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海绵城市理念排水沥青路面设计探讨

学术杂志网   |   2019-12-31

摘要:文章以某市公路工程为依托,基于海绵城市理念设计了一种PAC-13排水沥青混凝土路面上面层材料:对原材料进行了检验与测定;完善了排水沥青混凝土路面的设计方法;确定了混合料为间断级配结构,混合料组成结构类型为骨架空隙结构;确定了高粘改性剂的掺配比例;确定了最佳油石比,得到了排水沥青混合料的目标配合比。

关键词:配合比设计;病害;排水沥青混凝土;海绵城市

海绵城市理念,又被称作低影响开发(LID),指的是将整个城市看作“海绵”,从而有效地吸收、利用城市雨水,从而在一定程度上消减城市化进程对生态环境的破坏作用[1]。有关海绵城市建设理念,国内专家学者已有了一定的研究。刘双[2]为降低城市洪涝灾害的发生,将透水混凝土应用于海绵城市建设工程中,结合工程建设实际,提出了透水混凝土的制备工艺。余海燕[3]等人研究了孔隙率、水灰比对透水混凝土路用性能的影响,并研究了粉尘粒径对其堵塞情况的影响。上述学者在研究海绵城市建设路面材料的过程中,多考虑水泥混凝土的应用,而涉及到排水沥青混凝土的研究还有着一定的空白。在排水沥青混合料的研究方面,李飞扬[4]研究了高粘沥青的制备,重点研究了混合料水稳定性能影响规律,而对具体的设计方法并未过多涉及。本文所述排水沥青混合料指的是多孔沥青混合料(PAC)。针对排水沥青混合料的特征,对其混合料配合比优化设计进行了研究,设计了一种PAC-13排水沥青混凝土路面上面层材料,完善了排水沥青混凝土路面的设计方法,对原材料进行了检验与测定。确定了混合料为间断级配结构,混合料组成结构类型为骨架空隙结构;确定了高粘改性剂的掺配比例;确定了最佳油石比,得到了排水沥青混合料的目标配合比。

1原材料选择

排水性PAC-13沥青混合料中的各项原材料种类及其性能指标对混合料使用性有着决定性的影响,本文涉及到的原材料有:SBS改性沥青、高粘改性剂、矿粉、细集料、粗集料。

1.1沥青

本文所述的排水PAC-13沥青混合料选用的沥青种类为SBS改性沥青,该种沥青应用于混合料中可以有效提升道路的高温性能以及低温性。本文涉及到的SBS改性沥青生产厂家及批次均一致,并且其中的SBS改性剂掺加量都达到了5%以上。依照《规程》[5]对其进行检测并得到检测结果。本文所用的SBS改性沥青各项指标均达到《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)[6]的要求。其具体检测数据见表1。

1.2矿粉

为了充分填充排水性PAC-13沥青混合料中的多余空隙,选用矿粉作为其填料。此外,矿粉还能促进混合料稳定性和强度的提升。本文涉及到的矿粉含水量为0.93%、无团聚结块的现象、相对表观密度为2.828、粒径<0.075mm的占比达95.6%,均满足规范要求。

1.3细集料和粗集料

本文所选的集料表面具有干燥、无各类杂质、质地坚硬和耐风化性能好的特征,去除了各类有害物质,且其表面粗糙、棱角性较好、无细长颗粒、无集料形状扁平的情况。原材料中集料要优先选用憎水性的集料,另外其表面更不能粘附部分夹层等,否则会影响粘结作用,尤其是在集料和沥青之间的作用,最严重的后果是会引起排水性PAC-13沥青混合料的松散。排水性PAC-13沥青混合料中的粗集料是非常重要的组成材料,通过粗骨料之间的挤压以及嵌接作用,能够搭建起骨架体系,从而确保路面的稳定。排水性PAC-13沥青混合料中的细集料颗粒粒径应<4.75mm,质量占比大约在20%。混合料中的粗集料和细集料性能检测数据如表2、表3所示。

1.4纤维

本文所述的排水性PAC-13沥青混合料类型为骨架空隙型,为了提升填料和沥青间粘结力并增强混合料稳定性,可以在其中掺加适量的木质纤维素,其掺量确定为混合料质量的0.35%。1.5高粘改性剂本文所述排水性PAC-13沥青混合料中的高粘剂选用高粘添加剂。这种高粘添加剂是由高分子聚合物构成的,能够显著提升SBS改性沥青的动力黏度,提高矿质集料以及高粘改性沥青之间的粘结力,最终达到增强混合料高低温性能、水稳性、强度以及耐疲劳和抗分散等多方面性能的目的。

2混合料的级配组成设计方法

2.1优选设计方法

沥青混合料力学性质和路用性能由矿质集料间内摩阻力以及沥青胶浆粘结力直接决定。美国SHRP对沥青混合料路用性能的影响因素进行过分析,包括有混合料级配、矿质集料、沥青胶浆等。不难发现,适当的设计方法对此类新型路面材料有着决定性的影响作用。采用间断型级配设计方案可以充分利用粗集料之间的嵌挤作用,为混合料提供一个稳定的骨架支撑,由此方案设计出来的排水性沥青混合料有着很好的抗车辙性能。故本文选用粗集料间断级配的设计方案,用于研究排水性PAC-13沥青混合料配合比的优化设计。

2.2模型建立

本文所采用的排水性PAC-13沥青混合料间断型级配设计方法相较于连续型级配设计方法,其最大的不同之处在于矿料级配的搭配方案,而且采用粗集料断级配设计方法的沥青混合料有着很好的路用性能。在级配的构建过程中,采用双级配曲线合成的方案,也就是“两线三点”的混合料级配设计模型,而非直接取用宽级配范围。首先需要将各个关键筛孔尺寸及每个筛孔尺寸的通过率确定好,规定矿料的公称最大粒径以及公称最大粒径的通过率;随后规定混合料中集料粒径≥4.75mm的碎石含量;再规定混合料中的矿粉占比,随后得到两条集料的级配曲线,将二者连接起来成为新的间断级配曲线。从理论上来说,通过两个关键点的曲线可以构造出无数条。按以往的经验及应用实例,现阶段常用的是三类曲线模型,分别为对数函数模型、指数函数模型以及幂函数模型。采用的级配曲线模型种类不同,得到的各筛孔矿料通过率也随之改变,最终得到的沥青混合料性能也会有明显的差异。本文所述排水性PAC-13沥青混合料的级配模型选择幂函数模型,最终拟定的0.075~4.75mm幂函数公式为y=16.745x0.3315,4.75~13.2mm幂函数公式为y=4.8145x1.1642。

3高粘复合改性沥青

3.1高粘改性剂掺配比例

首先确定高粘改性剂掺配比例为6%(质量占比),对形成的高粘复合改性沥青进行动力黏度检测,得到动力黏度检测数值为1.86×105Pa·s,无法满足规范中2×105Pa·s的要求,因此需调整高粘改性剂和SBS改性沥青之间的质量比。最终得到的高粘改性剂掺配比例为7%,对形成的高粘复合改沥青进行动力黏度检测,得到的动力黏度检测数值为2.64×105Pa·s,满足规范要求。

3.2高粘复合改性沥青制备

高粘复合改性沥青的制备方式:将SBS改性沥青及高粘改性剂混合后高速剪切20min,设定剪切的速度为5000转/min、剪切温度为180℃。待剪切完成后,将剪切后的沥青置于190℃的烘箱中保存20min即可。

4配合比设计结果

4.1级配参照

为满足排水性PAC-13沥青混合料路用性能要求,保证沥青混合料的饱和度,减少水的渗入和高温季节的泛油现象。在其矿质集料级配设计过程中参照的是常规PAC-13沥青混合料间断级配的设计方案,其要求如表4所示。

4.2矿质集料级配设计

初拟了3种矿质集料级配方案,将矿质集料按照矿粉、0~5mm、5~10mm以及10~15mm分成4组,针对每组矿料选用不同的搭配比例,形成三种矿质集料具体设计方案。其搭配比例方案分别为12∶18∶29∶41;12∶16∶30∶42以及10∶12∶28∶50。初拟油石比为5.0%,对3种方案分别进行马歇尔击实试验,以体积指标为参照,选取最佳级配方案为方案3。矿质集料的设计结果见表5,为选定最佳级配方案测定的各数据结果如表6所示。

4.3最佳油石比

为得到排水性PAC-13沥青混合料的最佳油石比,以上述方案3的矿质集料级配为基准,对油石比为4.0%、5.0%以及6.0%的混合料采用马歇尔法进行测定与计算,具体试验结果如下页表7所示。结果表明:随着油石比的不断提升,理论相对密度整体呈现出下降的趋势,但其下降趋势并不明显;与之类似,毛体积相对密度的变化值总体呈现略微上升趋势,变化同样不明显;VV的变化率最大,从4.7%下降到了4.0%;VMA和VCAmix较为稳定,而VFA则呈现出明显的上升趋势,下降率达到了4.5%;稳定度总体呈现出上升趋势,而流值变化相对较小。因此得出结论,以矿粉、0~5mm、5~10mm以及10~15mm四类矿质集料按照10∶12∶28∶50的比例设计级配方案,得到的排水性PAC-13沥青混合料最佳沥青用量为6.0%。测定过程中的各项指标均达到了规范要求。

5工程应用

将排水性PAC-13沥青混合料实铺于某市公路改造工程,该路段总长16.7km。选用矿粉、0~5mm、5~10mm以及10~15mm四类矿质集料按照10∶12∶28∶50的比例设计级配方案,同时规定排水性PAC-13沥青混合料沥青用量为6.0%,并以此为基准进行铺筑。依照《规程》[5]对沥青进行检测并得到检测结果。所用的SBS改性沥青各项指标均达到《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)[6]的要求。优选的矿粉,无团聚结块的现象;粗细集料表面均具有干燥、无各类杂质、质地坚硬、耐风化性能好的特征,去除了其中各类有害物质,并且表面粗糙、棱角性较好、无细长颗粒、无集料形状扁平的情况;掺加适量的木质纤维素,其掺量确定为混合料质量的0.35%。铺筑施工流程一般首先对局部基面进行铣刨,然后清理路面,再撒布乳化沥青及摊铺沥青,最后对路面进行碾压处理,待自然降温后即可开放交通。在摊铺路段的中底层施工后,在其上加铺4.0cm(高粘改性剂占比为7%)排水性PAC-13沥青混合料。完成铺筑、碾压成型等工作后,得到的路面施工质量满足《城市道路工程施工与质量验收规范(CJJ1-2008)》标准。后续进行了抗滑值和渗透系数测定,抗滑值达到68%~73%,满足设计值及路面使用要求。

6结语

(1)排水性PAC-13沥青混合料类型为骨架空隙型,矿质集料级配类型为间断级配。(2)木质纤维素掺量确定为混合料质量的0.35%,高粘改性剂掺配比例为7%。(3)矿粉、0~5mm、5~10mm以及10~15mm最佳比例为10∶12∶28∶50。(4)以最佳矿质集料比例为基准,得到的最佳油石比为6.0%。

参考文献

[1]徐振强.中国特色海绵城市的政策沿革与地方实践[J].上海城市管理,2015,24(1):49-54.

[2]刘双.透水混凝土在海绵城市建设中的工程应用[J].混凝土世界,2019(1):87-90.

[3]余海燕,李永强,石译文,等.透水混凝土的试验研究[J].混凝土,2018(12):137-139.

[4]李飞扬.排水沥青混合料的水稳定性能研究[D].重庆:重庆交通大学,2017.

[5]JTGE20-2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

[6]JTGF40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].

作者:欧来文 单位:广西壮族自治区林业勘测设计院

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