排水沥青混合料PAC-13渗水性能研究

■巩跃龙

(山西交通控股集团有限公司晋城高速公路分公司，晋城 048000)

0 引言

由于排水沥青混合料(PAC)具有排水、降噪及抗滑等优点，在公路工程建设中得到广泛应用。排水沥青混凝土属于骨架-孔隙结构，空隙率介于15%～25%之间，能有效减少路面积水，降低雨天出行难度，同时其表面孔隙结构可吸收部分噪声，对提高道路行车安全性和舒适性具有明显作用[1-2]。因此，确定矿料级配范围，进行排水沥青混合料配合比设计，对提高沥青路面使用性能具有显著意义。Kandhal等[3]研究发现沥青混合料排水能力的大小与矿料级配、空隙率大小及路面厚度等有关。Horkari等[4]通过声音吸收频谱预测了沥青路面的排水能力。Christense等[5]认为混合料渗透性与集料尺寸、结构空隙及配合比有关，当集料细度和沥青用量较小时混合料渗透性能较好。李会娟[6]通过研究排水沥青混合料材料及其结构特征，基于新的渗透系数测试方法评价了混合料的排水性能。徐皓[7]研究了矿料级配、结构孔隙率及沥青种类与沥青混合料的渗透系数的相关性，指出集料粒径是影响沥青混合料渗透系数的主要因素。唐国利等[8]研究发现沥青路面排水能力与材料渗透性能呈正相关，另外也与路面使用年限相关。由以上研究可知，沥青路面排水能力的大小可以通过渗透性能来评价，渗透能力越好，其路面排水效果越明显。而沥青路面排水能力的大小受多种因素的影响，比如矿料级配、结构空隙等。对此，本文在综合前人研究的基础上，针对排水沥青混合料结构特点和使用性能对PAC-13排水性沥青混合料采用“干捣试验”对粗集料级配进行设计，测定混合料有效空隙率，基于室内渗透试验测定PAC-13渗透系数和渗水系数，并通过PAC-13车辙板评价渗水系数的合理性。

1 试验原材料

1.1 沥青

选用SBS改性沥青，技术性质见表1。

表1 SBS改性沥青技术性质

1.2 集料

粗集料采用玄武岩，公称粒径为10～15mm、5～10mm、3～5mm。技术指标见表2。细集料选用机制砂，其技术性质见表3。

表2 粗集料技术性质

表3 细集料技术性质

1.3 矿粉

矿粉技术性质见表4。

表4 矿粉技术性质

1.4 外加剂

选用聚酯纤维，技术性质见表5。

表5 聚酯纤维技术性质

2 配合比设计

2.1 矿料级配

参照 《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中干捣试验，基于逐级填充理论通过矿料间隙率VCA分别确定 13.2～9.5mm 与 9.5～4.75mm 比例、13.2～4.75mm 与4.75～2.36mm比例[9]。干捣试验结果见图1。

由图1(a)可知，VCA随着9.5～4.75mm颗粒比例的增加大致呈现抛物线趋势变化，先减少后增大，当9.5～4.75mm颗粒比例为40%时，VCA最小，说明9.5～4.75mm颗粒填充13.2～9.5mm颗粒之间的空隙效果明显；同理由图1(b)可知，4.75～2.36mm颗粒比例为15%时，VCA最小，填充空隙效果明显。因此，粗集料骨架嵌挤结构的最佳比例分别是 13.2～9.5mm∶9.5～4.75mm=60∶40、13.2～4.75mm∶4.75～2.36mm=85∶15，PAC-13 矿料级配见表 6。

图1 粒级与间隙率VCA

表6 PAC-13矿料级配

2.2 混合料配合比

基于析漏试验与飞散试验确定PAC-13最佳油石比[9-10]。预估最佳油石比在3.8%～5.4%之间[10]，拟采用表6确定的矿料级配，油石比拟采用3.8%、4.2%、4.6%、5.0%、5.4%。试验结果见图2。

图2 析漏试验与飞散试验结果

由图2可知，析漏损失曲线和飞散损失曲线相较于4.85%，其中通过两条曲线的拐点确定的最佳油石比分别为5.0%、4.6%。对此，本文确定的最佳油石比为5.0%。聚酯纤维外掺剂量为0.4%，经验证PAC-13技术指标满足规范。

3 试验方案

3.1 试件制备

调整4.75mm和2.36mm筛孔通过质量百分率，根据表7每个级配成型3个马歇尔试件。目标空隙率拟选取16%、18%、20%、22%。

表7 矿料级配方案

3.2 测定有效空隙率

采用结合阿基米德原理间接测定马歇尔试件有效空隙率[9]，试验方法如下：

(1)马歇尔试件风干至质量无变化，称量试件质量M1。

(2)将试件浸入25℃水中，用小锤重复敲击试件正反面，直至无气泡，称量试件质量M2。

有效空隙率计算式见式(1)。

其中，ρw——25℃时水的密度，1g/cm3；

V2——集料与封闭孔隙的体积之和，cm3。

3.3 渗水试验

参照 《公路工程沥青及沥青混合料试验规程规程》(JTGE20-2011)进行渗水试验，渗水仪注水筒规格为φ20cm×h50cm，以试件上表面27.5cm[9]高度处注水进行渗水系数和渗透系数计算，并分析两者之间关系。

渗水系数和渗透系数计算公式见是式(2)、(3)。

其中，H1——初始水头高度，为7.5cm；

H2——结束水头高度，cm；

t——渗水时间，s；

a——注水筒面积，为314cm2；

A——试件截面面积，为81.03cm2；

L——试件高度，cm。

3.4 PAC-13车辙板渗水试验

根据表7成型目标空隙率车辙板试件，碾压次数为12次[9]，参照JTGE20-2011评价PAC-13车辙板渗水性能。

4 试验结果

4.1 有效空隙率

根据试验方案测定的试件空隙率见表8。

表8 试件空隙率

由表8可知，随着空隙率的增加，有效空隙率的增加幅度逐渐降低，说明有效空隙率与矿料级配相关。

4.2 渗水试验

对12个马歇尔试件进行渗水试验，根据式2和式3计算得到的渗水系数和渗透系数与空隙率关系分别见图3。

图3 渗水系数

由图3可见，随空隙率(有效空隙率)的增加渗水系数呈线性趋势增加，空隙率和有效空隙率与渗水系数增长关系不同，通过对数据进行线性回归分析，其线性关系如下：

由公式计算可得空隙率为15%时，即渗水系数为1517ml/min，说明PAC-13透水能力良好。

采用同种渗水仪确定的PAC-13渗水系数与渗透系数关系见图4。

图4 渗水系数与渗透系数变化关系

由图4可知，PAC-13渗水系数与渗透系数具有良好的线性关系，相关系数为0.97，渗水系数随渗透系数的增加不断增大。

4.3 PAC-13车辙板渗水试验

PAC-13车辙板渗水试验结果见图5。

图5 PAC-13车辙板空隙率与渗水系数变化关系

由图5可见，随着空隙率的增加，渗水系数呈线性趋势增加，增加了859ml/min，说明空隙率的增大导致有效空隙率增加，渗水性能得到加强。对数据进行线性拟合，如下式：

5 结语

通过对粗集料级配和混合料配合比进行设计，对排水沥青混合料PAC-13进行渗水试验研究得到以下结论。

(1)采用粗集料干捣试验，当 13.2～9.5mm∶9.5～4.75mm=60∶40、13.2～4.75mm∶4.75～2.36mm=85∶15 时 VCA 最小，粗集料形成骨架骨架嵌挤结构，采用析漏试验与飞散试验确定的PAC-13最佳油石比为5.0%。

(2)对目标空隙率为16%、18%、20%、22%的马歇尔试件和PAC-13车辙板进行渗水试验发现，空隙率(有效空隙率)与渗水系数呈线性增长关系，空隙率为15%时，渗水系数为1517ml/min，说明PAC-13透水能力良好；PAC-13车辙板渗水系数随空隙率的增加呈线性增长，说明空隙率的增大导致有效空隙率增加，渗水性能得到加强。