大粒径透水性沥青混合料介绍及材料设计.docx

大粒径透水性沥青混合料介绍及材料设计概述大粒径透水性沥青混合料（LARGE STONE POROUS ASPHALT MIXES）是指混合料最大公称粒径大于26.5mm，具有一定空隙率能够将水分自由排出路面结构的沥青混合料，大粒径透水性沥青混合料通常用作路面结构中的基层。这种大粒径透水性沥青混合料的提出是来自美国一些州的经验，美国中西部的一些州对应用了三十多年以上而运营状况相对良好的一些典型路面进行了相关的调查，发现许多成功的路面其基层采用的是较大粒径的单粒径嵌挤型沥青混合料如灌入式沥青基层。因此提出以单粒径形成嵌挤为条件进行混合料的设计，从而形成开级配大粒径透水性沥青混合料(LSPM)。美国NCHRP联合攻关项目对大粒径沥青混合料也进行了相关研究，最终得到了研究报告NCHRP Report 386，但是研究报告主要是针对于大量实体工程的调查而且偏重于密级配大粒径沥青混合料，而且NCHRP Report 386对大粒径透水性沥青混合料材料与结构设计并没有进行系统的研究。我们在国外研究的基础上从2001年开始进行了大量的研究和应用，并对其级配与各项技术指标进行研究，使其更符合我国具体实际情况，根据研究结果与使用状况提出了本设计与施工指南，更好地指导工程实践。大粒径透水性沥青混合料的设计采用了新的理念，从级配设计角度考虑，大粒径透水性沥青混合料(LSPM)应当是一种新型的沥青混合料，通常由较大粒径（25mm-62mm）的单粒径集料形成骨架由一定量的细集料形成填充而组成的骨架型沥青混合料。大粒径透水性沥青混合料(LSPM)设计为半开级配或者开级配。由于大粒径透水性沥青混合料(LSPM)有着良好的排水效果，通常为半开级配（空隙率为13-18%）。它不同于一般的沥青处治碎石（ATPB）基层，也不同于密级配大粒径沥青混合料（ATB）。沥青处治碎石(ATPB) 粗集料形成了骨架嵌挤，其基本上没有细集料填充，因此空隙率很大一般大于18%，具有非常好的透水效果，但由于没有细集料填充空隙率过大其模量较低而且耐久性较差。密级配大粒径沥青混合料（ATB）也具有良好的骨架结构，空隙率一般在3-6%，因此其不具有排水性能。大粒径透水性沥青混合料级配经过严格设计，其形成了单一粒径骨架嵌挤，并且采用少量细集料进行填充，提高混合料模量与耐久性，在满足排水要求的前提下降低混合料的空隙率，其空隙率一般为13-18%，因此其既具有良好的排水性能又具较高模量与耐久性。研究和应用表明大粒径透水性沥青混合料具有以下优点：（1）级配良好的大粒径透水性沥青混合料可以抵抗较大的塑性和剪切变形，承受重载交通的作用，具有较好的抗车辙能力，提高了沥青路面的高温稳定性；特别是对于低速、重车路段，需要的持荷时间较长时，设计良好的LSPM与传统的沥青混凝土相比，显示出十分明显的抗永久变形能力；（2）大粒径透水性沥青混合料有着良好的排水功能，可以兼有路面排水层的功能。（3）由于大粒径透水性沥青混合料有着较大的粒径和较大的空隙，它可以有效地减少反射裂缝。（4）大粒径集料的增多和矿粉用量的减少，减少比表面积，减少了沥青总用量，从而降低工程造价。（5）与通常的半刚性基层相比，提高了工程施工速度，减少了设备投入。（6）在大修改建工程中，可大大缩短封闭交通时间，社会经济效益显著。公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）中规定：新建沥青路面的基层按结构组合设计要求，可以选用柔性基层、半刚性基层、刚性基层与混合式基层。其中混合式基层是指上部使用柔性基层，下部使用半刚性基层的结构。这样就改变了我国高等级公路沥青路面长期以来的结构单一局面，即千篇一律的使用半刚性基层沥青路面。而且，今年交通部印发了关于防治高速公路沥青路面早期破坏的指导意见（交公路发2005523号），文件中提到：柔性基层使许多发达国家常用的路面结构形式，鼓励各地加强柔性基层试验研究，在试验路段铺筑成功的基础上加以推广。柔性基层在国内已经开始研究并铺筑了多条试验路，取得了很好的效果，一般情况下采用柔性基层路面结构厚度应当增大，当采用沥青稳定类作为柔性基层时其造价较高。 材料设计 材料要求对沥青混合料的性能起着决定性作用的几个集料指标包括“认同特性”和“资源特性”。“认同特性”是：粗细集料的棱角性、扁平细长颗粒含量、粘土含量。“资源特性”是指韧度（洛杉矶磨耗）、安定性、有害质含量。所有的矿料必须无塑性，沥青混合料中的粘土颗粒成分可以引起沥青混合料的体积膨胀，在水的作用下引起沥青膜与矿料间的剥离现象。1、大粒径沥青混合料中粗集料起到骨架作用，粗集料的质量和其物理性能严重地影响着混合料的使用性能，因此混合料中粗集料应使用轧制的坚硬岩石。对大粒径沥青混合料其粗集料颗粒性状良好。细长及扁平颗粒含量不应超过15%，集料压碎值应不大于20%，粗集料与沥青应有良好的粘结力，根据目前高速公路水损害出现的频率较高，要求粗集料与沥青的粘结力为5级，小于5级时应当采取抗剥落措施，以保证混合料达到水稳定性指标要求，未列出指标应满足公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）及大粒径透水性沥青混合料应用技术规程（DB 37/T 1161-2009）中对热拌沥青混合料集料的要求。2、细集料包括人工砂、石屑和天然砂。采用反击式或锤式破碎机生产的硬质岩集料经过筛选的小于2.36mm的部分具有较好的角砾性，可以作为人工砂使用，大粒径沥青混合料所用细集料宜使用机制砂。细集料棱角性(间隙率法)必须大于42%，砂当量值不小于65%。3、由于大粒径沥青混合料为透水混合料，为了提高沥青混合料的抗水损害能力，填充料需采用消石灰粉或生石灰粉，石灰粉应干燥、洁净。能自由地从料仓流出，其料技术要求可根据当地情况而定，至少应满足III级要求。 4、为了保证大粒径透水性沥青混合料的耐久性，混合料需要比较厚的沥青膜，但同时必须防止混合料的析漏，因此应当采用粘度较高的沥青胶结料。根据课题研究混合料可以采用MAC-70#改性沥青或SBS改性沥青，青龙高速公路决定同意采用MAC-70#改性沥青，其应满足下表的相关要求。表 1 MAC-70#改性沥青的技术要求 试验项目技术要求试验方法针入度25，100g，5s（0.1mm） 最小3560JTJ052-93软化点，TR&B（） 最小70T0606动力粘度60，（Pa.s）最小300ASTMD4957闪点（） 最小245T0611溶解度（%） 最小99%T0607旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)后残留物T0610旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)后残留物质量损失（%） 最大1.0%T0610针入度比（25） 最小70%T0604注：表中常规指标现场做，其他指标可根据监理而定，动力粘度只有在有条件时才要求测定，用毛细管法测定；老化试验采用旋转薄膜烘箱试验（RTFOT）为准，允许采用薄膜加热试验（TFOT）代替，但必须在报告中注明，且不得作为仲裁结果。级配设计大粒径透水性沥青混合料作为基层要承受车辆荷载，另外还兼有排水功能，因此设计的混合料要形成骨架结构、空隙率要在15%左右。大粒径透水性沥青混合料没有固定级配曲线，其级配与原材料的性能有关，不同的原材料其级配曲线是不一样的。结合山东省的研究成果，推荐的级配范围如下：表 2 大粒径沥青混合料推荐级配筛孔5237.531.526.51913.29.54.752.361.180.60.30.150.075LSPM-2510010010070-9850-8532-6220-456-296-183-152-101-71-61-4LSPM-3010010090-10070-9540-7628-5819-396-296-183-152-101-71-61-4LSPM-3510075-9867-9650-8025-6015-4010-356-256-183-152-101-71-61-4在通常情况下普通石灰岩集料可以采用上表中提供的级配范围，当集料性质发生较大变化时需要对级配进行设计，设计方法可以采用NCHRP Report 386提供的方法或者采用粗骨料骨架嵌挤方法。一般情况下，采用程序进行级配计算，程序计算出的各种集料用量比例不一定完全适合，需要人工进行相应的调整。成型方法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，由于大粒径透水性沥青混合料最大公称粒径较大（通常26.5mm），现行沥青混合料试验规程对于大于26.5mm的粗粒式沥青混合料，可以采用替代法。由于采用小粒径石料代替大粒径石料的方法会改变原有的级配规律，造成试验的系统误差。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，但是到目前为止都尚无完善的设计体系。马歇尔方法在我国应用比较普遍，也比较容易接受，但是由于大沥青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。根据课题研究成型方法要根据现有条件可以采用大马歇尔法与旋转压实仪法。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 大马歇尔与标准马歇尔击实参数表参数标准马歇尔大马歇尔试件直径(mm)101.6152.4试件标准高度(mm)63.51.395.32.5锤重(kg)4.5310.21落锤高度(mm)457457.2击实次数75112对Superpave旋转压实仪法成型，根据交通量的要求，按重交通量要求选取初始压实次数为8次，压实轴向荷载仍采用为600KPa，对重载交通采用100次作为设计压实次数。体积指标测定体积指标主要是指密度的测定与空隙率的计算，密度的测定采用实测法和计算法，实测法为二次封蜡法，首先采用橡皮泥将试件表面大空隙填平，然后称重，将橡皮泥填充的体积作为试件的体积，然后进行封蜡测定水中重，通过计算就可以测定试件的密度；计算法为直接采用游标卡尺测量试件的直径和高度计算试件的体积，然后根据试件的重量可以直接计算试件的密度。两种方法都存在一定的缺陷，计算法比较简单直接，但是由于试件表面侧面都并不是十分规则，而且由于粗集料含量大边角容易破损，直接造成计算体积的不准确，误差较大；实测法相对来讲误差较小，但也存在一定的人为误差，特别是在封橡皮泥时不同的人对表面空隙掌握的尺度不一样，另外测定起来也比较麻烦，所以在测定时最好为同一人。目前国际上对于空隙率较大混合料密度测定比较先进的方法是CoreLok法，Corelok是美国InstroTek测量仪器设备公司生产的一种专门用于测量沥青混合料及其砂石原材料密度的自动真空封装设备，是目前沥青及沥青混合料密度测试最先进的测试仪器，被美国NCAT（美国国家沥青中心）指定为专用密度测试设备，在美国已经得到广泛应用。Corelok密度检测完全满足ASTM D6752及ASTM D6857规范要求。与其他沥青混合料密度测试设备比较，其特点为：对试样形状无要求、多功能、全自动、快速、准确及再现性好等。Corelok能准确测试大空隙率沥青混合料的密度，如OGFC、大粒径透水性沥青混合料、透水性路面沥青混合料等，是传统的测试方法无法匹及的。根据对三种密度测试方法的对比研究可得到一些结论：三种密度中二次封蜡法密度最大，计算法密度最小，CoreLok法居中；CoreLok法密度变化较为平缓，而计算法与二次封蜡法密度变化较大，从另一方面反映了这两种方法误差较大，受人为因素的影响较大，相对而言CoreLok法较为准确；这三种方法的变化较大并没有一定的相关性，当然由于试件较少还不能完全认定。综合分析在设计时采用CoreLok法密度较为合适，但是受仪器的限制目前国内还比较少，因此在施工现场宜采用计算法或二次封蜡法，在设计时应对比CoreLok法找出其关系。密度的测定还包括最大理论密度的测试，最大相对密度可以采用真空实测法和计算法，按照公路沥青路面施工技术规范（JTG F40-2004）规定，对于普通沥青混合料可以采用实测法，对于改性沥青混合料由于比较难以分散应采用计算法。对大碎石混合料一般采用MAC-70#改性沥青粘度较大，因此采用计算法。计算法采用集料有效相对密度，有效相对密度宜直接由矿料的合成毛体积相对密度与合成表观相对密度按式(1)计算确定，其中沥青吸收系数C值根据材料的吸水率由式(2)求得，材料的合成吸水率按式(3)计算。 (1) (2) (3)最佳沥青含量确定纵观国内外对排水性大孔隙沥青混合料最佳沥青用量确定的方法，主要都是经验方法。根据课题研究，最佳沥青含量的确定应采用沥青膜厚度、设计空隙率并综合析漏与飞散试验方法确定。由于大粒径沥青混合料具有排水功能，其空隙中有自由水的存在，为了满足水稳定性的要求使得混合料具有好的耐久性，那么混合料应当具有足够的沥青膜厚度。沥青膜厚度可以通过沥青含量与集料表面积来计算，沥青含量应当采用有效沥青含量，考虑到有效沥青含量的计算比较麻烦，当集料吸水率较小时可以采用沥青含量。集料表面积的计算可根据美国AI给出的经验公式估算，公式如下： （4）式中：Pi分别为I级筛孔的通过率(%)。综合密