排水瀝青混合料配合比優化設計

張春喜,游進前,王根寶,金 平

(云南省建設投資控股集團有限公司,云南 昆明 650501)

0 引 言

排水瀝青路面是指在不透水結構層上鋪設具有大空隙且多孔型瀝青混合料層所形成的路面結構,一般具有良好的排水性能、抗滑性能以及降噪功能,可大大提高行車安全性,在我國具有廣泛的應用前景。我國南方多雨,修建公路多采用大孔隙排水瀝青混合料,這種材料內部的大孔隙可及時將雨水排出,提高雨天車輛的行駛安全性,也可降低噪聲,大孔隙排水瀝青混合料在城市道路中具有較好的應用前景[1]。城市路網逐漸完善,但全球氣候變化導致城市內澇繼而造成的城市道路雨季積水問題一直未得到有效解決。排水瀝青混合料雖可緩解雨季城市道路積水問題,但經過長期實踐可知,原有排水瀝青混合料路面往往存在瀝青含量偏高,瀝青路面高溫穩定性較差等問題,運營一段時間后路面易出現較多車轍,排水效果較差,道路使用年限減少,在一定程度上造成資源浪費[2-3]。因此適用性較好的排水瀝青混合料配合比設計方法尤為重要。

目前,針對排水瀝青混合料配合比設計,肖鑫等[4]采用CAVF法對排水瀝青混合料進行配合比設計;盧旭[5]采用CAVF法對廣東地區排水瀝青混合料進行配合比設計研究分析,采用粗集料粗值βc作為評價粗集料級配質量的指標,在現有OGFC-13礦料級配基礎上進行優化;關博文等[6]在借鑒貝雷法的基礎上引入VMA,同時結合體積法的填充原則,提出基于VMA的排水瀝青混合料配合比設計方法;查旭東等[7]為研究特種玄武巖纖維對排水瀝青混合料路用性能的影響,選取OGFC-13作為試驗級配,分別添加不同劑量的特種玄武巖纖維采用我國規范法進行配合比設計;王昌引等[8]采用改進后的CAVF法對排水瀝青混合料進行配合比設計。

排水瀝青混合料配合比設計方法與普通瀝青混合料配合比設計方法不盡相同,且國內外排水瀝青混合料配合比設計方法不盡相同。通過對比國內外常用排水瀝青混合料配合比設計方法,主要從高空隙率、良好的抗松散性能、良好的膠漿性能以及良好的力學強度與耐久性能四方面考慮。為使排水瀝青混合料具有良好的路用性能和經濟性、耐久性,提高排水瀝青混合料的實際路用效果,在現有排水瀝青混合料結構類型的基礎上,考慮礦料級配進而對排水瀝青混合料進行配合比設計,以期獲得最佳設計級配和油石比,提高排水瀝青混合料路用性能,基于間斷級配優化排水瀝青混合料配合比設計。

1 原材料試驗

1.1 瀝青

排水瀝青混合料具有較大空隙率,選用瀝青為高黏瀝青以保證礦料之間具有較大的粘結力,以便具有良好的抗飛散、抵抗變形以及耐水耐久性能。選用的高黏度改性瀝青相關技術指標檢測結果如表1所示。

表1 高黏瀝青質量技術指標

1.2 粗集料

排水瀝青路面混合料為骨架空隙結構,混合料中粗集料占比例較大,約占集料總量的75%以上。選用粗集料為石灰巖,具有良好的耐磨性、耐破碎性以及與瀝青的粘附性。相關技術指標檢測結果如表2所示。

表2 試驗用粗集料檢測結果

1.3 細集料

排水瀝青混合料中,細集料一般用來調整混合料的空隙率,選用細集料為石灰巖,潔凈、干燥、無風化、無雜質,并有適當的顆粒級配。細集料篩分試驗結果如表3所示,所用細集料檢測結果如表4所示。

表3 試驗用細集料篩分結果

表4 試驗用細集料檢測結果

1.4 填料

排水瀝青混合料所用填料必須采用石灰巖或巖漿巖等憎水性石料經磨細得到的礦粉,所用的原石料應保持潔凈、無污染。選用石灰巖礦粉作為填料,相關技術指標檢測結果如表5所示。

表5 試驗用礦粉檢測結果

2 配合比優化設計

2.1 設計級配

在對排水瀝青混合料進行配合比設計時,所選側重點不同也會造成所用配合比設計方法不同。就目前而言,排水瀝青混合料配合比設計國際上主要以美國和日本的方法為主,我國的排水瀝青混合料配合比設計方法是綜合考慮其他配合比設計方法得來的,加上我國地域廣闊且道路環境各有異同,采用其他設計方法往往不能滿足實際要求,為求達到實際工程效果,排水瀝青混合料配合比設計方法仍采用我國規范法[9],選擇采取間斷級配設計方法并選取三種級配A、B、C,三種試驗級配范圍見表6。

表6 試驗用級配

結合以往排水瀝青路面混合料配合比設計經驗,擬定設計油石比為5.1%,采并用A、B、C三種試驗級配分別成型試件,按照相關規范進行相關指標的測試,三種試驗級配的試驗技術指標見表7。

表7 三種試驗級配試驗技術指標

傳統排水瀝青混合料配合比設計時,混合料路用性能受目標空隙率的影響較大,排水瀝青混合料具有較大孔隙率,主要是因為粗集料含量較多,細集料較少,以4.75 mm作為粗細集料的分界點,得出級配A、B、C粒徑大于9.5 mm集料用量占總用量分別為4.8%、5.0%、5.1%;根據表7可以得出,粗骨料占比越多得到的孔隙率越大,同時結合以往排水瀝青混合料配合比設計指標經驗,混合料的空隙率一般為18%～25%,故選用A級配作為本次配合比設計的最佳試驗級配。

2.2 最佳油石比確定

選用上述試驗確定的最佳試驗級配A作為設計級配,同時結合以往排水瀝青混合料設計經驗,選取5.0%為初始油石比,以0.5%的間隔選取五組油石比(4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%)作為本次試驗用油石比,按照相關技術規范在試驗室分別成型五組試件,按照試驗要求分別進行瀝青混合料謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗[10],五組試驗結果見表8。

表8 五組試驗級配試驗結果

結合瀝青混合料配合比設計方法,同時根據表8的的試驗結果,最終得出滿足本次排水瀝青混合料各種指標的最佳油石比為4.9%。

3 排水瀝青混合料配合比設計驗證

結合上述配合比優化設計分析,主要從高溫性能、水穩定性、低溫性能三方面內容進行配合比設計效果驗證。沒有依托具體實際工程,故采用在試驗室內進行試驗以求驗證其優化設計效果,以便能更好地指導后續實際工程的施工。

3.1 高溫性能分析

為對該配合比進行驗證,利用上述確定的最佳油石比制作車轍試件,按照瀝青混合料車轍試驗規范方法進行車轍試驗,選用SBS改性瀝青混合料進行對比試驗[11],兩組試驗結果如表9所示。

表9 車轍試驗結果

由表9可以看出,優化后的排水瀝青混合料的動穩定度比SBS改性瀝青混合料的動穩定度增加12.7%,大大提高了排水瀝青混合料的高溫穩定性,這是因為排水瀝青混合料因其自身的骨架-空隙結構,強度主要靠集料之間形成的嵌擠結構和瀝青與礦粉之間形成的膠粘結作用,而SBS改性瀝青混合料沒有良好的嵌擠行為,在荷載的作用下易發生推移進而造成動穩定度下降,為提高排水瀝青混合料的高溫穩定性,在進行配合比設計時可以考慮適當增加混合料中粗集料含量來改善混合料的高溫性能。

3.2 水穩定性分析

為驗證該配合比下的排水瀝青混合料水穩定性能,采用SBS改性瀝青混合料和優化后的排水瀝青混合料進行對比[12],在最佳油石比下成型試件進行凍融劈裂試驗,試驗結果如表10所示。

表10 凍融劈裂試驗結果

根據表10,優化后的排水瀝青混合料的水穩性能大于SBS改性瀝青混合料,優化后的排水瀝青混合料凍融劈裂強度比較SBS瀝青混合料增加2.7%。因為排水瀝青混合料具有較大的孔隙,可以將路面降雨積水透入到排水功能層,并通過功能層內將雨水橫向排出,降低了路面水損害、松散、坑槽及開裂的風險,在同等條件下具有較好的水穩性能。說明經過優化后的排水瀝青混合料具有良好的水穩定性。

3.3 低溫性能分析

為驗證該配合比下的排水瀝青混合料低溫性能,參照瀝青混合料不同氣候條件下的低溫性能要求[13-14],利用上述試驗確定的最佳油石比來制作排水瀝青混合料小梁試件,根據相關要求進行低溫彎曲試驗。選取SBS改性瀝青混合料進行對比試驗,試驗結果如表11所示。

表11 低溫彎曲試驗結果

根據表11的試驗結果可知:優化后的排水瀝青混合料的低溫性能優于SBS改性瀝青混合料,優化后的排水瀝青混合料最大伸縮應變相比SBS改性瀝青混合料增加3.8%,同時可以看出排水瀝青混合料的硬度大于SBS改性瀝青混合料,在低溫條件下趨于穩定,抗老化性能提高,具有較好的低溫性能。

4 小 結

在現有排水瀝青混合料配合比設計的基礎上,對其礦料級配進行優化選擇,開展排水瀝青混合料配合比設計,確定最佳油石比,并在該配合比下驗證了其路用性能。

(1)優化后的排水瀝青混合料其動穩定度比SBS改性瀝青混合料的動穩定度增加12.7%,提高了排水瀝青混合料的高溫穩定性。

(2)優化后的排水瀝青混合料的水穩性能大于SBS改性瀝青混合料,優化后的排水瀝青混合料凍融劈裂強度相比SBS瀝青混合料增加2.7%。

(3)優化后的排水瀝青混合料的低溫性能優于SBS改性瀝青混合料,優化后的排水瀝青混合料最大伸縮應變相比SBS改性瀝青混合料增加3.8%。