大空隙排水沥青混合料试验研究

彭永恒，何冰山，张智洁，王 慧，唐琼祯

(大连民族学院土木建筑工程学院，辽宁大连116605)

中国年平均降水量约为630 mm，降水量呈由内地西北方向至沿海递增的特点，且海岸线长度较长。普通的沥青路面通过路面横坡或纵坡排水，该排水方式使得路面雨水较长时间依附于道路表面，增加了路表水膜厚度，车辆高速运行时就很容易发生水滑或者水漂现象，给行车带来很大的安全隐患。

排水沥青路面具有抗滑、排水、降噪等多重优点，因其较为优良的路用性能，相继在美国、日本、澳大利亚等国家得到广泛应用［1］。随着国内高等级公路建设事业的发展需要，排水沥青混合料亦将得到充分应用。通过对沥青混合料各项技术指标的试验研究，得出较为理想的排水性大空隙混合料。

1 原材料与技术要求

大空隙排水沥青混合料集料采用粗集料含量较高，细集料含量较低，结构空隙率比较大的间断集配，组成结构为骨架空隙结构。混合料孔隙率一般为18% ～22%，沥青用量为4% ～6.5%。

1.1 沥青

沥青作为胶结料，根据不同面层结构的需要采用沥青类型。试验选用高温稳定度较好、粘结性强的改性沥青。改性沥青三项技术指标见表1。

表1 改性沥青技术要求

1.2 混合料集配选择

排水沥青混合料以粗集料为主，试验粗集料均采用玄武岩碎石。细集料和矿粉采用石灰石，集配类型选择AC-20。

在混合料中添加合适的外加剂能有效的改善混合料的耐久性和稳定性。实践证明选择玛蹄脂作为外加剂不仅有上述两种优良性质，还能与沥青形成的纤维胶泥和骨料之间形成一种嵌琐结构，有效提高骨料之间的联结。因此选择两组对比试验，一组为未添加外加剂的混合料，另外一组以玛蹄脂作为外加剂添加到混合料中。玛蹄脂掺量为 0.15%［2］。

2 试验组成材料确定

2.1 矿料集配

根据大空隙排水路面性能机理，确定目标孔隙率为18% ～22%，通过参考资料确定矿料合成集配，具体技术指标见表2。

表2 矿料合成集配

2.2 最佳沥青用量

沥青最佳用量采用析漏和飞散试验综合法［3-4］确定。析漏试验是将1 kg沥青混合料和放置沥青混合料的烧杯一并放入烘箱中，保持180℃恒温1 h，然后将烧杯内混合料倒出，测定粘附在容器上的沥青量作为析漏损失量，最后根据公式计算出沥青损失量。飞散试验是将制作好的沥青混合料马歇尔标准试件放在20℃水中浸泡20 min后放入洛杉矶磨耗仪中旋转300次，以试件的质量损失来评价混合料的粘聚性。分别按照不同的沥青用量做沥青析漏和飞散试验，绘制出析漏损失和沥青用量、飞散损失与沥青用量的关系曲线，从前者曲线的突h变点，同时结合后者曲线的最低沥青用量，确定出沥青的最佳用量。通过实践经验，设计沥青用量以5.0%为中值，取沥青用量为4.0%，4.5%，5.0%，5.5%，6.0%，分别做成标准的马歇尔试件。通过对不同沥青用量的马歇尔试件试验得出的数据，绘制出马歇尔高温(60℃)稳定度、流值、密度、孔隙率的关系，如图1。由图中可以看出，高温稳定度、密度与沥青用量呈抛物线趋势，均在5.0%前后出现峰值;从流值和孔隙率来看，分别与沥青用量成正比和反比关系，但在沥青用量接近5.0%时，斜率均出现一个较大的波动。故选择沥青用量在未达到5.0%为佳，综合分析确定出沥青最佳用量为4.8%。

图1 沥青用量与稳定度、流质、密度和孔隙率的关系

3 性能试验及分析

在中国，排水沥青混合料尚未得到广泛的应用，在实用性、耐用性等方面需要更加深入的了解。本次试验在混合料的排水性能、稳定性和耐久性方面进行研究。内容主要包括:马歇尔高温稳定度试验、小梁劈裂试验和车辙试验。为了更好的了解添加玛蹄脂对其相关性能的影响，采用两组进行试验对比。

3.1 马歇尔试件密度试验

密度试验主要验证试件在密度、孔隙率方面是否满足设计要求。试件采用101.6 mm×63.5 mm的马歇尔标准试件击实25次，尺寸误差±0.2 mm，通过游标卡尺量取试件实际高度，计算得出试件表观体积。再测定出试件的质量和毛体积，以此确定试件的孔隙率和密度。本试验试件密度和孔隙率分别在2.93 g·cm-3～3.44 g·cm-3和18% ～22%，均满足设计要求。

3.2 高温马歇尔稳定度试验

排水混合料马歇尔稳定度试验分别采用有玛蹄脂和无玛蹄脂两组对比试验，每组对比试验5个试件。马歇尔稳定度试验是对标准马歇尔试件在规定的稳定和速度下受压，测定混合料的稳定度和流质等指标。本试验采用标准击实法，在试验前，将试件放入60℃恒温水域中45 min做高温处理。将从恒温水域中取出的试件立即试验。得出马歇尔稳定度及流值数据见表3。

表3 马歇尔高温稳定度及流值

根据中国现行标准，高速、一级I型沥青混凝土高温稳定度不小于7.5 kN，抗滑表层稳定度不小于5 kN;其他公路I型沥青混凝土稳定度不小于5 kN。从本次实验数据可以看出，沥青用量为4.8%，同时高速、一级公路流值标准为2.0～4.0 mm;其他公路2.0～4.5 mm，稳定度和流值均达到标准，且添加0.15%玛蹄脂的混合料试验结果较前者更佳。

3.3 低温抗裂性能试验

在低环境温度下沥青路面将会有体积收缩变形的情况发生，同时会产生随机大小的温度应力;当温度超过沥青混合料的低温应力时，由于应力来不及松弛就会发生路面破损。试验确定混合料具有一定的抵抗低温变形能力。

有研究表明，低温抗裂性试验(即沥青混合料弯曲试验)是对指定一个标准尺寸小梁试件施加集中荷载至断裂破坏记录对应试验数据的试验。选择车辙试验成型机制作的试件，将其切割成标准小梁试件尺寸。采用2组×3个试件做对比试验。按照试验要求，温度为 -10℃，以50 mm·min-1速率加载。试验结果见表4。

表4 低温小梁弯曲试验

从试验结果可以看出，添加0.15%玛蹄脂的混合料明显具有较好的低温抗裂性能。

3.4 车辙试验

动稳定度通过车辙试验数据计算得出，表示沥青路面受环境温度影响的稳定性能。在高温季节，受路面交通量重复荷载作用，路面行车将产生车辙。室内车辙试验即模拟测定混合料抗车辙能力。车辙试验试件采用标准尺寸，将试件固定于车辙试验机试验板上，用固定荷载压强为0.7 MPa的橡胶轮以42次·min-1反复轮碾，测定其每增加变形1 mm的碾压次数，即动稳定度。试验控制温度60℃，试件采用沥青用量4.8%，两组对比试验。

中国沥青路面施工规范对动稳定度要求为:高速公路 780次·mm-1，一级公路600次·mm-1，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG-2011)要求，混合料试件的动稳定度公式为

式中，DS为沥青混合料的动稳定度，d1为对应于时间t1的形变量，d2为对应于时间t2的形变量，C1为试验机类型系数，该试验机取1.0，C2为试件系数，试件宽300 mm，按要求取1.0，N为试验轮往返碾压速度。根据试验数据计算结果见表5。

表5 混合料车辙性能试验结果

由试验结果可以看出，同等条件下，大空隙沥青混合料(AC-20)的高温稳定性能同普通密集配AC-13混合料相差不大。说明该混合料并没有因为其大空隙而影响到混合料的高温抗车辙性能。

3.5 透水试验

排水沥青混合料，顾名思义最主要的功能就是起到排水的功效。混合料的透水性能主要与空隙率(集料选择)、沥青用量有关。透水性试验其实很难模拟出不同降水量透水的情况，为提高与实际路面透水情况吻合度，采用室内简化试验方法。将制成的马歇尔试件不脱模冷却后将试件浸水一小时以上，让时间充分吸水达到饱和状态。将带模试件取出，然后量取100 mL水，倒入试件上表面，此时开始计时，待试件表面全部渗入试件内读取记录时间。渗透系数k为

式中，Q为注入水量，100 mL;A为试件表面积，81.07 cm2;t为渗透时间;h为试件高。试验数据见表6。

表6 透水系数试验结果

从试验结果可以看出，使用大空隙混合料在排水性能上明显优于普通沥青混合料。

3.6 残留稳定度试验

为评价混合料的抗剥落耐久性的指标，试验使用3.5中通过渗水试验的试件进行马歇尔稳定度试验，试验结果见表7。

表7 渗水试件残留稳定度试验结果

从试验数据可以看出，大空隙排水沥青混合料同普通沥青混合料在残留稳定度中，虽然有一定差距，但是影响很小。这和控制沥青用量和添加玛蹄脂有重要的关系。

4 结语

通过对排水沥青混合料最佳沥青用量的确定，对混合料强度、稳定性、排水性能以及渗水残留稳定度等的试验分析，提出了排水沥青路面混合料的设计方法和相关指标。试验采用沥青用量为4.8%、添加0.15%玛蹄脂作为外加剂，主要以粗集料为主，空隙率在18% ～22%的大空隙沥青混合料时，试验各项指标均满足国内外技术标准，排水效果良好，为今后排水沥青路面的施工技术提供了可借鉴的参考数据。

［1］黄勇生，项新里.排水沥青混合料试验研究［J］.国外公路，2001，2(1):42.

［2］张锋，李林波，李玉龙，等.大空隙排水性沥青路面配合比设计与实施［J］.公路，2008(4):112.

［3］李平.超磨耗层配合比设计与路用性能研究［D］.合肥:合肥工业大学，2011.

［4］钟科，罗桑.小粒径大空隙排水沥青混合料性能试验［J］.公路交通科技，2013(6):3-4.