大粒径透水沥青路面配合比设计与性能评价

戴 勇，周 炳，赵凌鸥，杨 捷，喻 业

（湖南省通泰工程有限公司，湖南 长沙 410004）

近些年来，随着沥青路面在城市交通建设中的普及，城市道路的力学性能和行车舒适性功能已经基本满足，但是一些新的功能性问题被城市建设者提出并引起工程界的重视[1]。城市地表逐步被四通八达的道路交通网络覆盖，而现有沥青道路面层的空隙率大都在4%～6%，并不具备排水的功能。由于雨水造成的城市地表径流，无法直接补充地下水，周边疏排水结构又难以短时间排出，从而频繁引发大面积的内涝现象，并造成地下水位不断降低，呈“漏斗状”分布[2]。

为此，一种透水沥青路面的新结构，作为“海绵城市”的实现途径之一，被国内外学者提出并开展了大量研究[3-4]。与传统的密实型结构形式不同，其主要目的是在满足基本功能的前提下实现较大的连通空隙，其设计空隙率高达18%～25%。目前尚缺乏统一的设计规范和标准来指导透水沥青路面的配合比和性能评价。文章在现有研究成果的基础上，以最大公称粒径（NMPS）为26.5mm 的大粒径透水沥青混合料（LSPM-25）为研究对象，开展配合比设计和基本性能试验，为指导设计和工程应用提供参考。

1 原材料和基本性能

1.1 沥青

由于LSPM-25 的空隙率较大、粗集料较多，需要性能优良的沥青黏结剂，因此本试验选取了TPS 高黏度改性沥青，其技术性能如表1 所示。经试验，材料的各项性能均符合规范要求。

表1 试验用TPS 沥青的性能

1.2 集料

LSPM-25 混合料的力学性能主要由组成骨架的集料来决定，为此，参照集料及施工技术官方的要求，应选用棱角性和自身强度较佳的材料。本试验中的集料为玄武岩，主要分为4 档，分别为20 ～30mm、10 ～20mm、5 ～10mm 和0 ～5mm，对应的材料性能如表2 所示。

表2 LSPM-25 中的集料性能

1.3 矿粉

掺入一定量的矿粉，与沥青形成沥青胶浆，从而填充和粘结集料骨架，使得沥青混合料成为一个整体[5]。本试验采用石灰石矿粉，各项指标如表3 所示。

表3 LSPM-25 中的矿粉性能

2 配合比设计及参数分析

2.1 透水沥青路面的评价指标

（1）保证较大空隙率和连通空隙。大的空隙率是LSPM 混合料设计的特征和要求所在，也是为了满足减噪、排水要求的体积参数保证。在我国的相关技术和施工规范中，就有条款明确要求LSPM 沥青路面的空隙应大于18%，以确保去除较小尘土堵塞导致的排水不良现象。（2）形成可靠的骨架强度和水稳定性。由于具有较大的空隙率，LSPM 混合料对骨架强度有更高的要求，集料的自身强度和各集料之间的互锁作用都是需要考虑的。同时，由于细集料较少，连通空隙较多，动水在空隙内不断冲刷沥青胶浆，这对黏结剂材料的性能是一大考验。如果上述问题处理不当，LSPM 混合料内部在水的作用下极易引发骨料松动，并造成剥落和坑槽等病害的出现。（3）具有良好的路用性能。结合我国当下的交通状况，必须充分考虑重载、超载交通的作用，设计具有一定强度和耐久性的沥青路面，满足具有15 年使用寿命的路用性能要求。

2.2 基于贝雷法的配合比设计

从贝雷法的第一控制筛孔出发，其计算公式为0.22倍的NMPS，不同于传统的以4.75 或2.36 的固定界限，将粗、细集料重新划界。因此，采用贝雷法中对关键粒径的确定方法，计算得到粗细集料的分界尺寸为0.22×26.5mm=5.83（4.75）mm，可以确定本试验采用的粗集料为3 档，细集料为1 档。

参考山东省成功应用的级配设计要求，确定本试验的LSPM-25 混合料最佳设计级配。其中，假定粗集料骨架的空隙不大于45%，从而确定3 档粗集料的比例为40（0.633）∶35（0.554）∶25（0.365），预设LSPM-25 混合料的空隙率为25%，计算得到细集料的单位体积质量为0.312g，从而得到单位体积的总质量为1.894g，合成的质量百分比分别为35.0%、29.3%、19.3%、16.4%，最终确定的合成级配如图1 所示。

图1 LSPM-25 合成级配

2.3 最佳沥青用量

对于LSPM-25 混合料而言，其空隙率对强度和水稳定性影响较大，在进行沥青用量试验时，应注意在其结构中的自由沥青不宜太多，形成满足结构所需厚度的沥青膜即可。因此，文章采用大型马歇尔击实试验和析漏试验对最佳沥青用量进行分析和确定。如表4 所示，拌合温度为160℃，击实试件采用真空密封法获得体积参数，并由此计算有效沥青膜厚度，同时测定析漏损失。

表4 最佳沥青用量试验结果

通过上述试验绘制曲线图，并采用线性内插确定不同沥青含量的体积数值变化，一般有效的沥青膜厚度应在12 ～16m 规定范围内，而对于LSPM 混合料要求析漏损失小于0.2%。综合各试验结果，从而初步确定，LSPM-25 混合料的沥青用量为3.5%，其各项数值均在合理范围内。

3 试验结果和分析

3.1 水稳定性试验

通过试验规程的要求，需要进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，获得的LSPM-25 混合料的水稳定性评价。其中，浸水试验分为3 组，按照试验流程，分别测定浸水残留稳定度MS0 和真空饱和残留稳定度MS0’；而对于冻融试验，主要测定的是冻融（-18 ℃/16h，60℃/24h）前后的抗拉强度之比TSR。上述试验分批次测定，所得结果如表5 所示。

表5 水稳定性试验结果

从表5 的水稳试验结果可知，浸水和冻融结果均说明在3.5%的沥青用量条件下，其抗水损害的能力最强，而其他两组用量效果明显较差；其中，浸水的残余稳定度在84.8% ～95.9%，而真空饱和的MS0’在80.4%～84.7%，与冻融前后的抗拉强度之比相比较损失较小。这也说明选取3.5%的沥青含量对于LSPM 混合料的抗水损害性能而言是较合理的。

3.2 渗水性能试验

参照规范要求，通过室内试验对碾压成型的LSPM-25 混合料试样进行渗水性能试验，在路面渗水仪中放置试样，观察量筒的水位变化和时间，从而计算得到渗水系数。对于沥青含量在3.5%的试件，其渗水系数平均值为137ml/min，不大于300ml/min，满足规范要求，因此表明本试验的LSPM 混合料满足排水和抗渗水的功能。

3.3 高温稳定性试验

采用8cm 厚的碾压车辙板进行LSPM-25 混合料的高温车辙试验，试验所采用的温度为60℃，对比分析3种沥青用量条件下的试验结果。通过试验测定其抗车辙能力的动稳定度分别为4497 次/mm(3.0%)，3870 次/mm(3.5%)，2918 次/mm(4.0%)，可以看出其抗车辙和高温的性能相对普通沥青混合料（＞6000 次/mm）而言要差，且沥青用量增多，其抗车辙能力减弱。

4 结束语

为了缓解城市内涝、地下水不足等问题，推广应用LSPM 路面是一种有效的途径，但是目前尚缺乏统一的设计方案和评价方法。文章通过贝雷法的相关理论，确定LSPM-25 混合料的关键粒径，并由此进一步进行体积设计，得到满足一般设计要求的合成级配，并采用一系列室内高低温稳定性试验和渗水性能试验，确定LSPM-25 混合料的最佳沥青用量为3.5%，并分析了其相应性能随沥青含量的变化规律，为工程应用提供指导。