(四川省交通建设集团有限责任公司)
摘要:集散公路用排水沥青混合料配合比设计对性能和耐久性有重大影响。而级配的优良与否是影响排水沥青混合料性能好坏的关键,性能良好的原材料和最佳沥青用量则能进一步改善排水沥青混合料的路用性能。因此,有必要对排水沥青混合料组成设计与性能进行研究。
关键词:集散公路;排水沥青混合料;设计;性能
集散公路为城市附近的公路或者干线公路的支路,常常伴随着机动车、非机动车以及行人交通混杂、抗滑安全、噪声污染等问题。因此有必要从原材料的选择、目标空隙率的确定、级配的确定、最佳沥青用量的确定以及混合料性能检验,进一步改善混合料的路用性能[1]。
1原材料
(1)高黏改性沥青
采用成品高黏改性沥青,采用成品高黏度改性沥青。应符合排水沥青路面的抗飞散性、抗水损害性、高温稳定性、低温抗裂性和耐久性等要求。高黏度改性沥青的质量应符合表1的技术要求。
表1 高黏改性沥青技术指标
检验项目 | 单位 | 检测值 | 技术要求 | 试验方法 |
针入度(25℃,100g,5s),不小于 | 0.1mm | 46 | ≥40 | T 0604 |
软化点,不小于 | ℃ | 99 | ≥80 | T 0606 |
延度(5℃,5cm/min),不小于 | cm | 40 | ≥30 | T 0605 |
溶解度,不小于 | % | 112 | ≥99 | T 0607 |
布氏黏度(170℃),不大于 | Pa▪s | 2.1 | ≤3 | T 0625 |
动力黏度(60℃),不小于 | Pa▪s | 142850 | ≥100000 | T 0620 |
黏韧性(25℃),不小于 | N▪m | 32.4 | ≥25 | T 0624 |
韧性(25℃),不小于 | N▪m | 26.4 | ≥20 | T 0624 |
弹性恢复(25℃),不小于 | % | 105 | ≥95 | T 0662 |
贮存稳定性离析,48h软化点差值,不大于 | ℃ | 1.8 | ≤2.5 | T 0661 |
闪点,不小于 | ℃ | 264 | ≥230 | T 0611 |
相对密度(25℃) | — | 1.028 | 实测记录 | T 0603 |
RTFOT后残留物 | ||||
质量变化,不大于 | % | 0.5 | ±1.0 | T 0609 |
残留针入度比(25℃),不小于 | % | 72 | ≥65 | T 0604 |
残留延度(5℃),不小于 | cm | 29 | ≥20 | T 0605 |
(2)粗集料
应采用石质坚硬、清洁、不含风化颗粒、近立方体颗粒的碎石,粒径大于2.36mm,上面层采用玄武岩石料,严格控制针片状颗粒含量,粗集料技术指标检测结果见表2。
表2 粗集料质量技术指标检测结果
试验项目 | 单位 | 检测值 | 技术要求 | 试验方法 | ||
软石含量,不大于 | % | 0.6 | 1.0 | T 0320 | ||
坚固性,不大于 | % | 6 | 8 | T 0314 | ||
压碎值,不大于 | % | 14 | 18 | T 0316 | ||
高温压碎值,不大于 | % | 20 | 23 | T 0316 | ||
洛杉矶磨耗损失,不大于 | % | 15 | 20 | T 0323 | ||
磨光值,不小于 | PSV | 49 | 潮湿区 | 41 | T 0321 | |
湿润区 | 39 | |||||
沥青黏附性,不小于 | 级 | 6 | 5 | T 0654 | ||
水洗法<0.075mm颗粒含量,不大于 | % | 0.8 | 1 | T 0310 | ||
表观相对密度,不小于 | - | 2.9 | 2.7 | T 0304 | ||
毛体积相对密度,不小于 | - | 2.8 | 2.6 | T 0304 | ||
吸水率,不大于 | % | 1.6 | 2.0 | T 0307 | ||
针片状颗粒含量 | 混合料,不大于 | % | 10.3 | 12 | T 0312 | |
其中粒径大于9.5mm,不大于 | % | 8.2 | 10 | T 0312 | ||
其中粒径小于9.5mm,不大于 | % | 9.6 | 12 | T 0312 | ||
(3)细集料
采用坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质并有适当级配的人工轧制的石灰岩或玄武岩细集料。细集料技术指标检测结果见表3。
表3 细集料质量技术指标检测结果
项目 | 单位 | 检测值 | 技术要求 |
表观相对密度 | / | 2.935 | ≮2.60 |
毛体积相对密度 | / | 2.812 | / |
坚固性(>0.3mm部分) | % | 0.2 | ≯3 |
棱角性(流动时间) | s | 34 | ≮30 |
(4)矿粉
宜采用石灰岩碱性石料经磨细得到的矿粉。矿粉必须干燥、清洁,矿粉质量技术指标检测结果见表4。
表4 矿粉技术指标检测结果
试验项目 | 单位 | 检测值 | 技术要求 | 试验方法 | |
表观相对密度 | — | 2.7 | ≥2.5 | T0352 | |
含水量 | % | 0.8 | ≤1 | T0103 | |
外观 | — | 无团粒结块 | 无团粒结块 | 观察 | |
亲水系数 | — | 0.9 | ≥0.8 | T0353 | |
塑性指数 | % | 3.4 | ≤4 | T0354 | |
加热安定性 | — | 无明显变化 | 无明显变化 | T0355 | |
粒度范围 | <0.60mm | % | 100 | 100 | T0351 |
<0.30mm | % | 98 | 95-100 | ||
<0.15mm | % | 92 | 90-100 | ||
<0.075mm | % | 79 | 75-100 |
(5)纤维稳定剂
掺加聚酯纤维,其技术要求见表5。
表5 聚酯纤维技术要求
技术指标 | 检测值 | 技术要求 | 试验方法 |
密度(g/cm³),不小于 | 1.32 | 1.18 | T 0328-2005 |
纤维长度(mm) | 6.6 | 6±1.5 | GB/T 14336-2008 |
纤维直径(mm) | 0.016 | 0.014~0.020 | GB/T 10685-2007 |
熔点(℃),不小于 | 242 | 220 | T 0611-2011 |
耐热性210℃,2h | 颜色、体积无变化 | 颜色、体积无变化 | JT/T534-2004 |
2配合比设计流程
采用的沥青混合料组成设计方法,方法步骤为:
(1)确定排水沥青混合料的目标空隙率。目标空隙率确定为18%。根据目标空隙率利用经验公式(1)设计混合料级配,将 2.36mm 孔径筛孔通过率作为中值,上下调整
3%得到三组混合料级配方案。沥青膜厚度取值为14µm,通过经验公式估算三组级配沥青用量[2]。
y=32.56+0.013P13.2+0.013P9.5-0.872P2.36-0.133P0.075-0.253Pδ(1)
(2)按照级配和沥青用量成型马歇尔试件(试件双面击实50次),对试件空隙率进行测试,检验三组级配的空隙率是否达到目标空隙率的要求。
(3)达到目标空隙率要求,变化不同沥青用量进行飞散试验和析漏试验确定级配的最佳沥青用量;没有达到目标空隙率的要求,重新调整级配。
(4)进行排水沥青混合料性能检测(如马歇尔稳定度验、动稳定度、飞散损失率以及残留强度比等指标)。试验结果符合规范要求则配合比完成;试验结果不符合规范要求,重新调整级配。
2.1级配
根据资料调研及已有研究成果,通过计算使矿料级配接近目标配合比设计的矿料配合比,同时反复调整各档料比例,以达到供料均衡,初步设计以下3种PAC-13级配,合成级配见表6所示。
表6 合成级配
级配 类型 | 通过下列筛孔(方孔筛,mm)的质量百分率(%) | |||||||||
16.0 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 | |
级配上限 | 100.0 | 100.0 | 71.0 | 30.0 | 20.0 | 17.0 | 14.0 | 12.0 | 9.0 | 7.0 |
级配下限 | 100.0 | 90.0 | 40.0 | 10.0 | 9.0 | 7.0 | 6.0 | 5.0 | 4.0 | 3.0 |
级配A | 100 | 99.8 | 71.4 | 19.4 | 15.1 | 11.5 | 7.6 | 5.6 | 4.4 | 3.6 |
级配B | 100 | 99.8 | 70.6 | 21.7 | 17.1 | 13.1 | 8.6 | 6.2 | 4.9 | 4.1 |
级配C | 100 | 99.8 | 71.4 | 20.3 | 15.9 | 12.1 | 7.9 | 5.7 | 4.5 | 3.7 |
图1 合成级配曲线
根据设计的3种级配,进行马歇尔试验,验证其空隙率和马歇尔稳定度是否合格,试验结果见表7所示。
表7 马歇尔试验结果
级配 类型 | 油石比 (%) | 毛体积 相对密度 | 理论最大相对密度 | 空隙率 VV (%) | 稳定度(kN) | 流值(0.1mm) |
级配A | 4.8 | 2.024 | 2.501 | 18.7 | 5.13 | 30.2 |
级配B | 2.154 | 2.501 | 14.8 | 5.89 | 23.7 | |
级配C | 2.064 | 2.501 | 17.9 | 5.43 | 28.5 |
由表7可知,3组的沥青混合料的马歇尔稳定度都满足大于5kN的要求,其中级配C的空隙率为17.9%,与目标空隙率(18%)最为接近,故选定级配C为最终级配。
2.2沥青用量
采用推荐的C级配,分别以3.8%、4.3%、4.8%、5.3%、5.8%五组油石比配制沥青混合料进行谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验,根据试验结果绘制谢伦堡析漏和肯塔堡飞散与油石比的关系曲线图,从曲线图中以飞散试验结果的拐点为最小沥青用量(OAC1)、,以析漏试验结果的拐点为最大沥青用量(OAC2),在OAC1 ~OAC2的范围内参照马歇尔试验的结果,选择尽量高的沥青用量作为最佳沥青用量[3]。谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验结果见表11和图2所示。
图2 谢伦堡析漏和肯塔堡飞散与油石比的关系图
根据关系图2可知,飞散试验结果的拐点OAC1为4.42%,析漏试验结果的拐点OAC2为5.14%,两者的中值为4.78%,从析漏试验结果可知,油石比为5.3%时,析漏率为0.42%,满足≤0.8%的技术要求,本文为保证混合料的抗飞散性,将油石比上调0.1%~0.2%,经考虑选取最佳油石比为4.9%。
3排水沥青混合料路用性能验证
采用推荐的C级配,以4.9%油石比配制沥青混合料,验证沥青混合料体积指标、析漏损失、飞散损失、马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度比、动稳定度、渗水系数等路用性能[4],检测结果见表8所示。
表8 混合料路用性能试验结果
试验项目 | 单位 | 检测值 | 技术要求 |
空隙率 | % | 17.8 | 目标空隙率为18 |
马歇尔稳定度 | kN | 5.8 | ≮5 |
析漏率 | % | 0.3 | ≯0.8 |
飞散率 | % | 11.0 | ≯15 |
浸水飞散率 | % | 8.7 | ≯20 |
动稳定度 | 次/mm | 5160 | ≮5000 |
残留稳定度 | % | 88.6 | ≮85 |
冻融劈裂强度比 | % | 93.2 | ≮80 |
破坏应变 | με | 2100 | ≮2000 |
由表8可知,室内制备的排水沥青混合料具有良好的路用性能,各项性能指标均满足技术要求。
4结论
选定级配后,通过析漏试验和飞散试验来确定最佳沥青用量,两项试验结果拐点的中值为4.78%,从析漏试验结果可知,即使油石比为5.3%时,析漏率仅为0.42%,满足不大于0.8%的技术要求,故为保证混合料的抗飞散性,将油石比上调0.1%~0.2%,经考虑选取最佳油石比为4.9%。达到目标孔隙率的要求,满足集散公路排水沥青混合料的性能需求。
参考文献
[1]陈泽孔. 多车道排水沥青路面排水性能实验研究[D].重庆交通大学,2016.
[2]李飞扬. 排水沥青混合料的水稳定性能研究[D].重庆交通大学,2017.
[3]段宝东,李俊,李明亮,曹东伟,尘福涛.基于层间粘结性能的排水沥青路面防水粘结层材料参数研究[J].公路工程,2019,44(02):45-49+137.
[4]陈锋,季天剑,解建光.排水性沥青路面的排水性能研究[J].南京航空航天大学学报,2017,49(04):568-573.