海绵城市OGFC排水型路面路用性能试验研究

2018-02-27余芳，韦明

西部交通科技 2018年12期

余芳，韦明

（广西交通职业技术学院，广西南宁 530023）

0 引言

随着城市化进程加速，硬化铺装过多，越来越多的城市出现了用水紧缺现象及雨季出现内涝现象。2012年4月，在“2012低碳城市与区域发展科技论坛”中，“海绵城市”概念被首次提出。2015年3月，3部委确定包括南宁、济南在内的16个城市获得中央财政补贴，用于海绵城市建设。海绵城市建设中，除建设必要的给排水管网外，如何让占城市面积20%～30%的道路和广场成为“海绵道路”则是关键问题之一。OGFC（即大孔隙开级配排水式沥青磨耗层）路面表现出较好的渗水、防滑、降噪等特点，是解决这一问题的有效方案。

OGFC路面内部连通的孔隙增加了排水通道，快速排出路面积水，提高降雨期间路面摩擦系数，提升道路通行安全；同时该路面的多孔结构为轮胎对空气形成的压缩与抽吸提供了消散渠道，从而可降低行车噪音，是潮湿多雨地区的城市道路路面表层较好的选择。本文针对OGFC－13混合料的路用性能进行试验研究。

1 原材料性质

1.1 沥青

沥青是沥青混合料的结合料，它的性能指标直接关系到混合料的路用性能。由于OGFC属于大空隙路面结构，在日照、雨水及使用过程中老化得较快，因此应选用高黏改性沥青以提高混合料路用性能。本次试验中，基质沥青选用壳牌70＃重交通石油沥青，加入交通部公路科学研究院开发的适用于排水沥青混合料的高黏度添加剂HVA，掺量为沥青质量的12%，改性前后沥青技术指标如表1所示。

由表1可看出，掺入HVA后沥青的技术指标得到明显的改善，软化点提高了27.4℃，说明HVA改性沥青的高温性能更好，同时针入度和延度均符合要求。

表1 沥青技术指标表

1.2 集料

考虑到潮湿多雨地区沥青路面要求有良好的水稳定性，粗、细集料均应采用与沥青具有良好粘附性能的碱性集料。此外，OGFC作为城市道路路面表层需要有优良的抗滑性能，粗集料不能使用易磨光的石料。本次试验粗集料采用广西百色产辉绿岩碎石，分为10～15mm及5～10mm两档，集料表面无杂质、无明显的风化现象，细集料采用0～5mm的石灰岩石屑。粗细集料物理技术性能如表2、表3所示。

表2 粗集料物理技术性能表

表3 细集料物理技术性能表

由表2可看出，辉绿岩与沥青的粘附性达到5级，磨光值达到55，均满足《城镇道路路面设计规范》（CJJ169－2012）中对年平均降雨量在1 000mm以上地区的快速路和主干路表面层所用粗集料的要求，其余各项指标也均符合规范。

1.3 填料

在沥青混合料中加入矿粉（有时也可用一部分消石灰、水泥代替矿粉），以提高集料－沥青体系的粘附性，改善混合料的抗水损害性能。本次试验采用由洁净的石灰岩磨细而成的矿粉作为填料，其各项性能指标如表4所示，符合规范要求。

1.4 纤维

OGFC的多空隙结构会导致混合料在施工过程中出现沥青析漏，在混合料中加入纤维稳定剂是防止沥青析漏的有效措施。本次试验为了验证纤维对混合料性能的影响，分别采用不掺加纤维、掺量为0.2%的木质素纤维和掺量为0.2%的聚酯纤维三种情况进行比较。

表4 填料技术性能表

2 矿料级配及油石比

2.1 矿料的级配

试验按照规范要求进行OGFC－13型矿料级配设计，确定该沥青混合料的各种集料的掺加比例为m1（10～15mm辉绿岩）∶m2（5～10mm辉绿岩）∶m3（石灰岩石屑）∶m4（矿粉）＝16%∶53%∶28%∶3%，混合料合成级配见下页表5。

表5 OGFC－13混合料集料级配表

2.2 油石比的确定

选定矿料级配后，采用马歇尔方法确定沥青混合料的最佳油石比。本次试验选择3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%这5个油石比，分别成型马歇尔试件，每组5个。根据规范要求测定混合料的毛体积密度、稳定度、流值，计算其空隙率、矿料间隙率和有效沥青饱和度，以此综合确定最佳油石比。在最佳油石比条件下拌合混合料，通过空隙率测定、马歇尔试验、肯塔堡飞散损失试验、析漏试验等进行配合比验证，其试验结果如表6所示。

表6 OGFC－13混合料配合比检验结果表

由表6可看出：掺加纤维会导致混合料最佳油石比增大，这是纤维吸附油分的特质所决定的。也正因为纤维的加入，混合料的马歇尔稳定度、流值都有所改善，使得沥青混合料的承载能力和抗变形能力有效增强。同时纤维具有填充混合料中的间隙的作用，混合料空隙率比之前略小，但都符合OGFC混合料空隙率在18%～25%之间的要求。

3 OGFC－13混合料路用性能试验分析

在各种自然因素和人为因素作用下，沥青路面的物理、力学性质会发生较大的变化。本次研究主要从高温、渗水、水稳定性、抗剪性能等几方面研究OGFC－13混合料的路用性能。

3.1 路面的高温稳定性

在夏季高温时，城市道路的沥青路面不仅要承受垂直应力还需要承受很大的水平作用力，如果混合料高温性能不足，将会导致路面产生较大的剪切变形，影响行车的安全和舒适性。按照规范要求，本次试验采用试验温度为60℃的车辙试验来评价OGFC－13沥青混合料在高温下抵抗塑性流动变形的能力。车辙试验结果如表7所示。

表7 OGFC－13混合料车辙试验结果表

从上表中可以看出，无论是否添加纤维，采用高黏改性沥青的OGFC沥青混合料，均能达到规范规定的动稳定度＞3 000次的要求。其中，聚酯纤维在沥青混合料中无定向的分布且互相搭接，起到桥接的作用，尤其是在车辙形成的后期，它能限制混合料的侧向流动变形，显著提高混合料的抗车辙性能。

3.2 路面的透水性

本研究采用轮碾机成型的车辙试验试件，脱模架起进行渗水试验。通过渗水试验（见表8）可知，加入纤维后，OGFC混合料的透水性略有降低，这主要是纤维的加入导致混合料空隙率减小所致。

表8 OGFC－13混合料的渗水试验结果表

3.3 路面的水稳定性

沥青混合料水稳定性评价经历两个阶段：首先采取水煮法等评价沥青与集料的粘附性能；其次采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、浸水劈裂强度试验等评价混合料的水稳定性能。如前所述，本次研究中辉绿岩与HVA改性沥青的粘附性能达到5级，即第一阶段的水稳定性评价符合要求。要评价OGFC混合料利用内部较大的空隙将雨水迅速排走的同时能够保持路面结构良好的整体性，不至于发生松散、剥落等病害就需要进行第二阶段的检测。本次采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验测试了OGFC－13沥青混合料的抗水损害能力，测试结果如表9所示。

表9 OGFC－13混合料水稳定性试验结果表

由表9可看出，掺加纤维后混合料空隙率降低，OGFC抗水损害能力有所提高。同组试件的浸水马歇尔残留稳定度比冻融劈裂强度比的值大，主要是因为经过冻融循环后，各混合料的劈裂强度均有所下降，但冻融劈裂强度比都在80%以上，仍然满足规范要求。

3.4 混合料的抗剪强度

沥青混合料是一种具有较强流变性的材料。当温度升高时，沥青混合料的劲度模量降低，在剪应力的作用下，易产生推移等破坏。本次研究采用静压成型圆柱体试件，利用单轴贯入试验仪在60℃和1mm／min的加载条件下测定沥青混合料的抗剪强度。

表10 OGFC－13混合料的抗剪强度试验结果表

由表10可以看出，掺入0.2%聚酯纤维和0.2%木质素纤维后OGFC混合料的抗剪强度分别有20.3%和15.4%的提高。这是因为，高黏改性沥青与纤维结合形成更高的粘滞度，以及纤维在混合料中的有效分散和扩散荷载作用，使得混合料的粘滞阻力增大，结构整体性更强，因此纤维混合料的粘结力比普通混合料的要大。这进一步说明，纤维的加入有利于混合料抗剪性能的改善。