度及流值

根據中國現行標準，高速、一級I型瀝青混凝土高溫穩定度不小于7.5 kN，抗滑表層穩定度不小于5 kN;其他公路I型瀝青混凝土穩定度不小于5 kN。從本次實驗數據可以看出，瀝青用量為4.8%，同時高速、一級公路流值標準為2.0～4.0 mm;其他公路2.0～4.5 mm，穩定度和流值均達到標準，且添加0.15%瑪蹄脂的混合料試驗結果較前者更佳。

3.3 低溫抗裂性能試驗

在低環境溫度下瀝青路面將會有體積收縮變形的情況發生，同時會產生隨機大小的溫度應力;當溫度超過瀝青混合料的低溫應力時，由于應力來不及松弛就會發生路面破損。試驗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(即瀝青混合料彎曲試驗)是對指定一個標準尺寸小梁試件施加集中荷載至斷裂破壞記錄對應試驗數據的試驗。選擇車轍試驗成型機制作的試件，將其切割成標準小梁試件尺寸。采用2組×3個試件做對比試驗。按照試驗要求，溫度為 -10℃，以50 mm·min-1速率加載。試驗結果見表4。

表4 低溫小梁彎曲試驗

從試驗結果可以看出，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

動穩定度通過車轍試驗數據計算得出，表示瀝青路面受環境溫度影響的穩定性能。在高溫季節，受路面交通量重復荷載作用，路面行車將產生車轍。室內車轍試驗即模擬測定混合料抗車轍能力。車轍試驗試件采用標準尺寸，將試件固定于車轍試驗機試驗板上，用固定荷載壓強為0.7 MPa的橡膠輪以42次·min-1反復輪碾，測定其每增加變形1 mm的碾壓次數，即動穩定度。試驗控制溫度60℃，試件采用瀝青用量4.8%，兩組對比試驗。

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

式中，DS為瀝青混合料的動穩定度，d1為對應于時間t1的形變量，d2為對應于時間t2的形變量，C1為試驗機類型系數，該試驗機取1.0，C2為試件系數，試件寬300 mm，按要求取1.0，N為試驗輪往返碾壓速度。根據試驗數據計算結果見表5。

表5 混合料車轍性能試驗結果

由試驗結果可以看出，同等條件下，大空隙瀝青混合料(AC-20)的高溫穩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為其大空隙而影響到混合料的高溫抗車轍性能。

3.5 透水試驗

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。透水性試驗其實很難模擬出不同降水量透水的情況，為提高與實際路面透水情況吻合度，采用室內簡化試驗方法。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，讓時間充分吸水達到飽和狀態。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讀取記錄時間。滲透系數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。試驗數據見表6。

表6 透水系數試驗結果

從試驗結果可以看出，使用大空隙混合料在排水性能上明顯優于普通瀝青混合料。

3.6 殘留穩定度試驗

為評價混合料的抗剝落耐久性的指標，試驗使用3.5中通過滲水試驗的試件進行馬歇爾穩定度試驗，試驗結果見表7。

表7 滲水試件殘留穩定度試驗結果

從試驗數據可以看出，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系。

4 結語

通過對排水瀝青混合料最佳瀝青用量的確定，對混合料強度、穩定性、排水性能以及滲水殘留穩定度等的試驗分析，提出了排水瀝青路面混合料的設計方法和相關指標。試驗采用瀝青用量為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，試驗各項指標均滿足國內外技術標準，排水效果良好，為今后排水瀝青路面的施工技術提供了可借鑒的參考數據。

［1］黃勇生，項新里.排水瀝青混合料試驗研究［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計與實施［J］.公路，2008(4):112.

［3］李平.超磨耗層配合比設計與路用性能研究［D］.合肥:合肥工業大學，2011.

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