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冷拌沥青混合料透水铺装材料路用性能研究

发布时间:2018-05-16

透水路面的空隙通透性能够使雨水渗入地下土壤,减少因城市发展带来的雨水径流,缓解热岛效应,并具有良好的排水降噪抗滑性能,可有效提高雨天行车安全和舒适度。大孔隙开级配沥青混合料面层在我国已处于推广应用阶段,相比于多孔贫水泥混凝土和透水砖,OGFC具有颗粒均匀、平整性好、行走舒适度高等优点,但缺点是造价高、施工工艺要求高。

 

传统OGFC大多采用热拌大孔隙开级配沥青混合料,工艺复杂、劳动条件差、材料易老化,100℃以上的高温施工条件对环境和施工人员的健康都不利。由于大空隙率的混合料连通空隙多,可以使乳化沥青较快速破乳形成强度,本文提出采用冷拌大孔隙开级配沥青混合料作为透水铺装材料,其常温施工条件在市政道路建设中凸显出不可比拟的优势。本文对设计空隙率为18%~26%的冷拌大孔隙开级配沥青混合料进行透水性能试验、马歇尔试验、车辙试验、浸水马歇尔试验等室内试验,评价其路用性能。

 

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一、原材料

乳化沥青

冷拌大孔隙开级配沥青混合料属于骨架-空隙结构,其强度不仅取决于集料本身,也取决于乳化沥青的胶结能力。普通乳化沥青黏度和固含量不高,拌和过程往往流淌严重,集料裹附的沥青膜厚度较薄。本研究采用高黏度高固含量的慢裂慢凝乳化SBS改性沥青,破乳后能形成足够厚度的沥青膜,保证了混合料的强度和耐久性。另外一方面,高固含量使得乳化沥青的用量降低,自由水含量降低使得破乳速度加快,更快形成强度,更早开放使用。参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对乳化沥青进行性能测试,并对蒸发残留物进行PG分级试验。

集料与填料

本研究粗集料规格组成为13.2mm~9.5mm碎石、9.5mm~4.75mm碎石,细集料为2.36mm~1.18mm石屑,填料为过0.075mm方孔筛的优质石灰岩矿粉。参照《公路工程集料试验规程》进行检验。

 

拌和时加入适量水的目的是防止干燥的集料吸收乳化沥青中的水分,打破乳液中水与乳化剂的“溶解平衡”导致沥青凝聚析出,破乳不正常,影响拌和。本研究拌和用水为洁净可饮用水。

 

二、配合比设计

 

本研究配合比设计方法如下:以张肖宁等人提出的矿料主骨料空隙体积填充法)确定骨架-空隙结构矿料级配;由裹覆试验确定最佳液体用量(包括集料含水量、乳化沥青含水量和外加水用量);按经验确定5个沥青用量,成型马歇尔试件;根据修正马歇尔试验结果分析得到最佳沥青用量、外加水用量。

 

三、路用性能评价

排水性能

在路用性能评价中,多以空隙率和渗透系数表征多孔材料的排水性能。

 

空隙率空隙分为连通空隙、半连通空隙和封闭空隙3种。连通空隙是水可以通过其中的相互贯通的空隙;半连通空隙是一端贯通,另一端封闭的空隙;封闭空隙则是独立完全不贯通的空隙。从透水的角度看,连通空隙、半连通空隙均属于有效空隙,封闭空隙则属于无效空隙。

 

多孔材料的空隙率常用体积法或真空密封法测定,本研究采用体积法。

 

可知,实测空隙率满足规范要求。其中实测空隙率略大于设计空隙率。因为细集料少,乳化沥青略有流淌而不能完全附着于粗集料表面形成沥青膜,导致实测空隙率反而大。设计空隙率增大,有效空隙率ne与实测空隙率n0的比值也随之增大,因为设计空隙率越大,混合料中的细集料和填料越少,连通空隙较容易形成。因此,空隙越大,有效空隙所占比例越高。

 

渗透系数成型马歇尔试件,参考长沙理工大学黎霞等人的大空隙沥青混合料透水试验方法,测定渗透系数。成型马歇尔试件后不脱模并浸水,用支架将试模连同饱水的试件支放于容器中使试模底部悬空,用量筒量取100mL水不间断倒入试件表面的同时启动秒表,待试件表面的水全部进入试件内部,停止秒表记录渗透时间t6。

 

可知,冷拌透水沥青混合料渗透系数随着设计空隙率的增大而增大,其中设计空隙率26%的试件渗透系数为设计空隙率18%的1.7倍。3种设计空隙率的冷拌透水沥青混合料渗透系数均远大于规范技术指标要求。

 

 

力学性能

 

不同于热拌沥青混合料可以快速形成强度,冷拌沥青混合料中的乳化沥青需要经过破乳、排水、蒸发等过程才能恢复其黏度。这些过程受到养生条件影响,故有必要探究其早期强度和后期强度的关系,以便确定开放交通的时间。依据交通部阳离子乳化沥青课题协作组提出的修正马歇尔试验方法,以室温养生24h的试件在25℃时的强度表征早期强度,烘箱110℃养生24h的试件在60℃的强度表征后期强度。

 

可知,冷拌透水沥青混合料早期和后期强度均随着设计空隙率的增大而减小,因为设计空隙率越小,混合料中细集料越多,接触点数量越多,接触面积越大,稳定度越高。后期强度平均是早期强度的1.2倍,说明强度受养生龄期影响不大,可以以早期强度形成时间作为开放交通时间。

 

 

高温稳定性

 

3种设计空隙率的冷拌透水沥青混合料进行高温车辙试验,研究空隙率对其高温性能的影响规律。

 

可知,冷拌透水沥青混合料动稳定度较低,变形量较大,设计空隙率20%左右的冷拌透水沥青混合料勉强满足一般交通量路面动稳定度技术要求。动稳定度随着设计空隙率的增大而减小,当空隙率较大时,混合料的抗车辙能力较弱。其原因在于,粗骨料含量已多于骨架-空隙所必要的颗粒含量,粗骨料相互推挤、嵌挤作用较差。故本研究的冷拌透水沥青混合料用于车行道时,其设计空隙率宜为20%左右。

 

 

水稳定性

3种设计空隙率的冷拌透水沥青混合料进行浸水马歇尔试验。可知,冷拌透水沥青混合料残留稳定度随着设计空隙率的增大而减小,空隙率越大,水稳定性能越差。其中设计空隙率为26%的试件残留稳定度刚好满足规范技术要求,故只考虑水稳定性,冷拌透水沥青混合料的设计空隙率应小于26%。

 

四、结语

本文采用高黏度高固含量的慢裂慢凝乳化SBS改性沥青,以矿料主骨料空隙体积填充法、裹覆试验、修正马歇尔试验设计冷拌大孔隙开级配沥青混合料,并对设计空隙率为18%~26%的混合料进行透水性能试验、马歇尔试验、车辙试验、浸水马歇尔试验,结果表明冷拌大孔隙开级配沥青混合料排水性能、力学性能、水稳定性良好,高温稳定性略低,空隙率20%左右的混合料满足低等级道路面层技术要求。其生产、施工过程均在常温下进行,可作为“海绵城市”建设中的一种节能环保型透水铺装材料。


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