透水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和路用性能研究

透水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和路用性能研究

孫紅亮1，趙曜1，朱宇杰2，趙塵1*

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京 210037；2.江蘇東南交通工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，南京210096)

摘要：為設(shè)計(jì)出符合南京地區(qū)降雨特征的透水性瀝青混合料，對(duì)開級(jí)配瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了改進(jìn)。按照南京地區(qū)降雨特征采用體積法進(jìn)行透水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)，同時(shí)通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)透水性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行了驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的透水性瀝青混合料(最佳瀝青用量6.0%、空隙率22.4%)混合料，其承載能力、高溫抗變形能力、低溫性能、水穩(wěn)定性等方面性能良好，符合路用性能要求。因此在南京市使用該透水性瀝青混合料作為透水性瀝青路面面層材料可以有效避免由于雨水來(lái)不及下滲而出現(xiàn)地表徑流的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：透水性能；空隙率；透水性瀝青混合料；配合比設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S 773；U 416

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-005X(2015)02-0130-05

Abstract：In order to design the porous asphalt mixture that meets the rainfall characteristics of Nanjing City，in this paper，the traditional design method of asphalt mixture was improved.A porous asphalt mixture was designed by volume design procedure based on the rainfall characteristics of Nanjing City.Its road performance was then tested by indoor experiments.The results showed that such a porous asphalt mixture，with an optimum asphalt content of 6.0% and a porosity of 22.4%，conformed to the requirements of specifications while the strength，higher-temperature deformation resistance，low temperature performance and water stability fully satisfied the requirements of Nanjing.Therefore，porous asphalt pavement can be developed to avoid road runoff owing to the rainwater accumulation with the use of such a porous asphalt mixture as the surface material in Nanjing.

Keywords：permeability performance；porosity；porous asphalt mixture；mixture ratio design

收稿日期：2014-10-30

基金項(xiàng)目：江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(CXZZ11_0522，CXLX13_523)；江蘇省優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

作者簡(jiǎn)介：第一孫紅亮，碩士研究生。研究方向：道路工程。

通訊作者：*趙塵，碩士，教授，博導(dǎo)。研究方向：森林作業(yè)系統(tǒng)、林區(qū)道路工程、工程環(huán)境技術(shù)。E-mail：czh@njfu.edu.cn

Mix Design and Experiments on the Road Performanceof Porous Asphalt Mixture

Sun Hongliang1，Zhao Yao1，Zhu Yujie2，Zhao Chen1*

(1.College of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037；

2.Jiangsu Southeast Traffic and Engineering Test and Experiment Co.，Ltd.，Nanjing 210096)

引文格式：孫紅亮，趙曜，朱宇杰，等.透水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和路用性能研究[J].森林工程，2015，31(2)：130-134.

20世紀(jì)70年代，美國(guó)費(fèi)城富蘭克林研究所(Franklin Institute)研究員Thelen E.等人提出關(guān)于透水性瀝青路面(Porous Asphalt Pavement)的構(gòu)想[1]。設(shè)計(jì)采用大孔隙瀝青混合料，使透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)在降雨過程中能像土壤一樣具有良好的透水性能，同時(shí)起到補(bǔ)充地下水的作用。多年以來(lái)，隨著新材料的發(fā)展以及路面設(shè)計(jì)水平、施工工藝及維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)的提升，透水性瀝青路面因其良好的路用性能及生態(tài)效益已在歐洲、美國(guó)、澳大利亞、日本等國(guó)和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。但由于各國(guó)在地理、氣候、交通條件以及使用側(cè)重點(diǎn)等方面的差異，至今仍沒有一種透水性瀝青混合料(Porous Asphalt Mixture)配合比設(shè)計(jì)方法得到普遍認(rèn)可。目前，用于透水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的方法主要有表面常數(shù)Kc法、美國(guó)聯(lián)邦公路管理局(FHWA)法、比利時(shí)公路研究中心(BRRC)建議方法以及日本《透水路面指南》法等幾種[2]。我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CJJ/T 190-2012透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》[3]中對(duì)透水路面瀝青混合料配合比以及《JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[4]中對(duì)開級(jí)配磨耗層OGFC混合料配合比的的設(shè)計(jì)方法、技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)要求以參照日本的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為主。為此，本文在確定基于有效控制路面地表徑流的透水性瀝青混合料目標(biāo)空隙率的基礎(chǔ)上，使用高粘度改性瀝青，采用PAC-16級(jí)配，并通過一系列試驗(yàn)對(duì)透水性瀝青混合料的路用性能進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，著重分析混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性等力學(xué)指標(biāo)，用以指導(dǎo)透水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1透水性瀝青混合料設(shè)計(jì)

透水性瀝青混合料是一種人工合成的多孔介質(zhì)，其內(nèi)部空隙包括閉空隙、半開空隙和連通空隙3種。從滲流力學(xué)的觀點(diǎn)以及透水性瀝青路面的透水功能考慮，只有連通空隙才允許流體通過，因此確保透水性瀝青混合料內(nèi)部形成一定數(shù)量且形態(tài)良好的連通空隙結(jié)構(gòu)是透水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。研究采用體積設(shè)計(jì)法，將滿足使用地降雨特征的目標(biāo)空隙率作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)。集料配合比設(shè)計(jì)的基本思路為：按照南京市2000年~2010年的降雨特征擬定設(shè)計(jì)降雨量，確定瀝青混合料的目標(biāo)空隙率；采用體積法進(jìn)行集料配合比設(shè)計(jì)；按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算初試瀝青用量；用振動(dòng)壓實(shí)法成型試件，測(cè)定試件空隙率是否符合設(shè)計(jì)要求，并以此作為調(diào)整集料級(jí)配的依據(jù)；確定集料級(jí)配后，分別通過混合料謝倫堡析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)確定最佳瀝青用量的上、下限；最后通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)混合料路用性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1.1　瀝青與集料

研究采用江蘇保利瀝青股份有限公司生產(chǎn)的一種成品高粘度改性瀝青(PG82-22)，其韌性、黏韌性、軟化點(diǎn)和60℃動(dòng)力粘度高，分別達(dá)到40、22N·m、90℃和123 600Pa·s，符合我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CJJ/T 190-2012透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》的要求。粗集料采用玄武巖碎石，最大粒徑13.2mm，壓碎值15%，其與瀝青的黏附性5級(jí)；細(xì)集料采用玄武巖機(jī)制砂，堅(jiān)固性6%；礦粉采用石灰?guī)r礦粉。集料的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[3-4]的要求。

1.2　基于有效控制路表徑流的目標(biāo)空隙率

混合料內(nèi)部連通空隙空間體積的大小直接決定了降雨過程中雨水的實(shí)際下滲量與最大可能蓄存量。研究根據(jù)南京市暴雨強(qiáng)度公式(1)[5]，按設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期5a、設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)120 min計(jì)算得到設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度0.630 6mm/min。

(1)

式中：P為設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期，a；t為設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)，min；i為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，mm/min。

透水性瀝青混合料試件的實(shí)際滲透量通過常水頭試驗(yàn)測(cè)得：

q-KsAsγ。

(2)

式中：q為單位時(shí)間內(nèi)雨水透過混合料試件截面的流量，cm3/s；Ks為試件的實(shí)際滲透系數(shù)，cm/s；As為試件的實(shí)際橫截面積，cm2；γ為試件上下面的水頭差，cm。

對(duì)于降雨歷時(shí)t內(nèi)，長(zhǎng)度L、寬度B的透水性瀝青路面而言，其實(shí)際滲透量為：

(3)

式中：Q為路面實(shí)際滲透量，m3；t為降雨歷時(shí)，min；J為透水性瀝青路面合成坡度；F=BL為透水性瀝青路面面積，m2；其余變量含義同前。

為使透水性瀝青路表在降雨過程中始終無(wú)地表徑流產(chǎn)生，即要求透水性瀝青路面在滿足一定強(qiáng)度要求的前提下獲得最大的透水能力：

Q≥60qdt。

(4)

即：

6×10-5KsJFt≥60qdt。

(5)

式中：qd為設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度，m3/s；其余變量含義同前。

將透水性瀝青混合料用振動(dòng)壓實(shí)法成型為不同空隙率的試件，采用滲透試驗(yàn)測(cè)得空隙率、有效空隙率與滲透系數(shù)，通過相關(guān)性分析可得三者之間的線性關(guān)系式：

Ks=0.0386v-0.5929(R2=0.8729)；

(6)

ks=0.0368n-0.2962(R2=0.9789)。

(7)

式中：v=(1-ρa(bǔ)-ρb)×100%，為試件的空隙率，%；ρa(bǔ)為試件毛體積相對(duì)密度，g/cm3；ρb為試件的理論最大相對(duì)密度，g/cm3；n=100%×(Va-Vb)/Va，為試件的有效空隙率，%；Vb=(m1-m2)/ρw為試件中所有連通空隙空間的體積，cm3；ρw為常溫下水的密度，g/cm3；m1、m2分別為試件在空氣中和水中重量，g；Va為試件與所有空隙的體積，cm3；其余變量含義同前。

將公式(6)代入公式(5)，整理后，得到用于計(jì)算透水性瀝青混合料目標(biāo)空隙率表達(dá)式：

(8)

值得注意的是，當(dāng)已知設(shè)計(jì)降雨重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)降雨歷時(shí)，采用公式(1)計(jì)算的設(shè)計(jì)降雨強(qiáng)度i單位為mm/min，而qd單位為m3/s，因此需要進(jìn)行換算，換算方法為：

q[m2(s·km2)]=16.67i(mm/min)。

(9)

將各參數(shù)代入公式(8)：

由此，根據(jù)江蘇省南京市降雨特點(diǎn)，可計(jì)算得到基于有效控制路表徑流的透水性瀝青混合料的目標(biāo)空隙率應(yīng)不小于18.08%。同時(shí)，國(guó)外研究表明透水性瀝青混合料空隙率范圍在18%~25%較為合適[6-7]。此外，實(shí)踐證明透水性瀝青路面在使用過程中受到行車荷載二次壓密作用和灰塵堵塞會(huì)使路面透水能力有所降低，因而在確定混合料目標(biāo)空隙率時(shí)應(yīng)予適當(dāng)考慮。因此本文初步確定透水性瀝青混合料的目標(biāo)空隙率范圍為22%~25%。

1.3　集料級(jí)配設(shè)計(jì)

研究基于《CJJ/T 190-2012透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》中給出的透水性瀝青混合料集料PAC-16級(jí)配范圍，以2.36mm篩孔通過率作為特征變化點(diǎn)，設(shè)計(jì)5組級(jí)配。具體級(jí)配方案見表1。

1.4　確定最佳瀝青用量

透水性瀝青混合料屬于“礦料骨架-空隙”結(jié)構(gòu)，其力學(xué)強(qiáng)度主要來(lái)源于集料之間的嵌擠作用，因此傳統(tǒng)確定瀝青混合料最佳瀝青用量的方法(如馬歇爾法)不再適用。根據(jù)國(guó)外研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[8-11]，本文在確定透水性瀝青混合料的最佳瀝青用量時(shí)，首先利用經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)集料的總比表面積和瀝青膜厚度確定初試瀝青用量，然后根據(jù)析漏試驗(yàn)和飛散試驗(yàn)確定最佳瀝青用量范圍，再參照體積指標(biāo)要求，最終確定混合料的最佳瀝青用量。

1.4.1計(jì)算初試瀝青用量

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中開級(jí)配磨耗層配合比設(shè)計(jì)方法，初試瀝青用量采用如下公式計(jì)算：

A=(2+0.02a+0.04b+0.08c+0.14d+0.3e+0.6f+1.6g)/48.74。

(10)

Pb=A×h。

(11)

式中：A為集料的總比表面積，其中a、b、c、d、e、f、g分別代表4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075mm篩孔的通過率，%；Pb為初試瀝青用量，%；h為瀝青膜厚度，μm，透水性瀝青混合料一般取14μm。

根據(jù)上述兩式估算的初試瀝青用量見表1。由表中可見，對(duì)不同級(jí)配，采用經(jīng)驗(yàn)公式估算的瀝青用量差異不大，最大瀝青用量為4.9%，最小為3.8%。

1.4.2確定最優(yōu)級(jí)配

根據(jù)國(guó)外施工經(jīng)驗(yàn)[12-13]，采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的初試瀝青用量普遍偏小，因此以適宜瀝青用量6.0%對(duì)初選的5組級(jí)配采用振動(dòng)壓實(shí)法成型試件后，測(cè)定各試件的體積指標(biāo)，結(jié)果見表2。同時(shí)，根據(jù)確定的混合料目標(biāo)空隙率范圍22%~25%，結(jié)合南京市夏季炎熱冬季寒冷潮濕的氣候特點(diǎn)，選定空隙率為22.4%的級(jí)配C為最優(yōu)級(jí)配。

表1　初試級(jí)配方案　% Tab.1 Gradations of the experiment

表2　各級(jí)配體積指標(biāo)測(cè)定結(jié)果 Tab.2 Results of volume performance at each particle grading

1.4.3確定最佳瀝青用量

對(duì)選定的最優(yōu)級(jí)配C，以瀝青用量6.0%為中值，以±0.5%為間隔成型5組試件，每組3個(gè)進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)，結(jié)果如圖1所示。

圖1　透水性瀝青混合料最佳瀝青用量確定 Fig.1 Determination of the optimum asphalt content of porous asphalt mixture

由圖1可知，透水性瀝青混合料滿足目標(biāo)空隙率范圍22%~25%，最佳瀝青用量范圍為5.9%~6.1%，析漏損失僅為0.13%，飛散損失為11.5%，滿足規(guī)范要求。綜合考慮后，確定最佳瀝青用量為6.0%。

2路用性能試驗(yàn)及分析

透水性瀝青混合料作為透水性瀝青路面的面層材料，必須在滿足良好的路用性能的基礎(chǔ)上，具有很好的透水能力。因此，研究滿足目標(biāo)空隙率范圍的透水性瀝青混合料能否滿足強(qiáng)度、高低溫性能、水穩(wěn)定性和滲透性能等要求，成為檢驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵因素。本研究按規(guī)程《JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》和《CJJ/T 190-2012透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，分別采用60℃高溫車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)及滲水試驗(yàn)，驗(yàn)證透水性瀝青混合料在最佳瀝青用量下的高溫穩(wěn)定性、低溫性能、強(qiáng)度性能和滲透能力，重點(diǎn)通過浸水飛散試驗(yàn)、浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)驗(yàn)證了混合料的水穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果見表3~表9。

表3　透水性瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果 Tab.3 Results of wheel rutting test for porous asphalt mixture

表4　透水性瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果 Tab.4 Results of low-temperature bending test for porous asphalt mixture

a《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)

表5　20℃透水性瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果　MPa Tab.5 Results of uniaxial compression test for porous asphalt mixture at 20℃

表6　透水性瀝青混合料的滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果 Tab.6 Results of permeability coefficient test for porous asphalt mixture

表7　透水性瀝青混合料浸水飛散試驗(yàn)結(jié)果　% Tab.7 Results of immersion scattering loss test for porous asphalt mixture

a《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)

表8　透水性瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果 Tab.8 Results of immersion Marshall Test for porous asphalt mixture

a《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)

表9　透水性瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果 Tab.9 Results of freeze-thaw split test for porous asphalt mixture

a《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)

從表3~表9可以看出，設(shè)計(jì)級(jí)配C采用最佳瀝青用量6.0%時(shí)，透水性瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度高，高溫穩(wěn)定性好，低溫彎曲抗拉強(qiáng)度符合技術(shù)要求，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果可以看出透水性瀝青混合料的水穩(wěn)定性滿足使用地氣候特點(diǎn)，除此之外，其他各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果也均符合我國(guó)現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》和《CJJ/T 190-2012透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》的要求。由此認(rèn)為，本文設(shè)計(jì)的透水性瀝青混合料在滿足目標(biāo)空隙率的同時(shí)，也達(dá)到一定強(qiáng)度，具有較好的使用性能。

4結(jié)束語(yǔ)

(1)根據(jù)江蘇省南京市降雨特點(diǎn)及路面使用過程中的作用影響，計(jì)算得到基于有效控制路面地表徑流的透水性瀝青混合料的目標(biāo)空隙率范圍在22%~25%為宜。

(2)通過五組集料類型確定最佳空隙率的級(jí)配C，并根據(jù)謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)和肯塔堡飛散試驗(yàn)得到混合料最佳瀝青用量為6.0%。且最佳瀝青用量下的級(jí)配C混合料孔隙率為22.4%，滿足目標(biāo)空隙率要求。

(3)通過對(duì)瀝青用量6.0%、空隙率22.4%的透水性瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)可知，混合料的承載能力、高溫抗變形能力、低溫性能、水穩(wěn)定性等方面性能良好，滿足基本路用性能要求。

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[責(zé)任編輯：李洋]