透水性沥青混合料配合比设计和路用性能研究

透水性沥青混合料配合比设计和路用性能研究

孙红亮1，赵曜1，朱宇杰2，赵尘1*

(1.南京林业大学 土木工程学院，南京 210037；2.江苏东南交通工程试验检测有限公司，南京210096)

摘要：为设计出符合南京地区降雨特征的透水性沥青混合料，对开级配沥青混合料配合比设计方法进行了改进。按照南京地区降雨特征采用体积法进行透水性沥青混合料配合比设计，同时通过室内试验对透水性沥青混合料的路用性能进行了验证。试验结果表明：设计的透水性沥青混合料(最佳沥青用量6.0%、空隙率22.4%)混合料，其承载能力、高温抗变形能力、低温性能、水稳定性等方面性能良好，符合路用性能要求。因此在南京市使用该透水性沥青混合料作为透水性沥青路面面层材料可以有效避免由于雨水来不及下渗而出现地表径流的现象。

关键词：透水性能；空隙率；透水性沥青混合料；配合比设计

中图分类号：S 773；U 416

文献标识码：A

文章编号：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

基金项目：江苏省研究生培养创新工程项目(CXZZ11_0522，CXLX13_523)；江苏省优势学科建设工程资助项目

作者简介：第一孙红亮，硕士研究生。研究方向：道路工程。

通讯作者：*赵尘，硕士，教授，博导。研究方向：森林作业系统、林区道路工程、工程环境技术。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：孙红亮，赵曜，朱宇杰，等.透水性沥青混合料配合比设计和路用性能研究[J].森林工程，2015，31(2)：130-134.

20世纪70年代，美国费城富兰克林研究所(Franklin Institute)研究员Thelen E.等人提出关于透水性沥青路面(Porous Asphalt Pavement)的构想[1]。设计采用大孔隙沥青混合料，使透水性沥青路面结构在降雨过程中能像土壤一样具有良好的透水性能，同时起到补充地下水的作用。多年以来，随着新材料的发展以及路面设计水平、施工工艺及维护保养技术的提升，透水性沥青路面因其良好的路用性能及生态效益已在欧洲、美国、澳大利亚、日本等国和地区得到广泛应用。但由于各国在地理、气候、交通条件以及使用侧重点等方面的差异，至今仍没有一种透水性沥青混合料(Porous Asphalt Mixture)配合比设计方法得到普遍认可。目前，用于透水性沥青混合料配合比设计的方法主要有表面常数Kc法、美国联邦公路管理局(FHWA)法、比利时公路研究中心(BRRC)建议方法以及日本《透水路面指南》法等几种[2]。我国现行行业标准《CJJ/T 190-2012透水沥青路面技术规程》[3]中对透水路面沥青混合料配合比以及《JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范》[4]中对开级配磨耗层OGFC混合料配合比的的设计方法、技术指标和相关要求以参照日本的标准和规范为主。为此，本文在确定基于有效控制路面地表径流的透水性沥青混合料目标空隙率的基础上，使用高粘度改性沥青，采用PAC-16级配，并通过一系列试验对透水性沥青混合料的路用性能进行全面评价，着重分析混合料的高温稳定性、低温稳定性等力学指标，用以指导透水性沥青混合料配合比设计和透水性沥青路面结构设计。

1透水性沥青混合料设计

透水性沥青混合料是一种人工合成的多孔介质，其内部空隙包括闭空隙、半开空隙和连通空隙3种。从渗流力学的观点以及透水性沥青路面的透水功能考虑，只有连通空隙才允许流体通过，因此确保透水性沥青混合料内部形成一定数量且形态良好的连通空隙结构是透水性沥青混合料配合比设计的关键所在。研究采用体积设计法，将满足使用地降雨特征的目标空隙率作为设计基准。集料配合比设计的基本思路为：按照南京市2000年~2010年的降雨特征拟定设计降雨量，确定沥青混合料的目标空隙率；采用体积法进行集料配合比设计；按经验公式计算初试沥青用量；用振动压实法成型试件，测定试件空隙率是否符合设计要求，并以此作为调整集料级配的依据；确定集料级配后，分别通过混合料谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验确定最佳沥青用量的上、下限；最后通过室内试验对混合料路用性能进行验证。

1.1　沥青与集料

研究采用江苏保利沥青股份有限公司生产的一种成品高粘度改性沥青(PG82-22)，其韧性、黏韧性、软化点和60℃动力粘度高，分别达到40、22N·m、90℃和123 600Pa·s，符合我国现行行业标准《CJJ/T 190-2012透水沥青路面技术规程》的要求。粗集料采用玄武岩碎石，最大粒径13.2mm，压碎值15%，其与沥青的黏附性5级；细集料采用玄武岩机制砂，坚固性6%；矿粉采用石灰岩矿粉。集料的各项技术性能指标测试结果均符合行业标准[3-4]的要求。

1.2　基于有效控制路表径流的目标空隙率

混合料内部连通空隙空间体积的大小直接决定了降雨过程中雨水的实际下渗量与最大可能蓄存量。研究根据南京市暴雨强度公式(1)[5]，按设计降雨重现期5a、设计降雨历时120 min计算得到设计降雨强度0.630 6mm/min。

(1)

式中：P为设计降雨重现期，a；t为设计降雨历时，min；i为设计降雨强度，mm/min。

透水性沥青混合料试件的实际渗透量通过常水头试验测得：

q-KsAsγ。

(2)

式中：q为单位时间内雨水透过混合料试件截面的流量，cm3/s；Ks为试件的实际渗透系数，cm/s；As为试件的实际横截面积，cm2；γ为试件上下面的水头差，cm。

对于降雨历时t内，长度L、宽度B的透水性沥青路面而言，其实际渗透量为：

(3)

式中：Q为路面实际渗透量，m3；t为降雨历时，min；J为透水性沥青路面合成坡度；F=BL为透水性沥青路面面积，m2；其余变量含义同前。

为使透水性沥青路表在降雨过程中始终无地表径流产生，即要求透水性沥青路面在满足一定强度要求的前提下获得最大的透水能力：

Q≥60qdt。

(4)

即：

6×10-5KsJFt≥60qdt。

(5)

式中：qd为设计降雨强度，m3/s；其余变量含义同前。

将透水性沥青混合料用振动压实法成型为不同空隙率的试件，采用渗透试验测得空隙率、有效空隙率与渗透系数，通过相关性分析可得三者之间的线性关系式：

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%，为试件的空隙率，%；ρa为试件毛体积相对密度，g/cm3；ρb为试件的理论最大相对密度，g/cm3；n=100%×(Va-Vb)/Va，为试件的有效空隙率，%；Vb=(m1-m2)/ρw为试件中所有连通空隙空间的体积，cm3；ρw为常温下水的密度，g/cm3；m1、m2分别为试件在空气中和水中重量，g；Va为试件与所有空隙的体积，cm3；其余变量含义同前。

将公式(6)代入公式(5)，整理后，得到用于计算透水性沥青混合料目标空隙率表达式：

(8)

值得注意的是，当已知设计降雨重现期和设计降雨历时，采用公式(1)计算的设计降雨强度i单位为mm/min，而qd单位为m3/s，因此需要进行换算，换算方法为：

q[m2(s·km2)]=16.67i(mm/min)。

(9)

将各参数代入公式(8)：

由此，根据江苏省南京市降雨特点，可计算得到基于有效控制路表径流的透水性沥青混合料的目标空隙率应不小于18.08%。同时，国外研究表明透水性沥青混合料空隙率范围在18%~25%较为合适[6-7]。此外，实践证明透水性沥青路面在使用过程中受到行车荷载二次压密作用和灰尘堵塞会使路面透水能力有所降低，因而在确定混合料目标空隙率时应予适当考虑。因此本文初步确定透水性沥青混合料的目标空隙率范围为22%~25%。

1.3　集料级配设计

研究基于《CJJ/T 190-2012透水沥青路面技术规程》中给出的透水性沥青混合料集料PAC-16级配范围，以2.36mm筛孔通过率作为特征变化点，设计5组级配。具体级配方案见表1。

1.4　确定最佳沥青用量

透水性沥青混合料属于“矿料骨架-空隙”结构，其力学强度主要来源于集料之间的嵌挤作用，因此传统确定沥青混合料最佳沥青用量的方法(如马歇尔法)不再适用。根据国外研究成果和实践经验[8-11]，本文在确定透水性沥青混合料的最佳沥青用量时，首先利用经验公式，根据集料的总比表面积和沥青膜厚度确定初试沥青用量，然后根据析漏试验和飞散试验确定最佳沥青用量范围，再参照体积指标要求，最终确定混合料的最佳沥青用量。

1.4.1计算初试沥青用量

根据我国现行行业标准《JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范》中开级配磨耗层配合比设计方法，初试沥青用量采用如下公式计算：

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为集料的总比表面积，其中a、b、c、d、e、f、g分别代表4.75、2.36、1.18、0.6、0.3、0.15、0.075mm筛孔的通过率，%；Pb为初试沥青用量，%；h为沥青膜厚度，μm，透水性沥青混合料一般取14μm。

根据上述两式估算的初试沥青用量见表1。由表中可见，对不同级配，采用经验公式估算的沥青用量差异不大，最大沥青用量为4.9%，最小为3.8%。

1.4.2确定最优级配

根据国外施工经验[12-13]，采用经验公式计算得到的初试沥青用量普遍偏小，因此以适宜沥青用量6.0%对初选的5组级配采用振动压实法成型试件后，测定各试件的体积指标，结果见表2。同时，根据确定的混合料目标空隙率范围22%~25%，结合南京市夏季炎热冬季寒冷潮湿的气候特点，选定空隙率为22.4%的级配C为最优级配。

表1　初试级配方案　% Tab.1 Gradations of the experiment

表2　各级配体积指标测定结果 Tab.2 Results of volume performance at each particle grading

1.4.3确定最佳沥青用量

对选定的最优级配C，以沥青用量6.0%为中值，以±0.5%为间隔成型5组试件，每组3个进行谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验，结果如图1所示。

图1　透水性沥青混合料最佳沥青用量确定 Fig.1 Determination of the optimum asphalt content of porous asphalt mixture

由图1可知，透水性沥青混合料满足目标空隙率范围22%~25%，最佳沥青用量范围为5.9%~6.1%，析漏损失仅为0.13%，飞散损失为11.5%，满足规范要求。综合考虑后，确定最佳沥青用量为6.0%。

2路用性能试验及分析

透水性沥青混合料作为透水性沥青路面的面层材料，必须在满足良好的路用性能的基础上，具有很好的透水能力。因此，研究满足目标空隙率范围的透水性沥青混合料能否满足强度、高低温性能、水稳定性和渗透性能等要求，成为检验配合比设计成功与否的关键因素。本研究按规程《JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程》和《CJJ/T 190-2012透水沥青路面技术规程》规定，分别采用60℃高温车辙试验、低温弯曲试验、单轴压缩试验及渗水试验，验证透水性沥青混合料在最佳沥青用量下的高温稳定性、低温性能、强度性能和渗透能力，重点通过浸水飞散试验、浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验验证了混合料的水稳定性。试验结果见表3~表9。

表3　透水性沥青混合料车辙试验结果 Tab.3 Results of wheel rutting test for porous asphalt mixture

表4　透水性沥青混合料低温弯曲试验结果 Tab.4 Results of low-temperature bending test for porous asphalt mixture

a《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)

表5　20℃透水性沥青混合料单轴压缩试验结果　MPa Tab.5 Results of uniaxial compression test for porous asphalt mixture at 20℃

表6　透水性沥青混合料的渗透系数试验结果 Tab.6 Results of permeability coefficient test for porous asphalt mixture

表7　透水性沥青混合料浸水飞散试验结果　% Tab.7 Results of immersion scattering loss test for porous asphalt mixture

a《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)

表8　透水性沥青混合料浸水马歇尔试验结果 Tab.8 Results of immersion Marshall Test for porous asphalt mixture

a《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)

表9　透水性沥青混合料冻融劈裂试验结果 Tab.9 Results of freeze-thaw split test for porous asphalt mixture

a《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)

从表3~表9可以看出，设计级配C采用最佳沥青用量6.0%时，透水性沥青混合料的动稳定度高，高温稳定性好，低温弯曲抗拉强度符合技术要求，通过浸水马歇尔试验结果可以看出透水性沥青混合料的水稳定性满足使用地气候特点，除此之外，其他各项指标测定结果也均符合我国现行技术标准《JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范》和《CJJ/T 190-2012透水沥青路面技术规程》的要求。由此认为，本文设计的透水性沥青混合料在满足目标空隙率的同时，也达到一定强度，具有较好的使用性能。

4结束语

(1)根据江苏省南京市降雨特点及路面使用过程中的作用影响，计算得到基于有效控制路面地表径流的透水性沥青混合料的目标空隙率范围在22%~25%为宜。

(2)通过五组集料类型确定最佳空隙率的级配C，并根据谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验得到混合料最佳沥青用量为6.0%。且最佳沥青用量下的级配C混合料孔隙率为22.4%，满足目标空隙率要求。

(3)通过对沥青用量6.0%、空隙率22.4%的透水性沥青混合料进行路用性能试验可知，混合料的承载能力、高温抗变形能力、低温性能、水稳定性等方面性能良好，满足基本路用性能要求。

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[责任编辑：李洋]