排水瀝青混合料設計及其性能研究

郭會明 魏 星 譚恒程 邱 林 謝紅平

排水瀝青混合料設計及其性能研究

郭會明1魏 星1譚恒程1邱 林2謝紅平2

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

基于對排水瀝青混合料應用于多雨、雨天積水等環境特點的理解，充分把握排水瀝青混合料強度形成機理，對輝綠巖、高粘改性瀝青等原材料進行性能測試，基于粗骨料空隙填充法（CAVF法）進行不同目標空隙率18%、23%、25%多孔排水瀝青混合料配合比設計，進行高、低溫穩定性及水穩定性等路用性能驗證。

排水瀝青混合料；CAVF法；路用性能

0 概述

為提高雨天環境路面行車安全性，排水瀝青路面具有極強的適用性。通常所指排水路面是高速、一級公路或城市道路的上面層，降雨時路面范圍內的水流直接透過混合料內部的連通空隙，達到不透水下臥層再橫向排出到路面邊緣。骨架-空隙結構的排水瀝青混合料不同于密級配瀝青混合料的關鍵在于材料的接觸主要依靠集料之間的點接觸。為解決點接觸帶來的混合料粘結性能不足的問題，日本、新加坡、中國等多采用高粘度瀝青和使用較多的瀝青用量來提高排水瀝青混合料的強度、抗飛散剝落能力、穩定性和耐久性。基于對排水瀝青混合料強度形成機理的把握，本研究基于CAVF法進行不同目標空隙率18%、23%、25%骨架-空隙結構配合比設計，對排水瀝青混合料進行高、低溫穩定性及水穩定性等路用性能驗證。

1 原材料

1.1 粗集料

骨架-空隙結構的排水瀝青混合料其結構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度和形狀都應滿足要求。本研究粗集料統一使用某石料廠生產的4.75mm~16mm優質輝綠巖，不同粒徑輝綠巖技術性能指標結果如表1所示。

表1 輝綠巖性能試驗結果

2.2 細集料

本研究細集料依托項目就地取材，選用某碎石加工廠所生產的0.075mm~4.75mm石灰巖機制砂，不同粒徑的細集料性能檢測結果如表2所示。

表2 不同粒徑石灰巖主要性能試驗結果

2.3 礦粉

瀝青混合料中的礦粉分散在瀝青中，形成膠漿對集料產生粘結作用，以此改善多孔瀝青混合料路用性能。本研究選用的是無團粒結塊的石灰巖礦粉，技術指標檢測結果如表3所示。

表3 石灰巖礦粉技術指標

2.4 高粘改性瀝青

對于排水瀝青混合料來說，因為細集料較少而粗集料占比高達80%，形成的是一種骨架空隙結構，在這種級配和結構下，瀝青與集料接觸的比表面積減少，結構強度不足。高粘改性劑的摻入可以增強瀝青與石料的粘合強度，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，彌補集料接觸面積減少所帶來的強度損失。

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，試驗檢測結果如表4所示。

表4 HVA高粘瀝青改性劑技術指標

把SBS瀝青通過HVA改性得到高粘改性瀝青，通過熒光顯微發現自制高黏度改性瀝青具有致密、穩定的網狀結構，SR粒子作為高彈性嵌擠單元均勻分布在SBS交聯網狀結構中，瀝青分散介質相對減少，瀝青更加黏稠，結構內部的作用力得到增強，形成均一穩定體系。高粘改性瀝青技術性能指標如表5所示。

表5 SBS高粘改性瀝青技術指標

由上述試驗結果可知：SBS高黏改性瀝青動力黏度高達75×104Pa·s，遠高于規范要求的30×104Pa·s。瀝青分子間具有很強的作用力，可形成更厚的瀝青薄膜來有效黏附石料。對于經降雨和行車動載作用的排水瀝青路面，高動力粘度的改性瀝青能有效裹覆粗細集料，增加集料的粘附性能，減少路面剝落掉粒，增強抗水損害和抗飛散能力，增加排水路面結構耐久性。

2.5 聚酯纖維

排水瀝青混合料中通常需要加入模量高、延伸變形能力強的纖維。通常排水瀝青路面相對密級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，還可以防止產生低溫裂縫，同時吸收瀝青中的油分來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素纖維、聚合物纖維以及玄武巖纖維，通過對比試驗研究三種纖維老化后質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如表6所示。

表6 聚酯纖維物理指標

3 排水路面級配設計

3.1 空隙率計算方法

瀝青混合料理論最大相對密度試驗主要有：真空法、溶劑法和體積法。國內外學者普遍認為真空法測試的最大理論密度更為準確但是對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大，導致混合料里面的空氣不容易排出，真空法測定的結果容易偏小。溶劑法的計算需要扣除混合料內部開口空隙的體積，計算出來的空隙率比實際空隙率偏大。本研究采用體積法計算多孔排水瀝青混合料空隙率。

3.2 基于CAVF法級配設計

骨架-空隙結構排水瀝青路面空隙率取決于粗集料級配組成，混合料有開口空隙、閉口孔隙和連通空隙，雨水通過混合料之間連通空隙從路表流出到路側。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配設計方法——粗骨料空隙填充法（CAVF），這種方法的設計思路是用相對較少的細集料、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計空隙率。CAVF法可以直接確定瀝青的用量，避免膠結料對骨架-空隙結構的影響；還可以通過滿足嵌擠要求來提高抗車轍性能。粗細集料按式（1）、（2）計算：

式中：

根據上述級配設計方法結合工程實際常用的優化級配范圍，設計三種礦料級配（表7）。

表7 級配設計

基于CAVF體積法配合比設計，通過馬歇爾旋轉雙面擊實50次得出PAC-13(1)設計空隙率為23%，PAC-13(2)為18%，PAC-13(3)為25%。研究指出油石比過小會造成瀝青對集料的裹覆性不足，造成集料之間的粘結性較低，容易引起疲勞開裂；而油石比過大會造成瀝青膜較厚，多余的瀝青造成流淌現象，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篩孔的通過率百分數。

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

4 路用性能驗證

有學者對PAC與SMA路用性能進行研究，結果表明材料和級配良好的排水瀝青混合料具有良好的水穩定性和高溫穩定性，粗型級配的多孔瀝青混合料反映出來的抗車轍性能也更優[3]。路用性能驗證如下。

4.1 高溫穩定性

每種級配成型3個車轍板試件進行平行試驗，60℃車轍試驗結果如表8所示。

表8 PAC-13車轍試驗檢測結果

從表8可以看出：三種級配PAC車轍變形量小，在60℃環境下動穩定度高于規范要求。其中設計空隙率為18%的級配對應動穩定度最高為6605次/mm，說明三種級配的排水瀝青混合料抗車轍能力突出，具備優秀的高溫穩定性。

4.2 低溫穩定性

為了避免在溫度變化條件下出現路面開裂，對多孔排水瀝青混合料制成小梁試件，試驗溫度控制在-10℃±5℃，采用萬能材料試驗機進行低溫彎曲試驗，試驗結果如表9所示。

表9 PAC-13低溫彎曲試驗結果

從表2.19可以看出，三種級配多孔排水瀝青混合料破壞時最大彎拉應變大于規范要求，具有良好的低溫穩定性。

4.3 水穩定性

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

表10 PAC-13浸水馬歇爾試驗結果

從表2.20可以看出，三種級配的PAC殘留穩定度都滿足規范要求，水穩定性能較好。

5 總結

對排水瀝青混合料原材料進行了性能測試，采用體積法計算空隙率，基于CAVF方法對目標空隙率為23%、18%、25%的排水瀝青混合料進行了配合比設計及路用性能的驗證，結論如下：

（1）結合排水瀝青混合料應用項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密度大于3，性能良好。細集料選用石灰巖表觀相對密度大于2.7。采用交通部公路研發的HVA高粘改性劑和SBS改性瀝青，其中高粘瀝青動力粘度可以達到752292Pa·s，高于規范要求。

（2）采用體積法計算多孔排水瀝青混合料的空隙率，基于CAVF法進行級配設計，PAC-13(1)、PAC-13(2)、PAC-13(3)目標空隙率分別為23%、18%、25%，確定三種級配的油石比分別4.8%、5.3%、4.7%。SBS改性瀝青中HVA高粘改性劑的摻量，經過配伍后測定膠結料的三大指標最終確定為8%。聚酯纖維的摻量確定為瀝青混合料質量的0.1%。隨后對三種設計級配進行驗證，60℃的動穩定度都高于6300次/mm、-10℃最大彎拉應變大于2000με、水穩定性均大于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計[J].公路交通科技,2016,33(10):7-12.

[2]蔣瑋,沙愛民,裴建中,陳實,周浩.多孔瀝青混合料的疲勞特性試驗研究[J].建筑材料學報,2012,15(04):513-517+543.

[3]蔣瑋,沙愛民,裴建中,趙白云.多孔瀝青混凝土的水熱穩定性能[J].公路交通科技,2011,28(09):1-4+29.

[4][1]楊勁. 高粘度改性劑對排水瀝青混合料水穩定性能影響[D].重慶交通大學,2015.

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