排水瀝青混合料PAC-13滲水性能研究

■鞏躍龍

(山西交通控股集團有限公司晉城高速公路分公司，晉城 048000)

0 引言

由于排水瀝青混合料(PAC)具有排水、降噪及抗滑等優點，在公路工程建設中得到廣泛應用。排水瀝青混凝土屬于骨架-孔隙結構，空隙率介于15%～25%之間，能有效減少路面積水，降低雨天出行難度，同時其表面孔隙結構可吸收部分噪聲，對提高道路行車安全性和舒適性具有明顯作用[1-2]。因此，確定礦料級配范圍，進行排水瀝青混合料配合比設計，對提高瀝青路面使用性能具有顯著意義。Kandhal等[3]研究發現瀝青混合料排水能力的大小與礦料級配、空隙率大小及路面厚度等有關。Horkari等[4]通過聲音吸收頻譜預測了瀝青路面的排水能力。Christense等[5]認為混合料滲透性與集料尺寸、結構空隙及配合比有關，當集料細度和瀝青用量較小時混合料滲透性能較好。李會娟[6]通過研究排水瀝青混合料材料及其結構特征，基于新的滲透系數測試方法評價了混合料的排水性能。徐皓[7]研究了礦料級配、結構孔隙率及瀝青種類與瀝青混合料的滲透系數的相關性，指出集料粒徑是影響瀝青混合料滲透系數的主要因素。唐國利等[8]研究發現瀝青路面排水能力與材料滲透性能呈正相關，另外也與路面使用年限相關。由以上研究可知，瀝青路面排水能力的大小可以通過滲透性能來評價，滲透能力越好，其路面排水效果越明顯。而瀝青路面排水能力的大小受多種因素的影響，比如礦料級配、結構空隙等。對此，本文在綜合前人研究的基礎上，針對排水瀝青混合料結構特點和使用性能對PAC-13排水性瀝青混合料采用“干搗試驗”對粗集料級配進行設計，測定混合料有效空隙率，基于室內滲透試驗測定PAC-13滲透系數和滲水系數，并通過PAC-13車轍板評價滲水系數的合理性。

1 試驗原材料

1.1 瀝青

選用SBS改性瀝青，技術性質見表1。

表1 SBS改性瀝青技術性質

1.2 集料

粗集料采用玄武巖，公稱粒徑為10～15mm、5～10mm、3～5mm。技術指標見表2。細集料選用機制砂，其技術性質見表3。

表2 粗集料技術性質

表3 細集料技術性質

1.3 礦粉

礦粉技術性質見表4。

表4 礦粉技術性質

1.4 外加劑

選用聚酯纖維，技術性質見表5。

表5 聚酯纖維技術性質

2 配合比設計

2.1 礦料級配

參照 《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中干搗試驗，基于逐級填充理論通過礦料間隙率VCA分別確定 13.2～9.5mm 與 9.5～4.75mm 比例、13.2～4.75mm 與4.75～2.36mm比例[9]。干搗試驗結果見圖1。

由圖1(a)可知，VCA隨著9.5～4.75mm顆粒比例的增加大致呈現拋物線趨勢變化，先減少后增大，當9.5～4.75mm顆粒比例為40%時，VCA最小，說明9.5～4.75mm顆粒填充13.2～9.5mm顆粒之間的空隙效果明顯；同理由圖1(b)可知，4.75～2.36mm顆粒比例為15%時，VCA最小，填充空隙效果明顯。因此，粗集料骨架嵌擠結構的最佳比例分別是 13.2～9.5mm∶9.5～4.75mm=60∶40、13.2～4.75mm∶4.75～2.36mm=85∶15，PAC-13 礦料級配見表 6。

圖1 粒級與間隙率VCA

表6 PAC-13礦料級配

2.2 混合料配合比

基于析漏試驗與飛散試驗確定PAC-13最佳油石比[9-10]。預估最佳油石比在3.8%～5.4%之間[10]，擬采用表6確定的礦料級配，油石比擬采用3.8%、4.2%、4.6%、5.0%、5.4%。試驗結果見圖2。

圖2 析漏試驗與飛散試驗結果

由圖2可知，析漏損失曲線和飛散損失曲線相較于4.85%，其中通過兩條曲線的拐點確定的最佳油石比分別為5.0%、4.6%。對此，本文確定的最佳油石比為5.0%。聚酯纖維外摻劑量為0.4%，經驗證PAC-13技術指標滿足規范。

3 試驗方案

3.1 試件制備

調整4.75mm和2.36mm篩孔通過質量百分率，根據表7每個級配成型3個馬歇爾試件。目標空隙率擬選取16%、18%、20%、22%。

表7 礦料級配方案

3.2 測定有效空隙率

采用結合阿基米德原理間接測定馬歇爾試件有效空隙率[9]，試驗方法如下：

(1)馬歇爾試件風干至質量無變化，稱量試件質量M1。

(2)將試件浸入25℃水中，用小錘重復敲擊試件正反面，直至無氣泡，稱量試件質量M2。

有效空隙率計算式見式(1)。

其中，ρw——25℃時水的密度，1g/cm3；

V2——集料與封閉孔隙的體積之和，cm3。

3.3 滲水試驗

參照 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程規程》(JTGE20-2011)進行滲水試驗，滲水儀注水筒規格為φ20cm×h50cm，以試件上表面27.5cm[9]高度處注水進行滲水系數和滲透系數計算，并分析兩者之間關系。

滲水系數和滲透系數計算公式見是式(2)、(3)。

其中，H1——初始水頭高度，為7.5cm；

H2——結束水頭高度，cm；

t——滲水時間，s；

a——注水筒面積，為314cm2；

A——試件截面面積，為81.03cm2；

L——試件高度，cm。

3.4 PAC-13車轍板滲水試驗

根據表7成型目標空隙率車轍板試件，碾壓次數為12次[9]，參照JTGE20-2011評價PAC-13車轍板滲水性能。

4 試驗結果

4.1 有效空隙率

根據試驗方案測定的試件空隙率見表8。

表8 試件空隙率

由表8可知，隨著空隙率的增加，有效空隙率的增加幅度逐漸降低，說明有效空隙率與礦料級配相關。

4.2 滲水試驗

對12個馬歇爾試件進行滲水試驗，根據式2和式3計算得到的滲水系數和滲透系數與空隙率關系分別見圖3。

圖3 滲水系數

由圖3可見，隨空隙率(有效空隙率)的增加滲水系數呈線性趨勢增加，空隙率和有效空隙率與滲水系數增長關系不同，通過對數據進行線性回歸分析，其線性關系如下：

由公式計算可得空隙率為15%時，即滲水系數為1517ml/min，說明PAC-13透水能力良好。

采用同種滲水儀確定的PAC-13滲水系數與滲透系數關系見圖4。

圖4 滲水系數與滲透系數變化關系

由圖4可知，PAC-13滲水系數與滲透系數具有良好的線性關系，相關系數為0.97，滲水系數隨滲透系數的增加不斷增大。

4.3 PAC-13車轍板滲水試驗

PAC-13車轍板滲水試驗結果見圖5。

圖5 PAC-13車轍板空隙率與滲水系數變化關系

由圖5可見，隨著空隙率的增加，滲水系數呈線性趨勢增加，增加了859ml/min，說明空隙率的增大導致有效空隙率增加，滲水性能得到加強。對數據進行線性擬合，如下式：

5 結語

通過對粗集料級配和混合料配合比進行設計，對排水瀝青混合料PAC-13進行滲水試驗研究得到以下結論。

(1)采用粗集料干搗試驗，當 13.2～9.5mm∶9.5～4.75mm=60∶40、13.2～4.75mm∶4.75～2.36mm=85∶15 時 VCA 最小，粗集料形成骨架骨架嵌擠結構，采用析漏試驗與飛散試驗確定的PAC-13最佳油石比為5.0%。

(2)對目標空隙率為16%、18%、20%、22%的馬歇爾試件和PAC-13車轍板進行滲水試驗發現，空隙率(有效空隙率)與滲水系數呈線性增長關系，空隙率為15%時，滲水系數為1517ml/min，說明PAC-13透水能力良好；PAC-13車轍板滲水系數隨空隙率的增加呈線性增長，說明空隙率的增大導致有效空隙率增加，滲水性能得到加強。