排水沥青混合料配合比优化设计

张春喜,游进前,王根宝,金 平

(云南省建设投资控股集团有限公司,云南 昆明 650501)

0 引 言

排水沥青路面是指在不透水结构层上铺设具有大空隙且多孔型沥青混合料层所形成的路面结构,一般具有良好的排水性能、抗滑性能以及降噪功能,可大大提高行车安全性,在我国具有广泛的应用前景。我国南方多雨,修建公路多采用大孔隙排水沥青混合料,这种材料内部的大孔隙可及时将雨水排出,提高雨天车辆的行驶安全性,也可降低噪声,大孔隙排水沥青混合料在城市道路中具有较好的应用前景[1]。城市路网逐渐完善,但全球气候变化导致城市内涝继而造成的城市道路雨季积水问题一直未得到有效解决。排水沥青混合料虽可缓解雨季城市道路积水问题,但经过长期实践可知,原有排水沥青混合料路面往往存在沥青含量偏高,沥青路面高温稳定性较差等问题,运营一段时间后路面易出现较多车辙,排水效果较差,道路使用年限减少,在一定程度上造成资源浪费[2-3]。因此适用性较好的排水沥青混合料配合比设计方法尤为重要。

目前,针对排水沥青混合料配合比设计,肖鑫等[4]采用CAVF法对排水沥青混合料进行配合比设计;卢旭[5]采用CAVF法对广东地区排水沥青混合料进行配合比设计研究分析,采用粗集料粗值βc作为评价粗集料级配质量的指标,在现有OGFC-13矿料级配基础上进行优化;关博文等[6]在借鉴贝雷法的基础上引入VMA,同时结合体积法的填充原则,提出基于VMA的排水沥青混合料配合比设计方法;查旭东等[7]为研究特种玄武岩纤维对排水沥青混合料路用性能的影响,选取OGFC-13作为试验级配,分别添加不同剂量的特种玄武岩纤维采用我国规范法进行配合比设计;王昌引等[8]采用改进后的CAVF法对排水沥青混合料进行配合比设计。

排水沥青混合料配合比设计方法与普通沥青混合料配合比设计方法不尽相同,且国内外排水沥青混合料配合比设计方法不尽相同。通过对比国内外常用排水沥青混合料配合比设计方法,主要从高空隙率、良好的抗松散性能、良好的胶浆性能以及良好的力学强度与耐久性能四方面考虑。为使排水沥青混合料具有良好的路用性能和经济性、耐久性,提高排水沥青混合料的实际路用效果,在现有排水沥青混合料结构类型的基础上,考虑矿料级配进而对排水沥青混合料进行配合比设计,以期获得最佳设计级配和油石比,提高排水沥青混合料路用性能,基于间断级配优化排水沥青混合料配合比设计。

1 原材料试验

1.1 沥青

排水沥青混合料具有较大空隙率,选用沥青为高黏沥青以保证矿料之间具有较大的粘结力,以便具有良好的抗飞散、抵抗变形以及耐水耐久性能。选用的高黏度改性沥青相关技术指标检测结果如表1所示。

表1 高黏沥青质量技术指标

1.2 粗集料

排水沥青路面混合料为骨架空隙结构,混合料中粗集料占比例较大,约占集料总量的75%以上。选用粗集料为石灰岩,具有良好的耐磨性、耐破碎性以及与沥青的粘附性。相关技术指标检测结果如表2所示。

表2 试验用粗集料检测结果

1.3 细集料

排水沥青混合料中,细集料一般用来调整混合料的空隙率,选用细集料为石灰岩,洁净、干燥、无风化、无杂质,并有适当的颗粒级配。细集料筛分试验结果如表3所示,所用细集料检测结果如表4所示。

表3 试验用细集料筛分结果

表4 试验用细集料检测结果

1.4 填料

排水沥青混合料所用填料必须采用石灰岩或岩浆岩等憎水性石料经磨细得到的矿粉,所用的原石料应保持洁净、无污染。选用石灰岩矿粉作为填料,相关技术指标检测结果如表5所示。

表5 试验用矿粉检测结果

2 配合比优化设计

2.1 设计级配

在对排水沥青混合料进行配合比设计时,所选侧重点不同也会造成所用配合比设计方法不同。就目前而言,排水沥青混合料配合比设计国际上主要以美国和日本的方法为主,我国的排水沥青混合料配合比设计方法是综合考虑其他配合比设计方法得来的,加上我国地域广阔且道路环境各有异同,采用其他设计方法往往不能满足实际要求,为求达到实际工程效果,排水沥青混合料配合比设计方法仍采用我国规范法[9],选择采取间断级配设计方法并选取三种级配A、B、C,三种试验级配范围见表6。

表6 试验用级配

结合以往排水沥青路面混合料配合比设计经验,拟定设计油石比为5.1%,采并用A、B、C三种试验级配分别成型试件,按照相关规范进行相关指标的测试,三种试验级配的试验技术指标见表7。

表7 三种试验级配试验技术指标

传统排水沥青混合料配合比设计时,混合料路用性能受目标空隙率的影响较大,排水沥青混合料具有较大孔隙率,主要是因为粗集料含量较多,细集料较少,以4.75 mm作为粗细集料的分界点,得出级配A、B、C粒径大于9.5 mm集料用量占总用量分别为4.8%、5.0%、5.1%;根据表7可以得出,粗骨料占比越多得到的孔隙率越大,同时结合以往排水沥青混合料配合比设计指标经验,混合料的空隙率一般为18%～25%,故选用A级配作为本次配合比设计的最佳试验级配。

2.2 最佳油石比确定

选用上述试验确定的最佳试验级配A作为设计级配,同时结合以往排水沥青混合料设计经验,选取5.0%为初始油石比,以0.5%的间隔选取五组油石比(4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%)作为本次试验用油石比,按照相关技术规范在试验室分别成型五组试件,按照试验要求分别进行沥青混合料谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验[10],五组试验结果见表8。

表8 五组试验级配试验结果

结合沥青混合料配合比设计方法,同时根据表8的的试验结果,最终得出满足本次排水沥青混合料各种指标的最佳油石比为4.9%。

3 排水沥青混合料配合比设计验证

结合上述配合比优化设计分析,主要从高温性能、水稳定性、低温性能三方面内容进行配合比设计效果验证。没有依托具体实际工程,故采用在试验室内进行试验以求验证其优化设计效果,以便能更好地指导后续实际工程的施工。

3.1 高温性能分析

为对该配合比进行验证,利用上述确定的最佳油石比制作车辙试件,按照沥青混合料车辙试验规范方法进行车辙试验,选用SBS改性沥青混合料进行对比试验[11],两组试验结果如表9所示。

表9 车辙试验结果

由表9可以看出,优化后的排水沥青混合料的动稳定度比SBS改性沥青混合料的动稳定度增加12.7%,大大提高了排水沥青混合料的高温稳定性,这是因为排水沥青混合料因其自身的骨架-空隙结构,强度主要靠集料之间形成的嵌挤结构和沥青与矿粉之间形成的胶粘结作用,而SBS改性沥青混合料没有良好的嵌挤行为,在荷载的作用下易发生推移进而造成动稳定度下降,为提高排水沥青混合料的高温稳定性,在进行配合比设计时可以考虑适当增加混合料中粗集料含量来改善混合料的高温性能。

3.2 水稳定性分析

为验证该配合比下的排水沥青混合料水稳定性能,采用SBS改性沥青混合料和优化后的排水沥青混合料进行对比[12],在最佳油石比下成型试件进行冻融劈裂试验,试验结果如表10所示。

表10 冻融劈裂试验结果

根据表10,优化后的排水沥青混合料的水稳性能大于SBS改性沥青混合料,优化后的排水沥青混合料冻融劈裂强度比较SBS沥青混合料增加2.7%。因为排水沥青混合料具有较大的孔隙,可以将路面降雨积水透入到排水功能层,并通过功能层内将雨水横向排出,降低了路面水损害、松散、坑槽及开裂的风险,在同等条件下具有较好的水稳性能。说明经过优化后的排水沥青混合料具有良好的水稳定性。

3.3 低温性能分析

为验证该配合比下的排水沥青混合料低温性能,参照沥青混合料不同气候条件下的低温性能要求[13-14],利用上述试验确定的最佳油石比来制作排水沥青混合料小梁试件,根据相关要求进行低温弯曲试验。选取SBS改性沥青混合料进行对比试验,试验结果如表11所示。

表11 低温弯曲试验结果

根据表11的试验结果可知:优化后的排水沥青混合料的低温性能优于SBS改性沥青混合料,优化后的排水沥青混合料最大伸缩应变相比SBS改性沥青混合料增加3.8%,同时可以看出排水沥青混合料的硬度大于SBS改性沥青混合料,在低温条件下趋于稳定,抗老化性能提高,具有较好的低温性能。

4 小 结

在现有排水沥青混合料配合比设计的基础上,对其矿料级配进行优化选择,开展排水沥青混合料配合比设计,确定最佳油石比,并在该配合比下验证了其路用性能。

(1)优化后的排水沥青混合料其动稳定度比SBS改性沥青混合料的动稳定度增加12.7%,提高了排水沥青混合料的高温稳定性。

(2)优化后的排水沥青混合料的水稳性能大于SBS改性沥青混合料,优化后的排水沥青混合料冻融劈裂强度相比SBS沥青混合料增加2.7%。

(3)优化后的排水沥青混合料的低温性能优于SBS改性沥青混合料,优化后的排水沥青混合料最大伸缩应变相比SBS改性沥青混合料增加3.8%。