? 基于CAVF法的排水沥青混合料组成设计肖 鑫1,2, 张肖宁3 (1.深圳市海川实业股份有限公司，广东 深圳 518040；2.长沙理工大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410004；3.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640) 摘要：为更好地协调排水沥青混合料的耐久性与排水性之间的矛盾，把粗骨料空隙填充法(CAVF)设计方法引入到排水沥青混合料的组成设计当中，用毛体积相对密度作为衡量压实效果的指标，以压实试件达到最大毛体积相对密度时的温度作为最佳压实温度，在此温度下成型排水沥青混合料试件，并对其水稳定性、高温稳定性、渗水性与抗滑性能进行检验。试验结果表明：以压实试件达到最大毛体积相对密度时的温度作为最佳压实温度是合理的，设计的排水沥青混合料的水稳定性、高温稳定性、渗水性与抗滑性能均远远超过规范要求，即使在70 ℃的高温条件下也能表现出良好的稳定性，证明了采用CAVF设计方法设计骨架嵌挤结构沥青混合料的优越性。 关键词：道路工程;排水沥青混合料;粗骨料空隙填充法;压实温度;渗水性 0 引言排水沥青路面空隙率较大，路表结构层内部有相互连通的空隙，使路表降水不仅能从路表水平向排走，还能将渗入的雨水直接通过该层横向连通空隙排走，因而具有良好的排水能力，改善雨天路面的抗滑能力，提高行车安全性[1-2]。尽管各国均提出了不同的排水沥青混合料配合比设计方法，但现有的设计方法中还存在一些不足，其中最突出的问题是矿料组成设计没有统一的设计指标。排水沥青混合料粗集料多，细集料少，是典型的开级配骨架空隙结构，其设计空隙率主要依靠粗集料的级配组成实现。目前的级配设计方法主要适用于密级配或骨架密实结构，而排水沥青混合料与普通密级配沥青混合料的结构组成与强度形成原理不同，所用的结合料种类及用量、集料性质与级配等方面也存在差异，因此针对普通沥青混合料的一些材料技术指标可能并不适用于排水沥青混合料。 在排水沥青混合料的配合比设计中，最主要的技术是各档粒径粗集料之间的组成设计，只有当粗、细集料本身都具有合理的组成结构，同时取得合理搭配时，才能形成嵌挤稳定的矿料骨架结构和理想的空隙率，既满足混合料理想性能的要求，同时又满足结构的排水需要[3]，其设计原理与粗骨料空隙填空法(CAVF)的设计理念非常符合。基于此，本文根据排水沥青混合料的结构特点，把粗骨料空隙填充法(CAVF)设计方法引入到排水沥青混合料的组成设计当中，以便更好地协调排水沥青混合料的耐久性与排水性之间的矛盾。 1 粗骨料空隙填空法(CAVF)基本原理粗骨料空隙填空法(CAVF)是张肖宁教授于20世纪90年代提出的，其设计思路是实测主骨架矿料的空隙率，计算其空隙体积，使细集料体积、沥青体积、矿粉体积及沥青混合料最终设计空隙体积之总和等于主骨架空隙体积，从而确定细集料用量与沥青用量，也即细集料和沥青所组成的胶浆是作为填充料以填充主骨架的空隙，因此不会发生胶浆干涉。为了避免集料的干涉，细集料颗粒不能太大，相对连续级配用量较少。按此方法设计的沥青混合料，既保证了骨料的充分嵌挤，又使沥青胶浆充分填充了主骨架间隙，把嵌挤原则和填充原则有机地结合起来，从而全面提高沥青混合料的性能[4-5]。粗细集料的比例按式(1)、(2)控制。  (1)  (2) 式中：qc，qf，qp分别为粗集料、细集料、矿粉的质量百分率；qa为沥青用量百分数；VCADRC为干捣实状态下的粗集料松装间隙率；VV为设计混合料的空隙率；γs为粗料毛体积密度；γf,γp分别为细集料和矿粉的表观密度；γa为沥青的相对密度。 该设计方法先假定qa，qp与VV，再计算分析qc,qf，采用的粗集料骨架嵌挤标准为 VCAmix≤VCADRC，随后为考虑混合料的矿料间隙率VMA及集料吸收沥青对混合料性能的影响，葛折圣[6]对CAVF法进行改进，引用干涉系数α=1.0～1.2来表示对粗骨料骨架的干涉程度，提出了新的粗集料骨架形成标准VCAmix≤αVCAmin。本文按改进的CAVF法进行设计。 2 混合料级配设计2.1 原材料 沥青采用高黏度改性沥青，主要技术指标见表1。集料采用闪长岩，矿粉为普通石灰岩矿粉，各项指标均符合高等级道路石料技术指标要求。 表1 高粘改性沥青的技术指标  试验项目标准值检测结果针入度(25℃,100g,5s)/(0.1mm)≥4050延度(15℃,5cm/min)/cm≥50>100软化点(环与球法)/℃≥8090密度(25℃)/(g·cm-3)—1.03闪点(开口法)/℃≥260320动力黏度(60℃)/(Pa·s)≥2000096000运动黏度(135℃)/(Pa·s)≤43.6黏韧性(25℃)/(N·m)≥2031.12韧性(25℃)/(N·m)≥1522.78旋转薄膜加热试验(RTFOT)残留物(163℃,85min)质量损失/%≤±1.00.2针入度比/%≥6581 2.2 级配设计 考虑到排水性路面厚度的问题，混合料的最大粒径为13.2。已有研究表明：粗骨料的含量对空隙率影响最显著，粗集料含量每增加5%空隙率约增大3%，其次是4.75～9.5 mm粒径的粗集料含量，当4.75 mm筛孔通过率等于或小于15%时，沥青混合料中的集料存在石与石间的接触，这能提高沥青混合料中的连通空隙率[7]。2.36 mm筛孔是影响排水沥青混合料空隙率的关键因素，排水沥青混合料的空隙率和连通空隙率随着2.36 mm筛孔通过率的增加而降低，当设计空隙率为20%～22%时，2.36 mm 的通过率为12%～15.4%，考虑到粉尘的堵塞，尽量取上限值[8-9]。空隙分布的均匀性受粗集料分配比例的影响，当4.75～9.5 mm的集料含量较多并且合适时，形成的空隙尺寸较小但数量较多，细集料可以均匀地填充在这些较小的空隙中，使空隙和集料都能比较均匀地分布，这有利于黏聚力和嵌挤力的形成[9]。据此，本研究选取目标空隙率为22%，设计3组不同的级配，其中2.36 mm通过率分别为11%，13%和15.5%。级配组成如表2所示，初试沥青用量4%。根据参考文献[10]初步拟定集料加热温度为190 ℃，沥青加热温度170 ℃，制作马歇尔试件的拌和温度为175 ℃，干涉系数α=1.1，3组级配的混合料设计结果如表3所示。 表2 矿料级配组成  筛孔孔径/mm13.29.54.752.361.180.60.30.150.075各筛孔通过率/%级配195701511118654级配295701513139754级配39664.517.215.512.910.28.56.85 表3 混合料设计结果  级配类型空隙率/%VCAmix/%VCAmin/%Vbe/%级配121.736.2737.546.7级配220.537.6339.297.14级配319.335.2236.2810.68 从表3可知，级配1的空隙率最接近目标空隙率，因此本文选取级配1进行研究，其中粗细集料含量分别为86%与10%，矿粉含量4%。最佳油石比以析漏试验确定的沥青混合料不致产生流淌的沥青用量作为上限，以飞散试验检验沥青混合料在通车后粒料不致松散、脱落、飞散时的沥青用量为下限，结合马歇尔试验结果确定最佳沥青含量,拟定3.6%，4%，4.4%，4.8%和5.2%共5组油石比进行试验。 试验过程中发现，油石比为3.6%时，集料表面比较干燥，在成型马歇尔试件时，混合料基本能全部装入马歇尔试模中，粘在搅拌锅上的混合料极少。随着油石比的增大，集料表面变得越来越湿润，当油石比超过4.4%时，搅拌完成后锅底可以明显观察到流动状的胶浆，这时成型马歇尔试件也变得很困难，尽管非常仔细还是无法将搅拌锅中的集料全部装入马歇尔试模中，总有一些流动状的胶浆粘在搅拌锅中，这将对试验结果造成一定的影响。试验结果如图1与图2所示。  图1 飞散损失与油石比的关系  图2 析漏损失与油石比的关系 由上述试验结果可知，满足析漏损失的油石比为3.7%～4.8%，满足分散损失的油石比为4%～5.2%，5组油石比下的混合料马歇尔稳定度均满足规范要求。因此根据试验过程中观察到的现象及最终的试验结果，最终确定最佳油石比为4.1%。 2.3 混合料拌和与压实温度确定 拌和与压实温度是控制排水沥青混合料配合比设计结果的重要因素，直接影响排水沥青混合料的路用性能。目前，对于排水沥青混合料所用的高黏改性沥青，其拌和温度尚无较好的确定方法，绝大多数都是依靠经验确定的。客观上来说，沥青应该既能够在合理的拌和温度下提供足够的润滑，易于包裹集料，又能在合适的压实温度下提供足够的胶结作用，容易密实成型，获得最佳的压实效果，在此同时又不会对沥青的性能产生不利影响。基于此，本文通过混合料击实试验，探讨确定排水沥青混合料拌和温度的合理方法，在不同的拌和与压实温度下成型马歇尔试件，用体积法测定马歇尔试件的毛体积相对密度，以压实试件达到最大毛体积相对密度时的温度作为最佳压实温度。 本文研究中取集料的加热温度为190 ℃，沥青加热温度为170 ℃，取170，175，180，185 ℃和190 ℃共5种不同的拌和温度拌和混合料，分别在160，165，170，175 ℃和180 ℃共5种温度下压实成型马歇尔试件，试验中除拌和与压实温度不同，其他所有的变量都保持不变。测定试件的毛体积相对密度与空隙率，试验结果如图3与图4所示。  图3 压实温度与毛体积相对密度的关系 从图3可知，毛体积相对密度并未随着压实温度的增加而单调递增，在其关系图中存在一峰值，在某一温度前，毛体积相对密度随压实温度的增大而增大，在一定温度下，毛体积相对密度达到峰值，然后随着压实温度的增大而减少。高黏改性沥青黏度随温度改变的特征是引起这种现象的原因。随着温度的增大改性沥青的黏度逐渐减少，达到某一特定温度后，变化速率会逐渐降低，最终趋于平缓。 影响沥青混合料压实效果的主要因素是沥青结合料的黏结作用与润滑作用。黏结作用使沥青混合料不会发生松散而易于成型，润滑作用可减少集料颗粒间的摩擦作用而使集料颗粒易于移动。在某一温度前，沥青结合料表现出较好的黏结作用与润滑作用，这时集料之间的摩擦力较小，同时又具有较好的黏结作用，使沥青混合料能达到较高的密实度。但是当温度增加到一定的程度后，沥青黏度随温度增大而减少的幅度很小，润滑作用基本无变化，而另一方面，因为温度过高，沥青胶浆黏度下降过大，流淌损失，最终导致了压实成型时不容易压实，因而密度下降。 综合上述分析表明：采用最大毛体积相对密度对应的压实温度作为最佳压实温度是合理的。图3中最大毛体积相对密度对应的压实温度为170 ℃，对应拌和温度180 ℃，因此确定本文研究的排水沥青混合料的拌和温度为180 ℃，压实温度为170 ℃。下文研究中的沥青混合料都是在此温度下成型的。 3 混合料性能验证进行各种使用性能的检验以判别配合比设计是否合适，不符合要求的还需重新进行配合比设计，直到满足要求为止。本文设计的排水沥青混合料主要应用范围为华南地区，华南地区高温多雨，夏季炎热，冬季温暖，夏季高温天气持续时间长，极端最高气温达42 ℃，路面内部极端高温可达70 ℃，最冷月份为1月，平均气温约10 ℃。因此本文研究对排水沥青混合料的性能评价主要针对水稳定性、高温稳定性、渗水性。 3.1 水稳定性研究 水损害是我国沥青路面主要的早期损坏形式之一，排水性沥青路面的主要功能是排水，通常修建在降雨量较多的地方，其路表雨水不仅通过路表排走，还通过混合料内部的连通空隙从结构内部横向排走。相比于其他路面，排水性沥青路面受环境影响更严重，受水侵蚀的可能性也更大，因此水稳定性是排水沥青混合料设计的一个非常重要的指标。 目前我国规范主要采用浸水马歇尔试验与冻融劈裂试验检验沥青混合料的水稳定性，但实践证明，一般情况下沥青混合料的浸水马歇尔试验残留稳定度都能达到规范标准的要求,为此新版规范又提出了真空饱水马歇尔试验。该方法让试件先经真空饱水后再在60 ℃的恒温水槽中浸水48 h，由于该试验中的试件先浸入冷水且浸的水量较多，故浸入热水后膨胀严重，稳定度损失较大，更能反映沥青混合料抗水侵蚀的稳定性[11]。因此本文进行浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验和冻融劈裂试验检验排水沥青混合料的水稳定性，试验结果如表4所示。 表4 水稳定性试验结果(单位：%)  试验项目试验结果规范要求浸水残留稳定度96.7≥85真空饱水残留稳定度92.2—冻融劈裂抗拉强度比90.9≥80 由表4试验结果可知，3个评价指标均达到了90%以上，说明该设计混合料具有很好的水稳定性，这主要是因为采用了高黏改性沥青。另外，在试验过程中发现，有个别试件浸水48 h后的稳定度反而比浸水0.5 h的试件大；饱水后试件的残留稳定度与冻融劈裂强度下降不明显。究其原因：第一，由于高黏改性沥青的强度高，浸水、饱水与冻融的破坏作用与沥青的高强度比较起来微不足道；第二，排水沥青混合料空隙率大且连通空隙率高，空隙率无法饱水，因此进行真空饱水产生的效果不明显。 3.2 高温稳定性研究 针对华南地区的气温特点，本文除进行规范规定的60 ℃标准车辙试验外，还采用了70 ℃车辙试验进行对比研究，试验车轮每分钟往返行驶42次，轮压0.7 MPa，试件尺寸300 mm×300 mm×50 mm。试验结果如表5所示。 表5 高温稳定性试验结果  试验温度/℃607045min变形量/mm1.2052.86260min变形量/mm规范要求1.2913.023动稳定度/(次·mm-1)规范要求73263913规范要求≥3000— 由表5可知，排水沥青混合料的高温稳定性满足规范要求，动稳定度随温度的增大而明显下降，70 ℃的动稳定度下降为60 ℃动稳定度的53.4%，60 min的变形量是60 ℃时的2.34倍，由此可知高温对沥青路面车辙形成的贡献非常大。华南地区气温高，应把高温稳定性作为一个非常重要的设计指标。尽管温度从60 ℃升高到70 ℃时动稳定度下降量较大，但是沥青混合料在70 ℃下仍然表现出较好的高温稳定性，动稳定度达到3 913次/mm，这与排水沥青混合料具有良好的骨架嵌挤结构，使用的改性沥青黏度高有关。 3.3 渗水性研究 排水沥青混合料的主要功能是排水性，其功能的发挥与排水沥青混合料的渗水性密切相关，通常用渗透系数来衡量沥青混合料的渗水能力。目前国内外测量渗透系数的方法主要有常水头和变水头方法。变水头方法适用于测量渗透性差、流量小的材料，渗透系数通常小于0.01 cm/s；常水头方法适用于测量渗透系数较大的材料，渗透系数通常大于0.1 cm/s[12]。排水沥青混合料是典型的多孔介质，渗透能力较强，因此本研究选取常水头法测定，参照文献[13]的方法，直接使用不脱模的标准马歇尔试件进行渗透系数测试，试验结果如表6所示。 表6 渗水性试验结果  试验项目试验结果规范要求空隙率/%21.622±2连通空隙率/%17.2—渗水系数/(cm·s-1)0.153>0.01 由表6可知，混合料的连通空隙率较高，渗透系数大，说明排水沥青混合料具有较强的渗水能力，能及时排除一定量的路表积水，在多雨地区修建排水性路面可以明显地改善行车条件，提高行车安全性。 3.4 抗滑性研究 以铺砂法测量的构造深度和摆式摩擦仪测量的摆值来评价排水沥青混合料的抗滑性。试验结果如表7所示。 表7 抗滑性试验结果 试验项目试验结果规范要求构造深度/mm2.18≥0.55摩擦系数(BPN)73.63≥46 从表7可知，排水沥青混合料的构造深度与摩擦系数都远远超过规范要求，说明设计的排水沥青混合料具有良好的宏观表面特性，抗滑能力强。 综合上面的分析可知，设计的排水沥青混合料各项性能指标均远远超过规范要求，表现出良好的综合性能，从另外一个角度来说，这也证明了采用CAVF设计方法设计骨架嵌挤结构沥青混合料的优越性。 4 结论为更好地协调排水沥青混合料的耐久性与排水性之间的矛盾，对现有的设计方法与级配进行改进与完善，把粗骨料空隙填充法(CAVF)设计方法引入到排水沥青混合料的组成设计当中，主要得到以下结论： (1)针对目前主要依靠经验确定排水沥青混合料拌和与压实温度的现状，提出以压实试件达到最大毛体积相对密度时的温度作为最佳压实温度，试验表明以此方法确定的压实温度是合理的。 (2)采用CAVF法对排水沥青混合料进行设计，设计的排水沥青混合料的水稳定性、高温稳定性、渗水性与抗滑性能均远远超过规范要求，即使在70 ℃ 的高温条件下也能表现出良好的稳定性，证明了采用CAVF设计方法设计骨架嵌挤结构沥青混合料的优越性。该方法也为排水沥青混合料的设计提供了一种新的思路。 参考文献： [1] 徐皓,倪富健,陈荣生,等. 排水性沥青混合料耐久性[J].交通运输工程学报,2005, 5(2):27-31. 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