寒冷地区沥青路面排水基层混合料的试验分析

窦大峣

(黑龙江省公路勘察设计院，黑龙江 哈尔滨 150080)

1 沥青路面排水基层混合料的技术要求

1.1 空隙率

排水基层一般采用多孔隙的沥青混合料，混合料的空隙率应满足排水的需要。根据排水性能要求和现有研究成果，为及时排除路面结构内部的自由水，沥青稳定碎石混合料的空隙率应在15%～25%[1]。

1.2 力学强度

通常认为排水性沥青混合料的空隙率应高于15%。为保证沥青混合料的空隙率在循环荷载等的作用下不低于此值，一般采用20%的初始空隙率，目前倾向于采用20%～25%，甚至30%。排水基层作为路面结构的组成部分，将与其它路面结构层一起，共同承受荷载的作用。因此，在保证排水能力的前提下，需要满足强度或者回弹模量要求[1-3]。

综上所述，沥青稳定碎石排水基层混合料的组成设计，应同时满足空隙率、渗透性和强度三方面的要求。因此，设计时需考虑以下几点：

(1)适当的集料级配。使排水基层混合料具有足够的空隙率，以保证其渗水排水能力；

(2)合适的结合料用量。将集料稳定地粘结在一起，在交通荷载作用下具有足够的力学强度，保持必要的承载能力；

(3)摊铺和碾压时具有良好的施工和易性。

2 排水基层混合料试验设计

2.1 设计要素

沥青路面排水基层的主要功能是迅速有效地排除渗入路面结构内部的自由水。同时，作为路面结构的组成部分，排水基层必须有一定的结构要求[4]。

沥青稳定碎石排水基层一般应用在半刚性基层的上部层位，层间接触条件通常考虑为完全连续。因此，对排水基层的结构要求，主要体现在竖向抗变形能力方面，故采用抗压回弹模量作为排水基层材料的结构性能指标[3-5]。

一般而言，沥青稳定排水基层材料的渗透性能与结构性能是一对矛盾，材料组成趋向密实，则渗透性能降低而结构性能提高；反之，渗透性能提高而结构性能下降。影响沥青稳定碎石排水基层渗水系数与抗压回弹模量的主要因素为集料的级配组成和沥青用量[6，7]。因此需要对沥青稳定排水基层的材料级配进行分析研判，以便同时满足渗透、结构两方面的要求。

2.2 集料级配室内试验设计

集料中细料含量越高，渗透能力就越低，持水能力也就越强，难以把其中的自由水排出。作为排水基层材料，必须具有较小的持水能力。一般情况下，排水基层持水能力很弱，通常等于或接近集料的吸水率[5-8]。为了探讨水对不同级配试件的影响，室内试验采取以下集料级配。在级配范围内，适配5组不同集料级配作为初选级配，见表1。

表1 沥青稳定排水基层集料级配

3 试验用原材料

3.1 试验用沥青

采用90#改性沥青，技术指标如表2所示。

3.2 试验用集料

集料为黑龙江省地产的石灰石，技术指标如表3所示。

表2 90#改性沥青性能指标

表3 集料技术指标

4 排水基层沥青混合料试验

4.1 沥青用量的确定

如果沥青稳定排水基层材料中的沥青用量不足，会发生集料松散脱落和水损害；如果沥青用量过大，将在施工过程中因沥青滴落而堵塞孔隙。沥青用量的确定方法是沥青混合料的析漏试验和马歇尔稳定度试验[7-9]。

析漏试验方法：按前述选定的沥青混合料配合比，用室内沥青混合料拌和机拌和混合料。每次投放一个试件的用量，一组试件分别拌和6份。

常见沥青用量的析漏试验结果如表4所示。

表4 沥青析漏试验结果

马歇尔稳定度试验：按沥青混合料马歇尔稳定度试验方法对上述级配的沥青稳定排水基层混合料进行浸水马歇尔稳定度试验。试验时混合料拌和温度为170 ℃，击实温度为155 ℃，击实次数2×50。试验结果见表5。

表5 马歇尔稳定度试验结果

根据《公路沥青路面设计规范》对开级配沥青混合料的技术要求，马歇尔稳定度值不低于3.5 kN。根据表5的试验结果，选取符合要求的级配A-下限、B-上限、C-上限、D-上限、E-上限，进行肯塔堡飞散试验、渗水试验、劈裂试验、单轴压缩试验、小梁弯曲试验和冻融循环试验。

4.2 沥青混合料肯塔堡飞散试验

按照沥青混合料肯塔堡飞散试验方法，检验沥青的最小用量和沥青混合料的黏结性，即在交通荷载作用下，路面表面集料因脱落而散失的程度。试验结果见表6。

表6 肯塔堡飞散试验结果

《公路沥青路面设计规范》要求开级配沥青混合料肯塔堡飞散试验的飞散损失不大于20%，选用的5种级配的飞散损失均小于20%，符合要求。

4.3 沥青混合料渗水试验

按照沥青混合料渗水试验方法测定沥青混合料的渗水系数。试验结果见表7。

表7 渗水试验结果

《公路沥青路面设计规范》要求开级配沥青混合料的渗水系数大于0.01 cm/s。所选5种级配混合料的渗水系数均大于0.01 cm/s，符合规范要求。

4.4 沥青混合料冻融劈裂试验

依据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行试验，测定沥青混合料试件在冻融前后的劈裂强度，以评价沥青混合料的水稳定性。试验结果见表8、图1。

表8 劈裂试验结果

图1 沥青混合料的冻融强度比

规范要求开级配沥青混合料冻融劈裂强度比大于等于70%，以上5个级配的试验结果均满足要求。

4.5 沥青混合料单轴压缩试验

按照沥青混合料单轴压缩试验(圆柱体法)进行试验。试验结果见表9。

4.6 沥青混合料小梁弯曲试验

试件尺寸为300 mm×30 mm×35 mm，试验在UTM试验机上进行。试件跨径200 mm，中点加载，加载速率为50 mm/min，控制温度为-10±0.5 ℃。

表9 单轴压缩试验结果

利用与最大荷载对应的跨中挠度，可以计算出沥青混合料小梁的抗弯拉强度和最大弯拉应变。计算公式如下

(1)

(2)

式中：RB为沥青混合料小梁的抗弯拉强度，MPa；L为沥青混合料小梁的跨径，mm；PB为沥青混合料小梁破坏时的最大荷载，N；b为沥青混合料小梁跨中断面的宽度，mm；h为沥青混合料小梁跨中断面的高度，mm；εB为沥青混合料小梁破坏时的最大弯拉应变，με；d为沥青混合料小梁破坏时的跨中挠度，mm。

试验计算结果见图2、图3。

图2 沥青混合料的弯拉强度

图3 沥青混合料的最大弯拉应变

对于高纬度低海拔寒冷地区的路面排水基层沥青混合料，不仅需要考虑高温抗变形能力，而且要兼顾低温抗裂性能。从试验结果看，5种沥青混合料的最大弯拉应变均满足规范不小于2 300 με的要求，表明对应的排水基层沥青混合料具有良好的低温抗裂性能。

4.7 沥青混合料冻融循环试验

将试件浸水24 h，取出后放入-23 ℃的冰柜中8 h，然后置于室温24 h，此为一个冻融循环。如此循环至规定次数(10、20、30、50次)，测定试件的劈裂强度、拉伸应变和劲度模量。

根据试验，经过设定的冻融循环次数后，5种沥青混合料试件的厚度、直径、全体空隙率、连续空隙率变化很小；5种级配沥青混合料的劈裂强度在1.74～2.65 MPa之间，拉伸应变在5.28～7.95 με之间，劲度模量在450.9～838.9 MPa之间，各技术指标良好，说明5种路面排水基层沥青混合料的抗冻耐久性良好。

5 结 论

在寒冷潮湿地区的公路路面结构中设置排水基层，是提高沥青路面使用耐久性、保证路面使用性能的有效方法。采用的排水基层沥青混合料的空隙率应在20%以上，沥青用量宜在3.15%～3.55%之间。由试验分析可知。

(1)选取的5种排水基层沥青混合料的15 ℃渗水系数在0.10～0.19 cm/s之间，符合规范对开级配沥青混合料渗水系数大于0.01 cm/s的要求；

(2)5种排水基层沥青混合料的冻融劈裂强度比在72.1%～92.3%之间，满足规范大于等于70%的要求；

(3)单轴压缩抗压强度在4.53～8.91 MPa，抗压回弹模量在794.79～1 236.51 MPa之间，排水基层沥青混合料的抗压强度指标良好；

(4)5种级配排水基层沥青混合料的最大弯拉应变在3 150～4 977 με之间，具备良好的低温抗裂性能；

(5)经历10、20、30、50次冻融循环，排水基层沥青混合料试件的结构性指标变化很小，且拉伸应变及力学指标表现良好。

综合以上分析，本次试验选用的5种公路路面排水基层沥青混合料，其水稳定性、高温稳定性、低温抗裂性、抗冻耐久性、结构强度等均符合现有规范要求，可用于高纬度低海拔寒冷地区公路沥青路面结构排水；建议的适用层位，为公路路面结构的上基层或沥青路面的下面层。