山地海綿城市透水瀝青混合料配合比設計研究*

吳國雄 余 樂 陳 灝 葉新雨 張興梅

(重慶交通大學土木工程學院1) 重慶 400074) (重慶建筑工程職業學院2) 重慶400039) (重慶工商職業學院3) 重慶 400052)

0 引 言

2014年重慶兩江新區悅來新城被選為全國海綿城市試點地區之一，根據總體規劃要求，悅來新城年徑流總量控制率指標要求達到80%，10 000 m2的硬地調蓄容量應達到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中具有重要意義.

目前，常規的透水瀝青混合料配合比設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行分散，測量結果偏低，導致試驗結果準確性降低.蔣瑋[4]在透水瀝青混合料配合比設計中提出一種確定最佳瀝青用量的新方法，但計算結果相對偏高；趙亮[5]提出了一種基于滲透設計和承載力驗證的設計方法，但未考慮不同地區的地形情況；阮鹿鳴[6]認為在坡度、荷載及海拔耦合作用下，瀝青路面結構的受力情況均比平原地區平坡段更加不利，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，相較于平原地區透水瀝青路面的滲透率可以適當降低.鑒于以上原因，基于“以承載能力為主，兼顧滲水性能”的設計思路，可以結合體積法和計算法進行山地海綿城市透水瀝青混合料配合比設計.

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].設計選擇SBS I-C高粘度改性瀝青，其主要技術指標見表1.

表1 SBS I-C瀝青基本技術指標檢測結果

1.2 粗集料

對于透水瀝青混合料而言，粗骨料應選擇有較高的強度，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指標見表2.

表2 粗集料技術指標檢測結果

1.3 細集料

透水瀝青混合料中細集料一般不采用開采成本較高的天然砂，而采用成品更加規則的機制砂.選用重慶本地的石灰巖作為細集料，細集料的各項主要技術指標見表3.

表3 細集料技術指標檢測結果

1.4 填料與添加劑

透水瀝青混合料的填料采用石灰巖礦粉，并加入0.3%的木質素纖維作為添加劑，以提高透水瀝青混合料的久性.填料與添加劑的主要技術指標見表4～5.

表4 木質素纖維性能檢測結果

表5 礦粉性能檢測結果

2 配合比設計流程

2.1 目標空隙率確定

在透水瀝青路面配合比設計時，需要明確滲水能力與承載能力之間的主次關系.確定山地海綿城市透水瀝青混合料目標空隙率時，應以承載力為主，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有著良好的相關性為

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

(1)

式中：n為空隙率，%；k為滲透系數，cm/s.

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

Rc=-0.235 6n+9.717 3

(2)

式中：n為空隙率，%；Rc為抗壓強度，MPa.

由式(2)可知，隨著混合料空隙率的增大，其抗壓強度隨之減小.通過空隙率的聯系，可以知道滲透系數與抗壓強度間的關系，即滲透系數增大，抗壓強度會降低.因此，過度增大空隙率以提高滲透能力的作法不合理，這將導致結構承載力下降.根據文獻[11]中的要求，透水瀝青混合料空隙率范圍應在18%～25%之間，在滿足相關規范的前提下，目標空隙率宜靠近規范下限，減小滲透系數，以增強結構層的強度，所以將目標空隙率擬定為18%.

2.2 擬選級配

級配設計參考日本大孔隙排水瀝青路面比較成熟的設計方法，同時結合文獻[11]中對透水瀝青混合料礦料級配范圍規定，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，結合2.4中空隙率的測定過程對其他篩孔的通過率進行微調后見表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篩孔的通過的質量分數.根據式(3)和式(4)計算出設計級配1的初試瀝青用量為4.5%，設計級配2為5.0%，設計級配3為4.6%，對應的油石比分別為4.7%，5.2%，4.8%.

2.4 空隙率測定

根據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，采用標準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，應先清理試件的表面，去除試件表面殘留的混合料及雜質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.根據式(9)～(11)得到的計算結果見表7.

表7 理論最大相對密度和空隙率計算結果

由表7可知，三種設計級配的空隙率都在目標空隙率附近.其中設計級配2制作的試件空隙率為18.038%，最符合目標空隙率18%的要求，所以選擇確定設計級配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，必須嚴格控制試件尺寸的精度以保證空隙率的準確性.

2.5 確定最佳瀝青用量

根據相規范的試驗方法，透水瀝青混合料的最佳瀝青用量由Schellenberg瀝青析漏試驗和Cantabro飛散結果試驗共同確定，析漏試驗能夠確定瀝青膠漿不產生離析的最大瀝青用量，飛散試驗能夠確定集料不發生脫落的最小瀝青用量.設計級配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個試件進行試驗，結果見表8和圖1.

表8 肯塔堡飛散和謝倫堡析漏試驗結果 %

圖1 瀝青用量范圍

根據飛散試驗和析漏試驗結果擬合出回歸曲線，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間為4.6%～5.2%，選取區間中值4.9%作為設計級配2的最佳瀝青用量.

3 路用性能驗證

3.1 高溫穩定性

重慶屬于夏季炎熱區，主城區夏季平均溫度達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定性進行驗證.采用車轍試驗的動穩定度DS對其高溫穩定性進行評價，制作4塊輪碾法成型的試件進行平行試驗，檢測結果取4次試驗的平均值見表9.

表9 車轍試驗結果(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定度遠大于3 500次/mm，具有較好的高溫穩定性能.

3.2 水穩定性

瀝青混合料的水穩定性評價常用浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗.現有的研究表明，堿性集料的浸水馬歇爾試驗殘留穩定度一般都較高，滿足規范要求.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定性，用劈裂強度比來評價混合料水穩定性的好壞.經受凍融和未凍融的試件每組各三個，檢測結果取平均值見表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%，水穩定性良好，滿足規范要求.

表10 凍融劈裂試驗結果(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行評價，采用滲透系數作為評價指標，滲透系數越大，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，否則會對試驗的準確性造成較大影響.3組試件檢測結果的平均值見表11.

表11 滲水試驗結果

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

4 結 論

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

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，計算結果表明，設計級配2成型試件的空隙率為18.038%，符合目標空隙率的要求.

3) 通過Schellenberg析漏試驗和Cantabro飛散試驗，確定了設計級配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) 在設計級配2的最佳瀝青用量的條件下，對混合料的高溫穩定性、水穩定性和滲水性進行了試驗.結果表明，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.