竇大峣

(黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 瀝青路面排水基層混合料的技術要求

1.1 空隙率

排水基層一般采用多孔隙的瀝青混合料，混合料的空隙率應滿足排水的需要。根據排水性能要求和現有研究成果，為及時排除路面結構內部的自由水，瀝青穩(wěn)定碎石混合料的空隙率應在15%～25%[1]。

1.2 力學強度

通常認為排水性瀝青混合料的空隙率應高于15%。為保證瀝青混合料的空隙率在循環(huán)荷載等的作用下不低于此值，一般采用20%的初始空隙率，目前傾向于采用20%～25%，甚至30%。排水基層作為路面結構的組成部分，將與其它路面結構層一起，共同承受荷載的作用。因此，在保證排水能力的前提下，需要滿足強度或者回彈模量要求[1-3]。

綜上所述，瀝青穩(wěn)定碎石排水基層混合料的組成設計，應同時滿足空隙率、滲透性和強度三方面的要求。因此，設計時需考慮以下幾點：

(1)適當的集料級配。使排水基層混合料具有足夠的空隙率，以保證其滲水排水能力；

(2)合適的結合料用量。將集料穩(wěn)定地粘結在一起，在交通荷載作用下具有足夠的力學強度，保持必要的承載能力；

(3)攤鋪和碾壓時具有良好的施工和易性。

2 排水基層混合料試驗設計

2.1 設計要素

瀝青路面排水基層的主要功能是迅速有效地排除滲入路面結構內部的自由水。同時，作為路面結構的組成部分，排水基層必須有一定的結構要求[4]。

瀝青穩(wěn)定碎石排水基層一般應用在半剛性基層的上部層位，層間接觸條件通?？紤]為完全連續(xù)。因此，對排水基層的結構要求，主要體現在豎向抗變形能力方面，故采用抗壓回彈模量作為排水基層材料的結構性能指標[3-5]。

一般而言，瀝青穩(wěn)定排水基層材料的滲透性能與結構性能是一對矛盾，材料組成趨向密實，則滲透性能降低而結構性能提高；反之，滲透性能提高而結構性能下降。影響瀝青穩(wěn)定碎石排水基層滲水系數與抗壓回彈模量的主要因素為集料的級配組成和瀝青用量[6，7]。因此需要對瀝青穩(wěn)定排水基層的材料級配進行分析研判，以便同時滿足滲透、結構兩方面的要求。

2.2 集料級配室內試驗設計

集料中細料含量越高，滲透能力就越低，持水能力也就越強，難以把其中的自由水排出。作為排水基層材料，必須具有較小的持水能力。一般情況下，排水基層持水能力很弱，通常等于或接近集料的吸水率[5-8]。為了探討水對不同級配試件的影響，室內試驗采取以下集料級配。在級配范圍內，適配5組不同集料級配作為初選級配，見表1。

表1 瀝青穩(wěn)定排水基層集料級配

3 試驗用原材料

3.1 試驗用瀝青

采用90#改性瀝青，技術指標如表2所示。

3.2 試驗用集料

集料為黑龍江省地產的石灰石，技術指標如表3所示。

表2 90#改性瀝青性能指標

表3 集料技術指標

4 排水基層瀝青混合料試驗

4.1 瀝青用量的確定

如果瀝青穩(wěn)定排水基層材料中的瀝青用量不足，會發(fā)生集料松散脫落和水損害；如果瀝青用量過大，將在施工過程中因瀝青滴落而堵塞孔隙。瀝青用量的確定方法是瀝青混合料的析漏試驗和馬歇爾穩(wěn)定度試驗[7-9]。

析漏試驗方法：按前述選定的瀝青混合料配合比，用室內瀝青混合料拌和機拌和混合料。每次投放一個試件的用量，一組試件分別拌和6份。

常見瀝青用量的析漏試驗結果如表4所示。

表4 瀝青析漏試驗結果

馬歇爾穩(wěn)定度試驗：按瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度試驗方法對上述級配的瀝青穩(wěn)定排水基層混合料進行浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗。試驗時混合料拌和溫度為170 ℃，擊實溫度為155 ℃，擊實次數2×50。試驗結果見表5。

表5 馬歇爾穩(wěn)定度試驗結果

根據《公路瀝青路面設計規(guī)范》對開級配瀝青混合料的技術要求，馬歇爾穩(wěn)定度值不低于3.5 kN。根據表5的試驗結果，選取符合要求的級配A-下限、B-上限、C-上限、D-上限、E-上限，進行肯塔堡飛散試驗、滲水試驗、劈裂試驗、單軸壓縮試驗、小梁彎曲試驗和凍融循環(huán)試驗。

4.2 瀝青混合料肯塔堡飛散試驗

按照瀝青混合料肯塔堡飛散試驗方法，檢驗瀝青的最小用量和瀝青混合料的黏結性，即在交通荷載作用下，路面表面集料因脫落而散失的程度。試驗結果見表6。

表6 肯塔堡飛散試驗結果

《公路瀝青路面設計規(guī)范》要求開級配瀝青混合料肯塔堡飛散試驗的飛散損失不大于20%，選用的5種級配的飛散損失均小于20%，符合要求。

4.3 瀝青混合料滲水試驗

按照瀝青混合料滲水試驗方法測定瀝青混合料的滲水系數。試驗結果見表7。

表7 滲水試驗結果

《公路瀝青路面設計規(guī)范》要求開級配瀝青混合料的滲水系數大于0.01 cm/s。所選5種級配混合料的滲水系數均大于0.01 cm/s，符合規(guī)范要求。

4.4 瀝青混合料凍融劈裂試驗

依據《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行試驗，測定瀝青混合料試件在凍融前后的劈裂強度，以評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性。試驗結果見表8、圖1。

表8 劈裂試驗結果

圖1 瀝青混合料的凍融強度比

規(guī)范要求開級配瀝青混合料凍融劈裂強度比大于等于70%，以上5個級配的試驗結果均滿足要求。

4.5 瀝青混合料單軸壓縮試驗

按照瀝青混合料單軸壓縮試驗(圓柱體法)進行試驗。試驗結果見表9。

4.6 瀝青混合料小梁彎曲試驗

試件尺寸為300 mm×30 mm×35 mm，試驗在UTM試驗機上進行。試件跨徑200 mm，中點加載，加載速率為50 mm/min，控制溫度為-10±0.5 ℃。

表9 單軸壓縮試驗結果

利用與最大荷載對應的跨中撓度，可以計算出瀝青混合料小梁的抗彎拉強度和最大彎拉應變。計算公式如下

(1)

(2)

式中：RB為瀝青混合料小梁的抗彎拉強度，MPa；L為瀝青混合料小梁的跨徑，mm；PB為瀝青混合料小梁破壞時的最大荷載，N；b為瀝青混合料小梁跨中斷面的寬度，mm；h為瀝青混合料小梁跨中斷面的高度，mm；εB為瀝青混合料小梁破壞時的最大彎拉應變，με；d為瀝青混合料小梁破壞時的跨中撓度，mm。

試驗計算結果見圖2、圖3。

圖2 瀝青混合料的彎拉強度

圖3 瀝青混合料的最大彎拉應變

對于高緯度低海拔寒冷地區(qū)的路面排水基層瀝青混合料，不僅需要考慮高溫抗變形能力，而且要兼顧低溫抗裂性能。從試驗結果看，5種瀝青混合料的最大彎拉應變均滿足規(guī)范不小于2 300 με的要求，表明對應的排水基層瀝青混合料具有良好的低溫抗裂性能。

4.7 瀝青混合料凍融循環(huán)試驗

將試件浸水24 h，取出后放入-23 ℃的冰柜中8 h，然后置于室溫24 h，此為一個凍融循環(huán)。如此循環(huán)至規(guī)定次數(10、20、30、50次)，測定試件的劈裂強度、拉伸應變和勁度模量。

根據試驗，經過設定的凍融循環(huán)次數后，5種瀝青混合料試件的厚度、直徑、全體空隙率、連續(xù)空隙率變化很?。?種級配瀝青混合料的劈裂強度在1.74～2.65 MPa之間，拉伸應變在5.28～7.95 με之間，勁度模量在450.9～838.9 MPa之間，各技術指標良好，說明5種路面排水基層瀝青混合料的抗凍耐久性良好。

5 結 論

在寒冷潮濕地區(qū)的公路路面結構中設置排水基層，是提高瀝青路面使用耐久性、保證路面使用性能的有效方法。采用的排水基層瀝青混合料的空隙率應在20%以上，瀝青用量宜在3.15%～3.55%之間。由試驗分析可知。

(1)選取的5種排水基層瀝青混合料的15 ℃滲水系數在0.10～0.19 cm/s之間，符合規(guī)范對開級配瀝青混合料滲水系數大于0.01 cm/s的要求；

(2)5種排水基層瀝青混合料的凍融劈裂強度比在72.1%～92.3%之間，滿足規(guī)范大于等于70%的要求；

(3)單軸壓縮抗壓強度在4.53～8.91 MPa，抗壓回彈模量在794.79～1 236.51 MPa之間，排水基層瀝青混合料的抗壓強度指標良好；

(4)5種級配排水基層瀝青混合料的最大彎拉應變在3 150～4 977 με之間，具備良好的低溫抗裂性能；

(5)經歷10、20、30、50次凍融循環(huán)，排水基層瀝青混合料試件的結構性指標變化很小，且拉伸應變及力學指標表現良好。

綜合以上分析，本次試驗選用的5種公路路面排水基層瀝青混合料，其水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗凍耐久性、結構強度等均符合現有規(guī)范要求，可用于高緯度低海拔寒冷地區(qū)公路瀝青路面結構排水；建議的適用層位，為公路路面結構的上基層或瀝青路面的下面層。