排水型大粒径沥青混合料成型方法的研究.doc

排水型大粒径沥青混合料成型方法与渗水性能研究摘要：排水型大粒径沥青混合料由于其具有良好的高温稳定性与排水性能，目前在国内的应用已经逐渐得到认可并开始推广，但由于其粗集料比例很大在成型方法与标准上还存在着许多争议，其排水性能的测定也在进一步研究中。通过采用大型马歇尔击实成型与旋转压实成型比较不同成型方法的差异，并通过不同的击实与压实次数来确定合适的成型标准。研究同时还对大粒径沥青混合料进行了渗水试验，比较了不同成型方法对渗水性能的影响。为排水型大粒径沥青混合料的应用做出了有益的探索。关键词：大粒径沥青混合料 大马歇尔 旋转压实 渗水性能Research on porous large stone asphalt mixture compactor method and permeability performanceMa Shi-jie Zhang YanShandong Transportation Research Institute (Jinan 250031) Abstract：Porous large stone asphalt mixture has favorable high temperature performance and permeability performance , now , it has been applied in highway. But because it has much coarse aggregate, it has many debate on compactor method and standard , also the permeability is researching. Comparing on large Marshall and gyratory compactor method , selected difference compactor times, ensure appropriate compactor standard. Also, permeability performance has been researched , comparing the effect of two compactor method.Keywords: Large stone asphalt mixture Large Marshall Gyratory compactor Permeability performance排水型大粒径沥青混合料作为柔性基层的一种形式，在国外已经得到了普遍应用，其具有优越的高温稳定性、抗反射裂缝能力与排水性能。近几年随着我国高等级公路出现的许多早期损害，排水型大粒径沥青混合料逐渐引起了道路工作者的注意，对其开展了大量研究并铺筑了试验路与实体工程，通过试验路的观察取得了良好的效果。由于其最大粒径与空隙率较大，在进行混合料设计时并没有成熟的成型方法，而且目前也没有成熟的方法来评价其渗透性能。研究通过采用大型马歇尔法与旋转压实仪法对混合料进行成型，并对两种方法进行比较，同时对排水型大粒径沥青混合料渗透性能进行研究。1、混合料级配选择在级配组成上，大粒径沥青混合料与传统的沥青混合料级配设计理念截然不同。开级配大粒径沥青混合料(LSM)与密级配在粗集料与细集料的比例有着较大的差异。美国在NCHRP中对大粒径沥青混合料进行了大量的研究，并提供了完整的设计方法和标准，编制了设计程序，最终研究成果为NCHRP Report 3861。大碎石混合料级配组成通常采用特殊的体积法级配设计，NCHRP386采用体积填充的方法通过线性规划求解混合料的级配组成。研究还表明开级配大粒径沥青混合料不仅具有良好的排水性能，其抵抗车辙的能力也是非常好的。另外，山东省交通科学研究所“沥青混凝土路面抗滑磨耗层的研究2”课题引进了“贝雷法”设计的概念，并提出了“多级嵌挤密级配沥青混合料级配设计方法”。通过对“多级嵌挤密级配沥青混合料级配设计方法”进一步深入的研究，对其数学模型和嵌挤状态选择以及级配参数的取值等方面进一步拓展研究，进一步拓展了该方法的适用范围，应用这种方法，可以根据原材料的体积性质设计出“多级嵌挤密级配沥青混合料”、沥青玛蹄指碎石混合料SMA、以及开级配沥青磨耗层OGFC和大碎石沥青混合料的级配组成。将该级配设计方法与大碎石沥青混合料设计方法结合起来，将其级配设计方法作为混合料设计过程的一部分，使设计出的沥青混合料粗集料形成良好的粗集料嵌挤结构，沥青混合料的高温稳定性进一步提高。贝雷法和NCHRP Report 386设计法两种设计结果有一定差异，综合两种设计方法得到的级配，本次研究采用的级配如表1。表1 设计混合料级配各筛孔通过率（%）31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075100 87.4 60.4 46.1 38.5 30.5 14.3 8.1 6.0 5.2 4.0 3.1 1.9 2、成型方法的选择我国多年以来一直采用标准马歇尔试验进行沥青混合料的设计和研究，由于大粒径沥青混合料最大粒径较大（通常26.5mm），根据混合料最大工程粒径与试件尺寸的关系，显然标准马歇尔法不适用于大粒径沥青混合料。根据目前国内外对成型方法的研究基础，可以采用的方法有大型马歇尔法、振动成型法和旋转压实仪体积法设计等。马歇尔方法在我国应用比较普遍，也比较容易接受，但大粒径沥青混合料粗骨料相对更多、骨架结构形成较好，如果采用大型马歇尔法则必定会造成大量石料被击碎，从而影响了试验的准确性，另外也不如旋转压实仪能够更好的模拟现场压实情况，而旋转压实仪国内施工单位根本不具备条件。振动成型法只是在国内少数研究机构和高校中采用，设备都是自己加工没有统一的规定和标准，而且关于振动成型的方法还处于研究阶段。所以，本研究主要考虑了大马歇尔法与旋转压实仪法，通过对两种方法的对比研究，找出适合于我们目前阶段采用的方法。对大马歇尔法研究不同击实次数下试件空隙率的变化情况，同时观察集料的破碎情况；对旋转压实仪法考虑到路面的实际受力情况，以及目前所采用的重型压路机，压实轴向荷载仍采用为600Kpa，研究不同压实次数下的空隙率变化。两种成型方法采用同一级配与沥青含量。研究中对于排水型大粒径沥青混合料的密度测定采用CoreLok法，理论最大相对密度采用计算法，具体数据如表2、3。表2 马歇尔击实次数与空隙率的关系击实次数（次）7597112127毛体积密度（g/cm3）2.0782.1412.1982.195空隙率（）19.917.515.315.4表3 旋转压实仪压实次数与空隙率的关系压实次数（次）205075100160毛体积密度（g/cm3）2.0432.1012.1522.1632.180空隙率（）21.219.017.316.615.6由表2可以看出击实次数小于112次时，随击实次数的增加，空隙率不断减小，密度不断增加。在该过程中，沥青混合料在外界击实功的作用下，集料颗粒之间的距离不断减小，沥青混合料处于压密的过程。击实次数大于112次时，由于沥青混合料已达到最佳的密实状态，再施加外界压实功，相当于给沥青混合料施加了外部挠动，同时，击实功过大，石料部分被压碎，导致空隙率增大，密度减小。同时对集料的破碎状况进行观察发现，当击实次数达到112次时开始有集料破碎，当达到127次时粗集料破碎已经比较严重了。因此，击实次数112次可作为大型马歇尔击实成型的标准击实次数。表3对于旋转压实仪可以看出随压实次数的增加试件的密度一直在增加，但增加的幅度逐渐减小，这说明混合料已经逐渐被压实，根据Superpave采用压实次数的标准采用100次作为设计压实次数是可行的。确定了成型方法的标准以后，对两种成型方法采用不同沥青含量进行成型，进一步比较两种方法的区别。结合上面的级配分别采用2.5%、3.0%、3.5%和4.0%四个沥青含量进行了成型试验，沥青选用MAC-70#改性沥青。对成型试件分别进行空隙率测定，空隙率的测定采用CoreLok法，另外根据现行公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）对于大空隙混合料空隙率测定可采用体积计算法，因此研究中也采用了两种测试方法，两种成型方法得到的空隙率数据见表4。表4 不同成型方法得到的空隙率2.53.03.54.0大马歇尔法计算21.720.619.218.0实测16.916.015.214.4平均19.318.2517.216.2旋转压实法计算20.318.817.816.7实测17.816.815.915.1平均19.0517.816.8515.9从上表中可以看出，大马歇尔法的计算空隙率比旋转压实法大，而实测空隙率却比旋转压实法小。考虑原因是大马歇尔法击实过程中粗集料发生了破碎造成试件的边角不是很好，而体积计算时缺失部分作为体积计算在内从而使得试件计算密度减小空隙率偏大；而在CoreLok实测时缺失部分是不作为体积的。另外，一般情况下对于密级配沥青混合料旋转压实仪得到的空隙率较马歇尔法小，而对于粗集料骨架嵌挤混合料如大粒径沥青混合料、SMA等，旋转压实仪成型时并不像密级配沥青混合料容易压实，由于粗集料所占比例很大有可能击实更容易使混合料密实，当然这还需要进一步研究。从表中分析看出旋转压实法实测空隙率要比大马歇尔法大约1%，而计算法空隙率旋转压实仪法较大马歇尔法小约1.5%。大马歇尔法计算空隙率比实测空隙率大约4%，旋转压实法计算空隙率比实测空隙率大约2%，由此可以看出大马歇尔法成型的混合料存在更大的偏差，当采用不同空隙率测定方法时对混合料设计有着更大的影响。对比两种成型方法试件空隙率采用实测法时，两者差距比较稳定基本在0.7-0.9%，而采用计算法时差值在1.3-1.8%之间，从而也说明计算法测定大空隙混合料时存在较大离散性。综合分析，采用两种成型方法都可以进行混合料设计，但在设计时需要综合考虑现有条件与混合料体积指标的测定方法。3、渗水性能排水型沥青混合料的主要性能是能迅速将渗入路面中的水迅速排出，因此，渗水性能是评价排水性沥青混合料最为关键的指标之一。渗水性能常用渗透系数表示，但目前我国尚没有标准试验方法测定排水型沥青混合料的渗透系数。本次试验采用美国ASTM试验设备无测向渗水仪，测定压实沥青混合料的渗透性，设备及试验方法满足ASTM规范要求。无侧向渗水仪的基本原理是让量筒里的水渗透饱水沥青混合料并记录达到预先设定水头落差位置的时间间隔，然后用达西定理计算沥青混合料的渗水系数。采用上面两种成型方法试件进行渗透性试验，以研究两种成型方法对渗透性能的影响，具体检验结果见表5，表中各试件的空隙率为采用CoreLok密度计算结果。对空隙率与渗水系数的关系进行分析，如图2。表5 不同状况下的渗水系数沥青用量(%)2.53.03.54.0Marshall空隙率(%)16.916.015.214.4NCHRP-SGC空隙率(%)17.816.815.915.1Marshall渗水系数(cm/s)0.3940.2690.2360.118SGC渗水系数(cm/s)0.4580.3670.2480.198图2 空隙率与渗透系数关系通过对表5数据分析可以看出空隙率减小其渗水系数也在逐渐减小，但是其变化并不相同，由图2可以看出空隙率与渗水系数基本成二次曲线关系，其相关性比较好，当然这只是针对此次排水型大粒径混合料研究，空隙率范围在14-18%之间。马歇尔成型试件的渗透性与旋转压实试件的渗透性有很大的区别，相同空隙率情况下旋转压实试件的渗透系数较小，这是因为通过搓揉压实以后的试件粗集料在内部发生了重排，其中的连通空隙较马歇尔击实试件少，因此其渗透系数也偏小。分析可以知道成型方法对混合料的渗透性能有一定的影响，相应于施工现场表明混合料的压实工艺对混合料渗透性能有一定影响，因此在施工时相对应于渗透性能的要求应当制定相应的施工工艺以保证渗水要求。另外，为了更好的体现排水型大粒径沥青混合料的渗水性能，还比较了常规沥青混合料的渗透系数包括AC-25、AC-20、AK-13与OGFC，我们知道密级配混合料在设计空隙率几乎是不透水的，为了进行对比，将三种密级配混合料空隙率设定加大，各混合料均采用旋转压实仪成型，具体空隙率与渗透数据见表6。表6 不同级配渗透系数比较混合料类型大粒径OGFCAC-25AC-20AK-13空隙率（%）15.52210.28.459.5渗透系数(cm/s)0.2300.0798.6*10-53.7*10-53.3*10-5从表中可以看出各种混合料的渗透系数差别非常大，此时不再适用于上面所提到的空隙率与渗透系数的关系。对于OGFC混合料虽然空隙率较大，但渗透系数较LSM小，考虑原因是由于混合料最大公称尺寸较小而且加入了纤维，采用旋转压实成型经过搓揉后混合料的连通空隙较小。另外，对密级配混合料可以看出即使空隙率较大，达到10%，其渗透系数仍然很小，其数量级均为10-5，这也说明另外一个问题，即混合料的渗透性能不仅仅是与空隙率有关，更重要的是与混合料中的连通空隙以及最大公称尺寸有关。4、结论通过对排水型大粒径沥青混合料成型方法以及渗水性能的比较研究，可以得到以下初步结论：(1) 排水型大粒径沥青混合料可