排水瀝青混合料PAC-13滲水性能研究

■鞏躍龍

(山西交通控股集團(tuán)有限公司晉城高速公路分公司，晉城 048000)

0 引言

由于排水瀝青混合料(PAC)具有排水、降噪及抗滑等優(yōu)點(diǎn)，在公路工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。排水瀝青混凝土屬于骨架-孔隙結(jié)構(gòu)，空隙率介于15%～25%之間，能有效減少路面積水，降低雨天出行難度，同時(shí)其表面孔隙結(jié)構(gòu)可吸收部分噪聲，對(duì)提高道路行車安全性和舒適性具有明顯作用[1-2]。因此，確定礦料級(jí)配范圍，進(jìn)行排水瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，對(duì)提高瀝青路面使用性能具有顯著意義。Kandhal等[3]研究發(fā)現(xiàn)瀝青混合料排水能力的大小與礦料級(jí)配、空隙率大小及路面厚度等有關(guān)。Horkari等[4]通過聲音吸收頻譜預(yù)測了瀝青路面的排水能力。Christense等[5]認(rèn)為混合料滲透性與集料尺寸、結(jié)構(gòu)空隙及配合比有關(guān)，當(dāng)集料細(xì)度和瀝青用量較小時(shí)混合料滲透性能較好。李會(huì)娟[6]通過研究排水瀝青混合料材料及其結(jié)構(gòu)特征，基于新的滲透系數(shù)測試方法評(píng)價(jià)了混合料的排水性能。徐皓[7]研究了礦料級(jí)配、結(jié)構(gòu)孔隙率及瀝青種類與瀝青混合料的滲透系數(shù)的相關(guān)性，指出集料粒徑是影響瀝青混合料滲透系數(shù)的主要因素。唐國利等[8]研究發(fā)現(xiàn)瀝青路面排水能力與材料滲透性能呈正相關(guān)，另外也與路面使用年限相關(guān)。由以上研究可知，瀝青路面排水能力的大小可以通過滲透性能來評(píng)價(jià)，滲透能力越好，其路面排水效果越明顯。而瀝青路面排水能力的大小受多種因素的影響，比如礦料級(jí)配、結(jié)構(gòu)空隙等。對(duì)此，本文在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)排水瀝青混合料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用性能對(duì)PAC-13排水性瀝青混合料采用“干搗試驗(yàn)”對(duì)粗集料級(jí)配進(jìn)行設(shè)計(jì)，測定混合料有效空隙率，基于室內(nèi)滲透試驗(yàn)測定PAC-13滲透系數(shù)和滲水系數(shù)，并通過PAC-13車轍板評(píng)價(jià)滲水系數(shù)的合理性。

1 試驗(yàn)原材料

1.1 瀝青

選用SBS改性瀝青，技術(shù)性質(zhì)見表1。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)性質(zhì)

1.2 集料

粗集料采用玄武巖，公稱粒徑為10～15mm、5～10mm、3～5mm。技術(shù)指標(biāo)見表2。細(xì)集料選用機(jī)制砂，其技術(shù)性質(zhì)見表3。

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)

表3 細(xì)集料技術(shù)性質(zhì)

1.3 礦粉

礦粉技術(shù)性質(zhì)見表4。

表4 礦粉技術(shù)性質(zhì)

1.4 外加劑

選用聚酯纖維，技術(shù)性質(zhì)見表5。

表5 聚酯纖維技術(shù)性質(zhì)

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 礦料級(jí)配

參照 《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)中干搗試驗(yàn)，基于逐級(jí)填充理論通過礦料間隙率VCA分別確定 13.2～9.5mm 與 9.5～4.75mm 比例、13.2～4.75mm 與4.75～2.36mm比例[9]。干搗試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1(a)可知，VCA隨著9.5～4.75mm顆粒比例的增加大致呈現(xiàn)拋物線趨勢變化，先減少后增大，當(dāng)9.5～4.75mm顆粒比例為40%時(shí)，VCA最小，說明9.5～4.75mm顆粒填充13.2～9.5mm顆粒之間的空隙效果明顯；同理由圖1(b)可知，4.75～2.36mm顆粒比例為15%時(shí)，VCA最小，填充空隙效果明顯。因此，粗集料骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的最佳比例分別是 13.2～9.5mm∶9.5～4.75mm=60∶40、13.2～4.75mm∶4.75～2.36mm=85∶15，PAC-13 礦料級(jí)配見表 6。

圖1 粒級(jí)與間隙率VCA

表6 PAC-13礦料級(jí)配

2.2 混合料配合比

基于析漏試驗(yàn)與飛散試驗(yàn)確定PAC-13最佳油石比[9-10]。預(yù)估最佳油石比在3.8%～5.4%之間[10]，擬采用表6確定的礦料級(jí)配，油石比擬采用3.8%、4.2%、4.6%、5.0%、5.4%。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 析漏試驗(yàn)與飛散試驗(yàn)結(jié)果

由圖2可知，析漏損失曲線和飛散損失曲線相較于4.85%，其中通過兩條曲線的拐點(diǎn)確定的最佳油石比分別為5.0%、4.6%。對(duì)此，本文確定的最佳油石比為5.0%。聚酯纖維外摻劑量為0.4%，經(jīng)驗(yàn)證PAC-13技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范。

3 試驗(yàn)方案

3.1 試件制備

調(diào)整4.75mm和2.36mm篩孔通過質(zhì)量百分率，根據(jù)表7每個(gè)級(jí)配成型3個(gè)馬歇爾試件。目標(biāo)空隙率擬選取16%、18%、20%、22%。

表7 礦料級(jí)配方案

3.2 測定有效空隙率

采用結(jié)合阿基米德原理間接測定馬歇爾試件有效空隙率[9]，試驗(yàn)方法如下：

(1)馬歇爾試件風(fēng)干至質(zhì)量無變化，稱量試件質(zhì)量M1。

(2)將試件浸入25℃水中，用小錘重復(fù)敲擊試件正反面，直至無氣泡，稱量試件質(zhì)量M2。

有效空隙率計(jì)算式見式(1)。

其中，ρw——25℃時(shí)水的密度，1g/cm3；

V2——集料與封閉孔隙的體積之和，cm3。

3.3 滲水試驗(yàn)

參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程規(guī)程》(JTGE20-2011)進(jìn)行滲水試驗(yàn)，滲水儀注水筒規(guī)格為φ20cm×h50cm，以試件上表面27.5cm[9]高度處注水進(jìn)行滲水系數(shù)和滲透系數(shù)計(jì)算，并分析兩者之間關(guān)系。

滲水系數(shù)和滲透系數(shù)計(jì)算公式見是式(2)、(3)。

其中，H1——初始水頭高度，為7.5cm；

H2——結(jié)束水頭高度，cm；

t——滲水時(shí)間，s；

a——注水筒面積，為314cm2；

A——試件截面面積，為81.03cm2；

L——試件高度，cm。

3.4 PAC-13車轍板滲水試驗(yàn)

根據(jù)表7成型目標(biāo)空隙率車轍板試件，碾壓次數(shù)為12次[9]，參照J(rèn)TGE20-2011評(píng)價(jià)PAC-13車轍板滲水性能。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 有效空隙率

根據(jù)試驗(yàn)方案測定的試件空隙率見表8。

表8 試件空隙率

由表8可知，隨著空隙率的增加，有效空隙率的增加幅度逐漸降低，說明有效空隙率與礦料級(jí)配相關(guān)。

4.2 滲水試驗(yàn)

對(duì)12個(gè)馬歇爾試件進(jìn)行滲水試驗(yàn)，根據(jù)式2和式3計(jì)算得到的滲水系數(shù)和滲透系數(shù)與空隙率關(guān)系分別見圖3。

圖3 滲水系數(shù)

由圖3可見，隨空隙率(有效空隙率)的增加滲水系數(shù)呈線性趨勢增加，空隙率和有效空隙率與滲水系數(shù)增長關(guān)系不同，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，其線性關(guān)系如下：

由公式計(jì)算可得空隙率為15%時(shí)，即滲水系數(shù)為1517ml/min，說明PAC-13透水能力良好。

采用同種滲水儀確定的PAC-13滲水系數(shù)與滲透系數(shù)關(guān)系見圖4。

圖4 滲水系數(shù)與滲透系數(shù)變化關(guān)系

由圖4可知，PAC-13滲水系數(shù)與滲透系數(shù)具有良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.97，滲水系數(shù)隨滲透系數(shù)的增加不斷增大。

4.3 PAC-13車轍板滲水試驗(yàn)

PAC-13車轍板滲水試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 PAC-13車轍板空隙率與滲水系數(shù)變化關(guān)系

由圖5可見，隨著空隙率的增加，滲水系數(shù)呈線性趨勢增加，增加了859ml/min，說明空隙率的增大導(dǎo)致有效空隙率增加，滲水性能得到加強(qiáng)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如下式：

5 結(jié)語

通過對(duì)粗集料級(jí)配和混合料配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)排水瀝青混合料PAC-13進(jìn)行滲水試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論。

(1)采用粗集料干搗試驗(yàn)，當(dāng) 13.2～9.5mm∶9.5～4.75mm=60∶40、13.2～4.75mm∶4.75～2.36mm=85∶15 時(shí) VCA 最小，粗集料形成骨架骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，采用析漏試驗(yàn)與飛散試驗(yàn)確定的PAC-13最佳油石比為5.0%。

(2)對(duì)目標(biāo)空隙率為16%、18%、20%、22%的馬歇爾試件和PAC-13車轍板進(jìn)行滲水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空隙率(有效空隙率)與滲水系數(shù)呈線性增長關(guān)系，空隙率為15%時(shí)，滲水系數(shù)為1517ml/min，說明PAC-13透水能力良好；PAC-13車轍板滲水系數(shù)隨空隙率的增加呈線性增長，說明空隙率的增大導(dǎo)致有效空隙率增加，滲水性能得到加強(qiáng)。