透水性瀝青混合料配合比設(shè)計和路用性能研究

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檢測有限公司，南京210096)

摘要：為設(shè)計出符合南京地區(qū)降雨特征的透水性瀝青混合料，對開級配瀝青混合料配合比設(shè)計方法進行了改進。按照南京地區(qū)降雨特征采用體積法進行透水性瀝青混合料配合比設(shè)計，同時通過室內(nèi)試驗對透水性瀝青混合料的路用性能進行了驗證。試驗結(jié)果表明：設(shè)計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

中圖分類號：S 773；U 416

文獻標識碼：A

文章編號：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

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

作者簡介：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)計和路用性能研究[J].森林工程，2015，31(2)：130-134.

20世紀70年代，美國費城富蘭克林研究所(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，同時起到補充地下水的作用。多年以來，隨著新材料的發(fā)展以及路面設(shè)計水平、施工工藝及維護保養(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、澳大利亞、日本等國和地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。但由于各國在地理、氣候、交通條件以及使用側(cè)重點等方面的差異，至今仍沒有一種透水性瀝青混合料(Porous Asphalt Mixture)配合比設(shè)計方法得到普遍認可。目前，用于透水性瀝青混合料配合比設(shè)計的方法主要有表面常數(shù)Kc法、美國聯(lián)邦公路管理局(FHWA)法、比利時公路研究中心(BRRC)建議方法以及日本《透水路面指南》法等幾種[2]。我國現(xiàn)行行業(yè)標準《CJJ/T 190-2012透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》[3]中對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]中對開級配磨耗層OGFC混合料配合比的的設(shè)計方法、技術(shù)指標和相關(guān)要求以參照日本的標準和規(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空隙率的基礎(chǔ)上，使用高粘度改性瀝青，采用PAC-16級配，并通過一系列試驗對透水性瀝青混合料的路用性能進行全面評價，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，用以指導(dǎo)透水性瀝青混合料配合比設(shè)計和透水性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1透水性瀝青混合料設(shè)計

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)計的關(guān)鍵所在。研究采用體積設(shè)計法，將滿足使用地降雨特征的目標空隙率作為設(shè)計基準。集料配合比設(shè)計的基本思路為：按照南京市2000年~2010年的降雨特征擬定設(shè)計降雨量，確定瀝青混合料的目標空隙率；采用體積法進行集料配合比設(shè)計；按經(jīng)驗公式計算初試瀝青用量；用振動壓實法成型試件，測定試件空隙率是否符合設(shè)計要求，并以此作為調(diào)整集料級配的依據(jù)；確定集料級配后，分別通過混合料謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗確定最佳瀝青用量的上、下限；最后通過室內(nèi)試驗對混合料路用性能進行驗證。

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、軟化點和60℃動力粘度高，分別達到40、22N·m、90℃和123 600Pa·s，符合我國現(xiàn)行行業(yè)標準《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；細集料采用玄武巖機制砂，堅固性6%；礦粉采用石灰?guī)r礦粉。集料的各項技術(shù)性能指標測試結(jié)果均符合行業(yè)標準[3-4]的要求。

1.2　基于有效控制路表徑流的目標空隙率

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際下滲量與最大可能蓄存量。研究根據(jù)南京市暴雨強度公式(1)[5]，按設(shè)計降雨重現(xiàn)期5a、設(shè)計降雨歷時120 min計算得到設(shè)計降雨強度0.630 6mm/min。

(1)

式中：P為設(shè)計降雨重現(xiàn)期，a；t為設(shè)計降雨歷時，min；i為設(shè)計降雨強度，mm/min。

透水性瀝青混合料試件的實際滲透量通過常水頭試驗測得：

q-KsAsγ。

(2)

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

對于降雨歷時t內(nèi)，長度L、寬度B的透水性瀝青路面而言，其實際滲透量為：

(3)

式中：Q為路面實際滲透量，m3；t為降雨歷時，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地表徑流產(chǎn)生，即要求透水性瀝青路面在滿足一定強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)計降雨強度，m3/s；其余變量含義同前。

將透水性瀝青混合料用振動壓實法成型為不同空隙率的試件，采用滲透試驗測得空隙率、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-ρb)×100%，為試件的空隙率，%；ρa為試件毛體積相對密度，g/cm3；ρb為試件的理論最大相對密度，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，得到用于計算透水性瀝青混合料目標空隙率表達式：

(8)

值得注意的是，當已知設(shè)計降雨重現(xiàn)期和設(shè)計降雨歷時，采用公式(1)計算的設(shè)計降雨強度i單位為mm/min，而qd單位為m3/s，因此需要進行換算，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，可計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空隙率應(yīng)不小于18.08%。同時，國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使路面透水能力有所降低，因而在確定混合料目標空隙率時應(yīng)予適當考慮。因此本文初步確定透水性瀝青混合料的目標空隙率范圍為22%~25%。

1.3　集料級配設(shè)計

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級配范圍，以2.36mm篩孔通過率作為特征變化點，設(shè)計5組級配。具體級配方案見表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)強度主要來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)國外研究成果和實踐經(jīng)驗[8-11]，本文在確定透水性瀝青混合料的最佳瀝青用量時，首先利用經(jīng)驗公式，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)析漏試驗和飛散試驗確定最佳瀝青用量范圍，再參照體積指標要求，最終確定混合料的最佳瀝青用量。

1.4.1計算初試瀝青用量

根據(jù)我國現(xiàn)行行業(yè)標準《JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中開級配磨耗層配合比設(shè)計方法，初試瀝青用量采用如下公式計算：

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，對不同級配，采用經(jīng)驗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)級配

根據(jù)國外施工經(jīng)驗[12-13]，采用經(jīng)驗公式計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%對初選的5組級配采用振動壓實法成型試件后，測定各試件的體積指標，結(jié)果見表2。同時，根據(jù)確定的混合料目標空隙率范圍22%~25%，結(jié)合南京市夏季炎熱冬季寒冷潮濕的氣候特點，選定空隙率為22.4%的級配C為最優(yōu)級配。

表1　初試級配方案　% Tab.1 Gradations of the experiment

表2　各級配體積指標測定結(jié)果 Tab.2 Results of volume performance at each particle grading

1.4.3確定最佳瀝青用量

對選定的最優(yōu)級配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個進行謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗，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，研究滿足目標空隙率范圍的透水性瀝青混合料能否滿足強度、高低溫性能、水穩(wěn)定性和滲透性能等要求，成為檢驗配合比設(shè)計成功與否的關(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、低溫彎曲試驗、單軸壓縮試驗及滲水試驗，驗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、強度性能和滲透能力，重點通過浸水飛散試驗、浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗和凍融劈裂試驗驗證了混合料的水穩(wěn)定性。試驗結(jié)果見表3~表9。

表3　透水性瀝青混合料車轍試驗結(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)計級配C采用最佳瀝青用量6.0%時，透水性瀝青混合料的動穩(wěn)定度高，高溫穩(wěn)定性好，低溫彎曲抗拉強度符合技術(shù)要求，通過浸水馬歇爾試驗結(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，除此之外，其他各項指標測定結(jié)果也均符合我國現(xiàn)行技術(shù)標準《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。由此認為，本文設(shè)計的透水性瀝青混合料在滿足目標空隙率的同時，也達到一定強度，具有較好的使用性能。

4結(jié)束語

(1)根據(jù)江蘇省南京市降雨特點及路面使用過程中的作用影響，計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配C，并根據(jù)謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗得到混合料最佳瀝青用量為6.0%。且最佳瀝青用量下的級配C混合料孔隙率為22.4%，滿足目標空隙率要求。

(3)通過對瀝青用量6.0%、空隙率22.4%的透水性瀝青混合料進行路用性能試驗可知，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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[責任編輯：李洋]