寒冷地區(qū)瀝青路面排水基層混合料的試驗(yàn)分析

竇大峣

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 瀝青路面排水基層混合料的技術(shù)要求

1.1 空隙率

排水基層一般采用多孔隙的瀝青混合料，混合料的空隙率應(yīng)滿足排水的需要。根據(jù)排水性能要求和現(xiàn)有研究成果，為及時(shí)排除路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的自由水，瀝青穩(wěn)定碎石混合料的空隙率應(yīng)在15%～25%[1]。

1.2 力學(xué)強(qiáng)度

通常認(rèn)為排水性瀝青混合料的空隙率應(yīng)高于15%。為保證瀝青混合料的空隙率在循環(huán)荷載等的作用下不低于此值，一般采用20%的初始空隙率，目前傾向于采用20%～25%，甚至30%。排水基層作為路面結(jié)構(gòu)的組成部分，將與其它路面結(jié)構(gòu)層一起，共同承受荷載的作用。因此，在保證排水能力的前提下，需要滿足強(qiáng)度或者回彈模量要求[1-3]。

綜上所述，瀝青穩(wěn)定碎石排水基層混合料的組成設(shè)計(jì)，應(yīng)同時(shí)滿足空隙率、滲透性和強(qiáng)度三方面的要求。因此，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮以下幾點(diǎn)：

(1)適當(dāng)?shù)募霞?jí)配。使排水基層混合料具有足夠的空隙率，以保證其滲水排水能力；

(2)合適的結(jié)合料用量。將集料穩(wěn)定地粘結(jié)在一起，在交通荷載作用下具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，保持必要的承載能力；

(3)攤鋪和碾壓時(shí)具有良好的施工和易性。

2 排水基層混合料試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要素

瀝青路面排水基層的主要功能是迅速有效地排除滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的自由水。同時(shí)，作為路面結(jié)構(gòu)的組成部分，排水基層必須有一定的結(jié)構(gòu)要求[4]。

瀝青穩(wěn)定碎石排水基層一般應(yīng)用在半剛性基層的上部層位，層間接觸條件通常考慮為完全連續(xù)。因此，對(duì)排水基層的結(jié)構(gòu)要求，主要體現(xiàn)在豎向抗變形能力方面，故采用抗壓回彈模量作為排水基層材料的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)[3-5]。

一般而言，瀝青穩(wěn)定排水基層材料的滲透性能與結(jié)構(gòu)性能是一對(duì)矛盾，材料組成趨向密實(shí)，則滲透性能降低而結(jié)構(gòu)性能提高；反之，滲透性能提高而結(jié)構(gòu)性能下降。影響瀝青穩(wěn)定碎石排水基層滲水系數(shù)與抗壓回彈模量的主要因素為集料的級(jí)配組成和瀝青用量[6，7]。因此需要對(duì)瀝青穩(wěn)定排水基層的材料級(jí)配進(jìn)行分析研判，以便同時(shí)滿足滲透、結(jié)構(gòu)兩方面的要求。

2.2 集料級(jí)配室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

集料中細(xì)料含量越高，滲透能力就越低，持水能力也就越強(qiáng)，難以把其中的自由水排出。作為排水基層材料，必須具有較小的持水能力。一般情況下，排水基層持水能力很弱，通常等于或接近集料的吸水率[5-8]。為了探討水對(duì)不同級(jí)配試件的影響，室內(nèi)試驗(yàn)采取以下集料級(jí)配。在級(jí)配范圍內(nèi)，適配5組不同集料級(jí)配作為初選級(jí)配，見表1。

表1 瀝青穩(wěn)定排水基層集料級(jí)配

3 試驗(yàn)用原材料

3.1 試驗(yàn)用瀝青

采用90#改性瀝青，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

3.2 試驗(yàn)用集料

集料為黑龍江省地產(chǎn)的石灰石，技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2 90#改性瀝青性能指標(biāo)

表3 集料技術(shù)指標(biāo)

4 排水基層瀝青混合料試驗(yàn)

4.1 瀝青用量的確定

如果瀝青穩(wěn)定排水基層材料中的瀝青用量不足，會(huì)發(fā)生集料松散脫落和水損害；如果瀝青用量過大，將在施工過程中因?yàn)r青滴落而堵塞孔隙。瀝青用量的確定方法是瀝青混合料的析漏試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)[7-9]。

析漏試驗(yàn)方法：按前述選定的瀝青混合料配合比，用室內(nèi)瀝青混合料拌和機(jī)拌和混合料。每次投放一個(gè)試件的用量，一組試件分別拌和6份。

常見瀝青用量的析漏試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 瀝青析漏試驗(yàn)結(jié)果

馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)：按瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)方法對(duì)上述級(jí)配的瀝青穩(wěn)定排水基層混合料進(jìn)行浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)混合料拌和溫度為170 ℃，擊實(shí)溫度為155 ℃，擊實(shí)次數(shù)2×50。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)開級(jí)配瀝青混合料的技術(shù)要求，馬歇爾穩(wěn)定度值不低于3.5 kN。根據(jù)表5的試驗(yàn)結(jié)果，選取符合要求的級(jí)配A-下限、B-上限、C-上限、D-上限、E-上限，進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)、滲水試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、小梁彎曲試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)。

4.2 瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)

按照瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)方法，檢驗(yàn)瀝青的最小用量和瀝青混合料的黏結(jié)性，即在交通荷載作用下，路面表面集料因脫落而散失的程度。試驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》要求開級(jí)配瀝青混合料肯塔堡飛散試驗(yàn)的飛散損失不大于20%，選用的5種級(jí)配的飛散損失均小于20%，符合要求。

4.3 瀝青混合料滲水試驗(yàn)

按照瀝青混合料滲水試驗(yàn)方法測(cè)定瀝青混合料的滲水系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 滲水試驗(yàn)結(jié)果

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》要求開級(jí)配瀝青混合料的滲水系數(shù)大于0.01 cm/s。所選5種級(jí)配混合料的滲水系數(shù)均大于0.01 cm/s，符合規(guī)范要求。

4.4 瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)

依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)定瀝青混合料試件在凍融前后的劈裂強(qiáng)度，以評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果見表8、圖1。

表8 劈裂試驗(yàn)結(jié)果

圖1 瀝青混合料的凍融強(qiáng)度比

規(guī)范要求開級(jí)配瀝青混合料凍融劈裂強(qiáng)度比大于等于70%，以上5個(gè)級(jí)配的試驗(yàn)結(jié)果均滿足要求。

4.5 瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)

按照瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)(圓柱體法)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表9。

4.6 瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)

試件尺寸為300 mm×30 mm×35 mm，試驗(yàn)在UTM試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試件跨徑200 mm，中點(diǎn)加載，加載速率為50 mm/min，控制溫度為-10±0.5 ℃。

表9 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

利用與最大荷載對(duì)應(yīng)的跨中撓度，可以計(jì)算出瀝青混合料小梁的抗彎拉強(qiáng)度和最大彎拉應(yīng)變。計(jì)算公式如下

(1)

(2)

式中：RB為瀝青混合料小梁的抗彎拉強(qiáng)度，MPa；L為瀝青混合料小梁的跨徑，mm；PB為瀝青混合料小梁破壞時(shí)的最大荷載，N；b為瀝青混合料小梁跨中斷面的寬度，mm；h為瀝青混合料小梁跨中斷面的高度，mm；εB為瀝青混合料小梁破壞時(shí)的最大彎拉應(yīng)變，με；d為瀝青混合料小梁破壞時(shí)的跨中撓度，mm。

試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見圖2、圖3。

圖2 瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度

圖3 瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變

對(duì)于高緯度低海拔寒冷地區(qū)的路面排水基層瀝青混合料，不僅需要考慮高溫抗變形能力，而且要兼顧低溫抗裂性能。從試驗(yàn)結(jié)果看，5種瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變均滿足規(guī)范不小于2 300 με的要求，表明對(duì)應(yīng)的排水基層瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性能。

4.7 瀝青混合料凍融循環(huán)試驗(yàn)

將試件浸水24 h，取出后放入-23 ℃的冰柜中8 h，然后置于室溫24 h，此為一個(gè)凍融循環(huán)。如此循環(huán)至規(guī)定次數(shù)(10、20、30、50次)，測(cè)定試件的劈裂強(qiáng)度、拉伸應(yīng)變和勁度模量。

根據(jù)試驗(yàn)，經(jīng)過設(shè)定的凍融循環(huán)次數(shù)后，5種瀝青混合料試件的厚度、直徑、全體空隙率、連續(xù)空隙率變化很小；5種級(jí)配瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度在1.74～2.65 MPa之間，拉伸應(yīng)變?cè)?.28～7.95 με之間，勁度模量在450.9～838.9 MPa之間，各技術(shù)指標(biāo)良好，說明5種路面排水基層瀝青混合料的抗凍耐久性良好。

5 結(jié) 論

在寒冷潮濕地區(qū)的公路路面結(jié)構(gòu)中設(shè)置排水基層，是提高瀝青路面使用耐久性、保證路面使用性能的有效方法。采用的排水基層瀝青混合料的空隙率應(yīng)在20%以上，瀝青用量宜在3.15%～3.55%之間。由試驗(yàn)分析可知。

(1)選取的5種排水基層瀝青混合料的15 ℃滲水系數(shù)在0.10～0.19 cm/s之間，符合規(guī)范對(duì)開級(jí)配瀝青混合料滲水系數(shù)大于0.01 cm/s的要求；

(2)5種排水基層瀝青混合料的凍融劈裂強(qiáng)度比在72.1%～92.3%之間，滿足規(guī)范大于等于70%的要求；

(3)單軸壓縮抗壓強(qiáng)度在4.53～8.91 MPa，抗壓回彈模量在794.79～1 236.51 MPa之間，排水基層瀝青混合料的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)良好；

(4)5種級(jí)配排水基層瀝青混合料的最大彎拉應(yīng)變?cè)? 150～4 977 με之間，具備良好的低溫抗裂性能；

(5)經(jīng)歷10、20、30、50次凍融循環(huán)，排水基層瀝青混合料試件的結(jié)構(gòu)性指標(biāo)變化很小，且拉伸應(yīng)變及力學(xué)指標(biāo)表現(xiàn)良好。

綜合以上分析，本次試驗(yàn)選用的5種公路路面排水基層瀝青混合料，其水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗凍耐久性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等均符合現(xiàn)有規(guī)范要求，可用于高緯度低海拔寒冷地區(qū)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)排水；建議的適用層位，為公路路面結(jié)構(gòu)的上基層或?yàn)r青路面的下面層。