論大空隙排水瀝青路面混合料設(shè)計(jì)及性能分析

摘要 路面排水、降噪和抗滑性能對(duì)路面使用壽命、行車安全及舒適性具有重要影響。大空隙瀝青路面采用連續(xù)開級(jí)配的設(shè)計(jì)，使混合料具有空隙率大、排水性強(qiáng)等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可顯著提升路面排水、降噪和抗滑性能。文章研究了大空隙瀝青路面混合料配合比設(shè)計(jì)方法，綜合運(yùn)用馬歇爾試驗(yàn)、謝倫堡瀝青析漏試驗(yàn)等方法，確定了最佳瀝青用量;對(duì)大空隙瀝青混合料性能進(jìn)行了分析，并依托高速公路大修工程中積水嚴(yán)重區(qū)域作為試驗(yàn)路段，驗(yàn)證大空隙瀝青路面排水、降噪和其他路用性能的優(yōu)異性。

關(guān)鍵詞 大空隙路面;配合比設(shè)計(jì);排水性能;降噪性能;路用性能;施工關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào) U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）11-0115-03

引言

大空隙瀝青路面可以有效地滲透降水，防止公路表面積水，使雨天道路行車更加安全舒適;大空隙路面和汽車輪胎的空氣泵作用，因多孔結(jié)構(gòu)得到一定程度的弱化，能有效降低汽車行駛噪聲[1];因此文章研究大空隙瀝青路面混合料設(shè)計(jì)方法并對(duì)路用性能進(jìn)行論證，具有重要的實(shí)踐意義。

1 材料要求與選擇

1.1 瀝青膠結(jié)料

大空隙路面最重要的作用是排水，防止骨料被雨水沖走，因此需要高黏度的瀝青結(jié)合料來增大黏結(jié)力[2]。基于此，應(yīng)選擇高黏度改性瀝青，主要技術(shù)性能見表1所示。

1.2 粗集料

大孔隙瀝青混合料中集料嵌擠形成骨架空隙結(jié)構(gòu)，粗集料的強(qiáng)度直接影響其空隙結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，進(jìn)而影響混合料力學(xué)性能。因此，粗集料必須具有足夠的強(qiáng)度，該文所用粗集料為玄武巖，技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

1.3 細(xì)集料及填料

大空隙瀝青路面中的細(xì)集料用量較少，細(xì)集料與瀝青的黏附性是抵抗沖擊力的關(guān)鍵性質(zhì)。該文所選細(xì)集料性能完全滿足技術(shù)規(guī)范要求。

填料可有效增大瀝青與石料的黏結(jié)力，因此礦粉的選擇主要考慮的因素是比表面積。該文以石灰?guī)r磨細(xì)礦粉作為填料，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證完全滿足技術(shù)規(guī)范要求。

2 級(jí)配設(shè)計(jì)與瀝青用量確定

2.1 確定研究級(jí)配

在混合料配合比設(shè)計(jì)中，首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定級(jí)配各篩孔通過率的上下限值，在限值中間擬定多條級(jí)配，然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率來確定最佳級(jí)配[3]。現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范指出，空隙率應(yīng)控制在18%～22%，該研究的目標(biāo)設(shè)計(jì)空隙率取中值為20%。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定該次礦料目標(biāo)級(jí)配范圍，如表3所示。

確定級(jí)配范圍之后，要實(shí)現(xiàn)較為精確的設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率，必須在級(jí)配范圍內(nèi)進(jìn)行微調(diào)，以4.75 mm篩孔為粗、細(xì)集料的分界線，粗集料構(gòu)成骨架，粒徑在2.36 ～4.75 mm的集料用量較少，基本為間斷，2.36 mm以下集料與瀝青、礦粉一起構(gòu)成了填充粗集料骨架間隙的瑪蹄脂。通過改變2.36 mm篩孔通過率，即可完成對(duì)瑪蹄脂數(shù)量的調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)混合料整體空隙率的調(diào)整。

2.2 瀝青用量估算

為更加準(zhǔn)確、快速地確定混合料最佳瀝青用量，首先要結(jié)合上文擬定的目標(biāo)級(jí)配范圍，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)擬定的瀝青膜厚度，初步計(jì)算出瀝青用量，公式為：估算瀝青用量=擬定膜厚×擬定級(jí)配集料表面積。

借鑒前人經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際級(jí)配的情況，擬定瀝青膜的厚度為12 μm。通過公式計(jì)算的油石比如表4所示。

2.3 目標(biāo)級(jí)配確定

結(jié)合上文擬定的級(jí)配、計(jì)算的最佳瀝青用量，制作用于試驗(yàn)的馬歇爾試件。由于各組級(jí)配的2.36 mm篩孔通過率有較大差別，所以可以清楚地繪制出各組試件的空隙率與2.36 mm篩孔通過率的曲線示意圖，然后基于20%的設(shè)計(jì)空隙率確定恰當(dāng)?shù)募?jí)配。混合料試件空隙率與2.36 mm篩孔通過率對(duì)應(yīng)變化，擬合的關(guān)系曲線如圖1所示。

空隙率關(guān)系曲線

從圖1可知：當(dāng)2.36 mm篩孔通過率為11.2%時(shí)，馬歇爾試件空隙率約為20%，與設(shè)計(jì)空隙率一致。通過對(duì)三種級(jí)配進(jìn)行比較分析，確定級(jí)配B為設(shè)計(jì)級(jí)配。

2.4 最佳瀝青用量的確定

最佳瀝青用量確定方法：1）根據(jù)級(jí)配B以及通過計(jì)算得到的最佳瀝青用量±0.5%、±1.0%作為變量進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn);2）通過這兩種試驗(yàn)分別測(cè)出瀝青用量的上下限，然后借助馬歇爾穩(wěn)定度的取值，確定最終瀝青用量;3）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合析漏損失、飛散損失與油石比之間的關(guān)系曲線，取其拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的油石比作為瀝青用量取值范圍[4]。

（1）根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制析漏試驗(yàn)的結(jié)果與瀝青用量的關(guān)系圖，找到曲線拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的瀝青用量即為瀝青混合料的最大瀝青用量，析漏試驗(yàn)結(jié)果與油石比關(guān)系如圖2所示。根據(jù)圖2可知，析漏試驗(yàn)與油石比關(guān)系圖的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的油石比約為4.5%。

（2）運(yùn)用肯塔堡飛散試驗(yàn)，可確定混合料飛散損失和油石比關(guān)系曲線，進(jìn)而確定混合料最少瀝青用量。 飛散損失與油石比的關(guān)系如圖3所示，根據(jù)圖3可知，飛散損失與油石比關(guān)系圖的拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的油石比約為4.1%。

（3）根據(jù)圖2和圖3結(jié)果可知，最小瀝青用量為4.1%，最大瀝青用量為4.5%，可得該研究混合料最佳瀝青用量范圍為4.1%～4.5%。然后參考馬歇爾穩(wěn)定度確定最佳瀝青用量，綜上所述最終確定瀝青最佳用量為4.5%，此時(shí)的大空隙瀝青混合料性能最佳。

3 大空隙瀝青混合料性能分析

3.1 排水能力分析

排水性能是衡量大空隙瀝青混合料性能的主要性能指標(biāo)，該文運(yùn)用常水頭滲透儀測(cè)定混合料空隙率與排水性能的關(guān)系，以分析材料空隙率對(duì)材料排水性能的影響[5]。

試驗(yàn)開始前，首先制作三組目標(biāo)空隙率分別為18%、20%和22%的馬歇爾試件，每組三個(gè)試件。對(duì)上述試件分別進(jìn)行滲水試驗(yàn)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可知空隙率從18%提高到22%，豎向、橫向滲透系數(shù)均呈線性增加。因此設(shè)計(jì)透水路面時(shí)，可以通過增大空隙率的方式來提高道路排水能力。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7

3.2 降噪性能分析

考慮到在雨天道路噪聲會(huì)增大，試驗(yàn)時(shí)在某大空隙瀝青路面和普通路面試驗(yàn)路段進(jìn)行路面噪聲大小的測(cè)量，由不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析來反映各自的降噪能力。從試驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)顯示，在路面干燥的條件下，大空隙路面的噪聲值比普通路面下降了4 dB;在路面潮濕的條件下，大空隙路面的噪聲值比普通路面下降了8 dB。

3.3 路用性能研究

試驗(yàn)所用試件均采用表3中確定的級(jí)配B及最佳的瀝青用量為4.4%來進(jìn)行配制，試驗(yàn)結(jié)論如下：

（1）水穩(wěn)定性：經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)浸水馬歇爾試驗(yàn)，計(jì)算混合料殘留穩(wěn)定度值為86.5%，高于規(guī)范要求的85%;經(jīng)凍融劈裂試驗(yàn)，計(jì)算混合料凍融劈裂強(qiáng)度比為87%，高于規(guī)范要求的80%;根據(jù)浸水馬歇爾以及凍融劈裂兩種試驗(yàn)結(jié)論數(shù)據(jù)，可得出文章設(shè)計(jì)的大空隙瀝青混合料所檢測(cè)水穩(wěn)定性指標(biāo)符合規(guī)范的要求。

（2）高溫穩(wěn)定性：車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果顯示，大空隙瀝青混合料空隙率在17%～23%內(nèi)都滿足規(guī)范的要求，并且動(dòng)穩(wěn)定度都大于建議值≥3 500次/mm。

（3）低溫穩(wěn)定性：以小梁彎曲試驗(yàn)測(cè)定大空隙瀝青混合料低溫性，試驗(yàn)結(jié)果顯示隨著試件空隙率的增加，極限破壞應(yīng)變逐漸減小，表明混合料空隙率對(duì)其低溫抗裂性影響顯著，為保證路面低溫抗裂性能，應(yīng)合理控制鋪筑混合料空隙率[6]。

4 試驗(yàn)路施工效果分析

4.1 試驗(yàn)路工程概況

試驗(yàn)段屬于路面大修的一部分，選取了500 m維修路段作為試驗(yàn)段，為了加快雨水排出道路，防止路面積水，在此段路選擇大空隙瀝青混合料重新鋪筑。

試驗(yàn)段的混合料級(jí)配采用表4中確定的級(jí)配B，其目標(biāo)空隙率為20%，最佳瀝青用量選用4.4%。因原材料存在一些變化，級(jí)配稍有不同，但是與實(shí)驗(yàn)室級(jí)配B基本沒太大差別。

4.2 性能檢測(cè)

4.2.1 排水性能檢測(cè)

試驗(yàn)選取三個(gè)樁號(hào)，每個(gè)樁號(hào)隨機(jī)選取三個(gè)測(cè)點(diǎn)，計(jì)算各樁號(hào)測(cè)點(diǎn)的平均值，通過路面滲水儀進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示測(cè)試點(diǎn)1平均滲透系數(shù)1 489（ml/15 s）;測(cè)試點(diǎn)2平均滲透系數(shù)1 479（ml/15 s）;測(cè)試點(diǎn)3平均滲透系數(shù)1 498（ml/15 s）。

根據(jù)國內(nèi)外規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)所得，大空隙路面測(cè)試的滲透系數(shù)一般要求大于800 ml/15 s，可知檢測(cè)結(jié)果符合要求。

4.2.2 降噪性能檢測(cè)

檢測(cè)噪聲的工具安裝在道路旁，距地面1 m左右。檢測(cè)車分別以60 km/h、80 km/h、100 km/h的行駛速度駛過測(cè)試點(diǎn)，不同車速下的噪聲值分別為：車速60 km/h，降噪量3.7 dB;車速80 km/h，降噪量5.1 dB;車速100 km/h，降噪量6.4 dB。

測(cè)試結(jié)果可以看出，大空隙路面的噪聲比密級(jí)配普通路面的噪聲明顯要小，當(dāng)速度分別為60 km/h、100 km/h時(shí)，降噪量分別為3.7 dB、6.4 dB，可見行駛速度越快，大空隙道路降噪性能越好。

4.2.3 其他路用性能檢測(cè)

經(jīng)試驗(yàn)并計(jì)算，該路段平均彎沉值為49，達(dá)到道路承載力所需要求;以擺式儀對(duì)路面抗滑性能進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，各樁號(hào)測(cè)點(diǎn)摩擦系數(shù)均大于0.45，遠(yuǎn)大于規(guī)范要求;經(jīng)平整度試驗(yàn)檢測(cè)，最大值為4 mm，符合規(guī)范<5 mm的限值要求。

5 結(jié)論

文章對(duì)大空隙瀝青路面的用料標(biāo)準(zhǔn)、級(jí)配選擇、配合比設(shè)計(jì)等做了詳細(xì)的分析，對(duì)混合料排水、降噪性能和路用性能進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)合試驗(yàn)路的工程實(shí)踐，得到如下結(jié)論：

（1）大空隙瀝青混合料的各類原材料均應(yīng)符合質(zhì)量性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)空隙率為20%，通過比選，最終確定4.5%為最佳瀝青用量。

（2）大空隙瀝青混合料首要的特性是排水性能，而空隙率對(duì)大空隙瀝青路面排水性能有重要影響。經(jīng)試驗(yàn)分析空隙率從18%提高到22%，豎向、橫向滲透系數(shù)均呈線性增加。因此設(shè)計(jì)透水路面時(shí)，可以通過增大空隙率的方式來提高道路排水能力。

（3）選擇表3中的礦料級(jí)配B，設(shè)計(jì)空隙率為20%，4.5%為最佳瀝青用量，經(jīng)馬歇爾試驗(yàn)、抗壓模量壓縮試驗(yàn)驗(yàn)證，此大空隙瀝青混合料路面具有足夠的力學(xué)強(qiáng)度，可以滿足行車需求。且通過試驗(yàn)檢測(cè)，驗(yàn)證了此大空隙瀝青路面混合料設(shè)計(jì)方案的排水、降噪及抗滑路用性能，均達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（4）選擇高速公路積水嚴(yán)重的部分區(qū)域作為試驗(yàn)路，采用大空隙瀝青路面方案。經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)排水、降噪性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，且大空隙路面的彎沉值、抗滑性能和平整度均滿足規(guī)范要求。

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收稿日期：2022-03-15

作者簡介：何剛（1987—），男，本科，工程師，研究方向：高速養(yǎng)護(hù)施工管理。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7